S频段卫星通信天线的研究与设计.pdf

摘要

天通一号卫星是我国自主研发的卫星移动通信系统的重要组成部分。作为中国的“海事

卫星”，天通卫星可以实现中国及周边、中东、非洲等地区，以及太平洋、印度洋等海域的覆

盖，能为海洋救援、航空运输以及个人移动通信提供稳定的通信服务。本文以S频段天通一

号卫星为研究背景，设计分析了三种结构不同应用于不同场景的圆极化天线，并对天线的低

仰角、宽波束以及小型化特性进行了研究。三种不同形式的S频段圆极化天线如下：

第一种是层叠缝隙耦合抗金属微带天线。采用传统微带天线的改进形式——缝隙耦合微

带天线，将馈电网络和辐射贴片分离设计，降低两者间的干扰。通过威尔金森网络实现幅度

相等相位相差90°的两个输出端口，馈电网络对开有缝隙的地板馈电，从而实现左旋圆极化。

将传统的矩形缝隙改进为H型缝隙，使天线获得更多的耦合量以增加波束宽度。引入金属反

射板，改善缝隙天线背向辐射过大的问题。引入金属铝腔，提升天线的抗金属和阻抗匹配性

能。最终，天线的驻波比小于1.2，中心增益大于6dBi，仰角±30°以上具有稳定增益，3dB波

束宽度大于110°。

第二种是宽波束交叉磁电偶极子天线。电偶极子和磁偶极子具有互补特性，因此将两者

方向图结合，设计出上半球辐射良好的宽波束磁电偶极子天线。其中，电偶极子采用具有斜

倒角结构的铝材质辐射元，磁偶极子采用具有阶梯的斜圆柱，并将一对磁电偶极子交叉放置，

实现一个工作周期内的全向辐射。采用威尔金森网络对交叉放置的磁电偶极子馈电实现左旋

圆极化，引入金属铝腔提升天线整体增益和阻抗匹配性能。最终，天线的驻波比小于1.2，中

心增益大于5.5dBi，仰角±30°以上具有稳定增益，3dB波束宽度大于120°。

第三种是小型化四臂螺旋天线。四条完全相同旋转间距相差90°的辐射臂蚀刻在柔性介

质板上形成四臂螺旋天线的原型。通过一分四威尔金森网络实现幅度相等相位相差90°的四

个输出端口对辐射臂馈电，从而实现左旋圆极化。天线原型的纵向高度为60mm，引入寄生辐

射臂拓宽天线带宽，纵向高度降低至55mm，将辐射臂曲流化，纵向高度降低至36mm。用四

相位相移芯片替换一分四馈电网络，横向尺寸从80mm降低至28mm。最终，天线的驻波比

小于1.5，中心增益大于5dBi，仰角±30°以上具有稳定增益，3dB波束宽度大于140°。

关键词:左旋圆极化，缝隙耦合天线，磁电偶极子天线，螺旋天线，抗金属，宽波束，小

型化

Abstract

Tiantong-1satelliteisanimportantpartofChinasindependentlydevelopedsatellitemobile

communicationsystem.AsChinasmaritimesatellite,TiantongsatellitecancoverChinaandthe

surroundingareas,theMiddleEast,Africaandotherregions,aswellasthePacificOcean,theIndian

Oceanandotherseaareas,whichcanprovidestablecommunicationservicesformarinerescue,air

transportandpersonalmobilecommunication.Thisarticleisbasedontheresearchbackgroundof

Tiantong-1satelliteworkingintheS-band.Inthispaper,threetypesofcircularlypolarisedantennas

withdifferentstructuresaredesignedandanalysedfordifferentscenarios,andthelowelevationangle,

widebeamandminiaturisationcharacteristicsoftheantennasareinvestigated.T