（信息与通信工程专业论文）海事卫星通信系统终端天线的研究.pdf

分类号 u d c 密级 单位代码! 盟盟 海事卫星通信系统终端天线的研究 刘诚 指导教师房少军职称教授 申请学位级别工学硕士 论文完成日期2 0 】1 l 箜6 履答辩日期2 0 1 1 年7 月 答辩委员会主席 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文：瀣蔓里星通信丕统终当云线敛研究：。除论文中已 经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发 表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到 中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、 中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密叼( 请在以上方框内打“一) 论文作者签钢拭导燃： 日期：沙7 ，年7 月2 ，日 中文摘要 摘要 第四代海事卫星宽带通信是国际移动卫星组织1 n m a r s a t 打造的全球性 移动卫星通信系统，该系统吸收和兼容了3 g 通信优势，能够为陆地、海上和航空 用户提供安全可靠的语音和网络接入服务。f l e e tb r o a d b a n d 是i n m a r s a t 第四代 卫星移动宽带业务应用于海上的名称，它通过非常紧凑的终端设备和简易的操作 方式给用户提供高达4 3 2 k b p s 的移动宽带服务，终端天线辐射右旋圆极化波，接收 和发射频段分别为15 2 5 15 5 9m n z 和16 2 6 5 16 6 0 5 m h z 。 微带天线以其结构紧凑、低剖面、容易实现圆极化等优点在天线设计领域经 久不衰，目前已被广泛应用于卫星通信、雷达等各种无线通信设备当中。本文以 海事卫星海上宽带通信为背景，在总结前人研究的基础上，针对微带天线宽频带 和圆极化技术展开研究，设计了两款应用于f l e e tb r o a d b a n d 系统的便携移动终端 天线。主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍了微带天线的基本工作原理、特性参数和分析方法，详细阐明了微带 天线实现圆极化和宽频带的关键技术以及一些常用的馈电网络。 ( 2 ) 针对海上宽带通信的特点，采用单馈电实现圆极化和连续旋转天线阵技 术，设计了一款适用于海上宽带系统f b 2 5 0 业务的终端天线，并通过仿真和实验 进行了验证。测试结果表明：在海事卫星工作频段内，天线具有良好的圆极化辐 射特性，其驻波比小于1 2 ，增益大于1 2 d b i ，轴比小于1 6 d b ，3 d b 轴比宽度超过4 0 。， 半功率波束宽度大于4 0 。该天线具有增益高、重量轻、结构紧凑、制作简单、 便携移动的特点。 ( 3 ) 通过对多馈法实现圆极化的分析，采用不等功率馈电和叠层切角技术，设 计了一款适用于海上宽带系统f b l 5 0 业务的终端天线，并通过仿真和实验进行了 验证。测试结果表明：在海事卫星工作频段内，天线的驻波比小于1 2 ，增益大于 9 d b i ，轴比小于1 5 d b ，3 d b 轴比宽度超过7 0 。，半功率波束宽度大于5 5 。该 天线制作成本低廉，加工简单，为海上宽带通信提供了一种实用的收发天线。 关键词：第四代海事卫星系统；海上宽带通信；便携终端；微带天线；圆极化 英文摘要 a b s t r a c t t h ef o u r t h g e n e r a t i o nm a r i t i m es a t e l l i t eb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o ni sag l o b a l s a t e l l i t em o b i l ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ，w h i c hi sb u i l tb yi n m a r s a t i tp r o v i d e s g l o b a lu s e r so nt h es e a , o ro nt h ee a “ko ri nt h es k yw i t hs e c u r ea n dr e l i a b l ev o i c ea n d i n t e r n e ta c c e s ss e r v i c e s ，a n dc o m p a t i b l ew i t ht h e3 gc o m m u n i c a t i o n f l e e tb r o a d b a n d i st h en a m eo ft h ef o u r t h - g e n e r a t i o nm m t i m es a t e l l i t eb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o nt h a t a p p l i n go nt h es e a i tc a np r o v i d eu s e r 8w i mw e e d su pt o4 3 2 k b p sf o rm o b i l eb r o a d b a n d s e r v i c e su s i n gav e r yc o m p a c tu s e rt e r m i n a la n das a m p l eo p e r a t i o nm o d e a n t e n n ao f i t st e r m i n a le q u i p m e n tr a d i a t e sr i g h t - h a n dc i r c u l a r l yp o l a r i z e dw a v e i t sr e c e i v i n ga n d s e n d i n gf r e q u e n c i e sa r e15 2 5 15 5 9 i i - - i za n d16 2 6 5 - 16 6 0 5m h zr e s p e c t i v e l y w i t hal o to fa d v a n t a g e ss u c ha sc o m p a c ts t r u c t u r e , l o wp r o f i l e , e a s yt oi m p l e m e n t c i r c u l a r l yp o l a r i z e d ，m i c r o s t r i pa n t e n n ae n d u r i n gp o p u l a r i t yi na n t e n n ad e s i g nf i e l d n o w , m i c r o s t r i pa n t e n n ah a sb e e nw i d e l yu s e di ns a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ，r a d a ra n da v a r i e t yo fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nd e v i c e s t h i sp a p e ri ss e ti nf l e e tb r o a d b a n ds y s t e m r e s e a r c ha n da n a l y s i sa b o u tm i c r o s t r i pa n t e n n af o rw i d e b a n da n dc i r c u l a rp o l a r i z a t i o n t e c h n o l o g yh a v eb e e nc o n d u c t e db a s e do np r e v i o u ss t u d i e s s e v e r a lb r o a d b a n d c i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i c r o s t r i pa n t e n n a sw e r ed e s i g n e df o rf l e e tb r o a d b a n dp o r t a b l e m o b i l et e r m i n a l t h ea u t h o r sm a i nw o r k sa a sf o l l o w ： ( 1 ) i td e s c r i b e st h eb a s i ct h e o r y , c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sa n da n a l y s i sm e t h o d s o f m i c r o s t r i pa n t e n n a i tg i v e sad e t a i lt ot h ek e yt e c h n o l o g i e so fc i r c u l a r l yp o l a r i z e da n d b r o a d b a n dm i c r o s t r i pa n t e n n a , a n dt h e ns o m ef e e d i n gn e t w o r k sa r es t u d i e d ( 2 ) a c c r o d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i e so ff l e e tb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n , a na n t e n n a s t r u c t u r ef o rf l e e tb r o a d b a n df b 2 5 0t e r m i n a lw a sp r o p o s e db a s e do nt h ea n a l y s i sa n d r e s e a r c ho ft h es i n g l e - f e dc i r c u l a r l yp o l a r i z e dm i e r o s t f i pa n t e n n aa n ds e q u e n t i a lr o t a t i o n a r r a y st e c h n o l o g y 砀pa n t e n n aw a sc a r r i e do u tb ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ea n t e n n ah a sg o o dc pr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i cw i t hi t sv s w rl e s st h a n1 2 ，g a i nh i g h e rt h a n12 d b i ，a x i a lr a t i ol e s st h a n 1 6 d b ，3 d bw i d ea n g l ea x i a lr a t i om o r et h a n4 0 。a n dh a l fp o w e rb e a mw i d t hm o r et h a n 4 0 。o v e ri n m a r s a tw o r k i n gb a n d t h ea n t e n n ah a sm a n yc h a r a c t e r i s t i cs u c ha sh i g h g a i n ，l i g h tw e i g h t ，c o m p a c ts t n j c t u r ea n ds u i t a b l ef o rp o r t a b i l i t ya n dm o b i l i t y ( 3 ) a na n t e n n as t r u c t u r ef o rf l e e tb r o a d b a n df b 15 0t e r m i n a lw a sp r o p o s e db a s e d 英文摘要 o nt h e a n a l y s i s a n dr e s e a r c ho ft h eu n e q u a lp o w e rf o u r - f e dc i r c u l a r l y p o l a r i z e d m i c r o s t r i pa n t e n n aa n ds t a c k e dc o m e rt n m c a t e dt e c h n o l o g y t h ea n t e n n aw a sc a r r i e d o u tb ys i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a lv a l i d a t i o n t h em e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h e a n t e n n ah a sg o o dc pr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i cw i t hi t sv s w rl e s st h a n1 2 ，g a i nh i g h e r t h a n9 d b i ，a x i a lr a t i ol e s st h a n1 6 d b ，3 d bw i d ea n g l ea x i a lr a t i om o r et h a n7 0 。a n d h a l fp o w e rb e a mw i d t hm o r et h a n5 5 。o v e ri n m a r s a tw o r k i n gb a n d 1 1 1 ep r o p o s e d a n t e n n ah a sal o w - c o s t , e a s y - f a r b r i c a t i o n , a n de t c i tp v i d 鹤ap r a c t i c a lt r a n s c e i v e rf o r f l e e tb r o a d b a n ds a t e l l i t ec o m m u n i e a t i o nt e r m i n a l s k e yw o r d s ：i n m a r s a t - 4 s a t e l l i t es y s t e m ；f l e e tb r o a d b a n de o m m u e a t i o n ； p o r t a b l et e r m i n a l ；m i e r o s t r i pa n t e n n a ；c i r c u l a rp o l a r i z a t i o n 目录 目录 第1 章绪论1 1 1 研究背景和意义1 。 1 2 国内外研究现状及主要研究方法4 1 3 论文的研究内容和结构安排。7 第2 章微带天线基本理论9 2 1 微带天线概述9 2 2 微带天线分析方法1 1 2 3 微带天线特性参数13 2 3 1 天线的方向性系数、效率和增益1 3 2 3 2 天线的极化特性1 4 2 3 3 天线的驻波比和回波损耗1 6 2 3 4 天线的工作频带宽度1 7 2 4 微带天线圆极化技术1 7 2 4 1 多馈法技术1 8 2 4 2 单馈法技术2 0 2 5 微带天线宽频带技术2 l - 2 5 1 基本技术2 1 - 2 5 2 多模技术2 2 2 5 3 连续旋转阵技术2 2 2 6 馈电网络的研究2 5 2 6 1 并联馈电网络2 5 2 6 2 串联馈电网络2 6 2 6 3 组合馈电网络2 7 2 6 4 宽频带馈电网络2 8 第3 章单馈电叠层圆极化微带缝隙天线阵的设计3 1 - 3 1 引言。3 1 3 2 仿真软件的简介3 4 3 2 1a g i l e n te m p r o 软件及有限元方法3 4 3 2 2a g i l e n ta d s 软件3 6 3 3 单馈电叠层缝隙天线阵的结构设计3 6 3 3 1 单元天线的设计与仿真3 6 3 3 2 天线阵及馈电网络的设计4 0 目录 3 4 单馈电叠层缝隙天线阵的仿真分析4 3 3 5 单馈电叠层缝隙天线阵的制作与测试4 9 3 5 1 天线阵的制作4 9 3 5 2 天线阵的测试5 0 3 6 本章小结5 2 第4 章不等功率馈电叠层圆极化微带天线的设计5 3 4 1 引言。5 3 4 2 不等功率馈电叠层天线的结构设计5 6 4 3 不等功率馈电叠层天线的仿真分析5 9 4 4 不等功率馈电叠层天线的制作与测试一6 8 4 4 1 不等功率馈电叠层天线的制作6 8 4 4 2 不等功率馈电叠层天线的测试6 9 4 5 本章小结7 2 第5 章总结和展望一7 3 - 5 1 本文的工作总结7 3 5 2 未来的工作展望7 4 参考文献- 7 5 一 致谢一7 9 一 研究生履历一8 0 海事卫星通信系统终端天线的研究 第1 章绪论 1 1 研究背景和意义 天线作为无线通信中发射和接收电磁波信号的承载者，在广播、电视、雷达、 导航、电子对抗、遥感和射电天文等诸多工程中，有着广泛的应用，可以说凡是 利用电磁波来传递信息的系统，都依靠天线来进行工作，因此，天线系统性能的 好坏直接影响着整个通信系统的工作能力【1 1 。用于辐射无线电波的天线称发射天 线，它把发射机送来的交变电流能量转换为空间电磁波能量：用于接收无线电波 的天线称接收天线，它把从空间获取的电磁波能量转换为交变电流能量送给接收 机i i l 。通常一副天线既可作为发射天线，也可作为接收天线，配有双工器的天线可 以收发同时共用，但有些天线只适宜作接收天线使用。 伴随现代通信的不断发展，天线技术日新月异，圆极化天线【2 】由于其极化性能 可以在面对云雨干扰、剧烈震动等情况时表现出优异的特性，能够满足在通信、 雷达、电子对抗、电视广播等方面的更严格、更精密的探测或传输要求 2 - 4 。天线 的设计往往是根据工作频率、输出功率、 进行的，虽然各种各样的天线眼花缭乱， 方向性、耐用性、成本、和空间限制而 但它们都遵循相同的电磁场基本原理【1 1 。 自1 9 5 7 年前苏联发射第一颗人造地球卫星以来，卫星通信就以其覆盖范围广， 通信距离远，传输频带宽，通信容量大等诸多优点被广泛的应用于通信广播、电 视等领域。其中卫星移动通信【5 】可以为移动用户、固定用户之间提供通信服务，具 有覆盖区域更广、不受地理障碍约束和用户运动限制等优势。全球性系统( 如 i n m a r s a t 系统) 和区域性系统( 如北美的“全球星 系统、“奥德赛 系统和澳大 利亚的m o b i l e s a t 系统) 都已投入运行。与地面移动通信相比，卫星移动通信的最大 优势在于能够实现高数据速率、高机动性和无缝隙链接【5 1 。 i n m a r s a t 叫( i n t e r n a t i o n a lm a r i t i m e ss a t e l l i t eo r g a n i z a t i o n ) 是一个提供全球范 围内卫星移动通信，并按照商业化模式运行的政府间合作机构，即国际移动卫星 组织( 原名国际海事卫星组织，英文简称i n m a r s a t ) 。经过近3 0 年的成长，海事 卫星系统已经由最初的旨在改善海事通信( 尤其是海上安全) 的系统发展成能为 海陆空用户提供全球化、全天候、全方位通信和遇险安全通信服务的通信保障系 第1 章绪论 统，业务系统从1 9 8 2 年开始的模拟体制a 标准业务，发展到b 、c 、m 、m i n i m 、 a e r o 、f 标准业务，以至2 0 0 5 年推出的陆上宽带b g a n 业务和2 0 0 9 年启动的海上宽 带f l e e tb r o a d b a n d 业务。 目前i n m a r s a t 系统已经发展到第四代，针对陆地、海上、航空用户分别推 出了b g a n ( b r o a d b a n dg l o b a la r e an e t w o r k ，宽带全球局域网) 业务、f l e e t b r o a d b a n d ( 海上宽带) 业务和s w i f tb r o a d b a n d ( 航空宽带) 业务，该系统综合了高、中、 低端多种业务模式，采用高效的频率复用技术，在l 波段有限的带宽资源情况下， 实现了容量和多样化的选择【6 】。第四代海事卫星通信系统，吸取和兼容了3 g 的通 信优势，在卫星通信中结合了宽带通信、网络接入和便携移动的需求，成为向在 全球范围内任意移动的用户提供安全可靠的音视频流媒体传输、电子邮件、网络 接入服务的革命性通信系统1 7 1 。i n m a r s a t - 4 卫星采用了一副能产生多波束l 频段 大天线和一部具有信道选择和波束成型功能的透明弯管式数字信号处理器，共有 2 0 0 个点波束、1 9 个宽波束和1 个全球波束，点波束提供用户终端的等效全向辐射 功率强度高达6 7 d b w ，它的应用将使用户终端进一步小型化 8 - 1 1 1 。表1 1 列出了 i n m a r s a t - 4 系统的主要技术参数。 表i ii n m a r s a t - 4 系统的技术参数睁1 1 l t a b 1 1i n m a r s a t - 4s y s t e ms p e c i f i c a t i o n s s - l l 】 e 琢于6 7 d b w 导航支持是 调制方式 16 q a m q p s k 信道带宽 2 0 0 k h z 6 3 0 条信道 用户链路l 波段编码方式 t u r b o 码 馈电链路c 波段极化方式右旋圆极化( r h c p ) ( l 波段) 馈电链路：6 4 2 4 - - 6 5 7 5 m h z馈电链路：3 5 5 0 3 7 0 0 m h z 前向链路反向链路 用户链路：1 5 2 5 1 5 5 9 m h z用户链路：1 6 2 6 5 1 6 6 0 5 m h z b g a n 最高到4 9 2 k b p s 数据速率波束覆盖 1 全球+ 1 9 宽波束+ 2 2 8 窄波束 f l e e tb r o a d b a n d 最高4 3 2 k b p s c - c 波段：用于定时和同步 转发器功率 1 4 k w 星际链路 l 刖j ，r ：转发器星际链路 电子邮件、信息i n t e r a c t 接入远程l a n 接入视频会议 业务 数据文件传输i n t r a n e t 接入远程数据库连接电话 2 海事卫星通信系统终端天线的研究 卫星通信在我国发展较快，自中国交通通信中心投入i n m a r s a t 运营以来， 已经在气象、交通、科研、水利、民航和新闻等诸多方面发挥了重要作用，特别 是在汶川、玉树地震、北京奥运直播、索马里护航、神州七号回收、上海世博会 等特殊应用中，b g a n 和f l e e tb r o a d b a n d 业务受到了用户的青睐【_ 7 1 。作为一项新的 服务，f l e e tb r o a d b a n d 已成为i n m a r s a t 公司海事产品系列中的新成员，它提供高 达4 3 2 k b p s 的宽带数据能力，有望改变船员与海上作业人员的通信方式，如同地面 宽带已改变人们的互联网使用方式一样，同步实现语音和数据业务能力已促使 b g a n 取得了极大成功，f l e e tb r o a d b a n d 就相当于海上b g a n 6 。 目前，b g a n 和f l e e tb r o a d b a n d 的终端设备都是由国外的设备厂商生产，其中 f l e e tb r o a d b a n d 终端设备主要有t h r a n e & t h r a n e 、j r c 、s a t l i n k 、f u r u n o 四家设备制 造商，这四家厂商提供三种性能不同的终端设备，所有终端都使用稳定的定向天 线，大小和重量各不相同。表1 2 列出了f l e e tb r o a d b a n d _ 三种终端的参数指标。 表1 2f l e e tb r o a d b a n d 终端列表1 6 】 t a b 1 2f l e e tb r o a d b 锄dt e r m i n a l sl i s t s 6 类型 f b l 5 0f b 2 5 0f b 5 0 0 覆盖 全球语音和数据全球语音、数据、传真全球语音、数据、传真 范围 适用 小型专业船只、游艇所有类型船只所有类型船只 船只 语音 4 k b p s 数字3 t k h z 名 频4 k b p s 数字3 1 k h z 音频4 k b p s 数字3 1 k h z 音频 通过3 1 k h z 音频收发通过3 1 l c h z 音频收发 传真不支持 g r o u p3 传真g r o u p3 传真 s m s 标准3 g ( 最高1 6 0 字节)标准3 g ( 最高1 6 0 字节) 标准3 g ( 最高1 6 0 字节) 标准 最高达1 5 0最高达2 8 4最高达4 3 2 i f ( k b p s ) 流媒体 不支持 3 2 、6 4 、1 2 83 2 、6 4 、1 2 8 、2 5 6 i f ( k b p s ) i s d n 不支持不支持6 4 k b p s 直径2 9 1 c m直径3 2 c r a直径6 0 c m 天线 高度2 2 1 c m高度2 8 c r a高度6 3 c m 重量2 5 k g重量3 9 k g重量1 6 k g 部分 s a i l o r l5 0 s k i p p e r l5 0 f e l c o m 2 5 0u e 2 5 0s a i l o r 5 0 0j u e 5 0 0 产品 制造商 1 1 l r a n es a t l i n kf u l l l l l 0j r ct h r a n e爪c 产品 ； 懋邑 国 、 ； 照片参芦 国 ，妒 遵豳 姆 曩一 一- 3 第1 章绪论 近年来，微带天线以其剖面低、重量轻等优点，成为当今发展最快的天线种 类之一，微带天线的馈电方式多种多样，容易实现圆极化辐射，并且制造工艺简 单，价格便宜，适合大批量生产【1 2 】。尽管海事卫星通信的性能十分出色，但其使 用费用却非常高，很难大众化普及，如果利用微带天线开发出具有自主知识产权 的海事卫星终端天线，则能够改变国外公司对终端天线垄断的现状，同时在海事 卫星领域采用我们自主研发的天线具有重要的社会意义和国际影响。 1 2 国内外研究现状及主要研究方法 目前，微带天线实现圆极化的方法多种多样1 1 2 - 1 4 j ，归结起来主要有单馈法， 多馈法和多元法三种实现方式，此外，部分天线工作者还研究了一些特殊的实现 圆极化的方法，例如采用五边形的贴片结构【1 5 l ，在圆形贴片天线上加载适当的矩 形缝隙【1 6 1 ，改变微带天线基板形状实现圆极化f 1 7 】等等。 在现代卫星通信系统中，越来越多的卫星能够提供超大的星上转发功率，通 过提高卫星的增益来降低对移动终端天线增益的要求，这使得地面终端天线趋于 小型化、便携化，因此在海事卫星终端设备中，微带结构的天线层出不穷。文献 1 8 】 提供了一种应用于i n m a r s a t - f 3 3 系统的微带天线结构，如图1 1 所示。采用不同 形状的辐射贴片叠层结构组成单元天线，通过切角和结构调整实现圆极化，利用 连续旋转天线阵技术进一步提高天线增益，改善圆极化性能，在整个海事卫星通 信频带内，驻波比小于1 3 ，轴比小于2 d b ，增益高于1 3 d b i 。 (a)单元天线(”天线阵 图1 1 不同形状的单元组合的微带天线阵 f i g 1 1s t a c k e dm i c r o s t r i pa n t e n n aw i t hd i f f e r e n ts h a p e da n t e n n ad e m e n t 4 海事卫星通信系统终端天线的研究 文献0 9 1 研究了用于i n m a r s a t 地面移动终端天线阵单元的设计，如图1 2 所 示。该设计采用探针单馈电实现圆极化：在海事卫星通信频段内，该单元天线增 益达至u 7 d b ，轴比在6 d b 以下；然后通过相控阵技术组成天线阵，使得天线扫描俯 仰角为3 0 。- - 9 0 。，水平方位角达3 6 0 。，天线增益达到1 4 d b 。文献【2 0 】描述了另一 种采用相控阵技术设计的半球状天线，如图1 3 所示。它由分布在半球面上的8 个叠 层辐射单元组成，通过单个辐射元之间的转换并配合有源器件的工作来实现半球 面的覆盖，该天线适合于l 波段的卫星终端通信，在船舶、机车的应用最为典型。 随后作者又设计了球状的天线，见文献【2 1 】，如图1 4 所示。该天线由分布在球面上 的2 6 个叠层辐射单元组成，它能够实现很好的半球面覆盖，并且在低水平仰角上 的增益始终保持稳定，该天线适合用于l 波段的i n m a r s a t 或者1 h 啪y a 卫星通信。 (a)辐射单元(1)圆形天线阵 图1 2 用于i n m a r s a t 地面移动终端的相控阵天线 f i g 1 - 2ap h a s e da r r a ya n t e n n as y s t e mf o ri n m a r s a t m o b i l eg r o u n dt e r m i n a l 图1 3 半球状海事相控阵天线 f i g 1 3h e m i s p h e r i cm a r i t i m ep h a s e da r r a y 图1 4 球状海事相控阵天线 f i g1 4s p h e r i c a lm a r i t i m ep h a s e da r r a y 第1 章绪论 采用低介电常数的泡沫材料或者空气作为微带天线的填充介质已经成为天线 设计领域的热门。一方面，使用低介电常数的基板可以展宽微带天线的带宽，另 一方面，与微波材料相比，采用泡沫材料能够减小基板的介质损耗，而且还能显 著的降低天线制作的成本。 文献【2 2 】提供了一种采用泡沫材料作为介质基板并应用于l 波段卫星移动通信 的宽带圆极化微带天线，如图1 5 所示。该天线利用外加的定向耦合器产生两路幅 度相等相位相差9 0 。的信号，通过缝隙耦合双馈电实现圆极化辐射，在圆形贴片 周围增加一圈寄生贴片以进一步改善天线圆极化性能。文献【2 3 】提供了应用于l 波 段和s 波段的双频圆极化叠层共形天线，如图1 6 所示。该天线采用微波介质板和泡 沫材料的复合结构，共有6 层，天线的核心部分是顶层和底层的7 m m 厚的泡沫板， 其他四层都有印刷电路，一般情况下，印刷电路都是印制在平面结构上，但是从 图1 6 中可以看出天线采用椭圆形的轮廓和边缘，这是为了减小两个频段间的干扰， 该天线采用了共形结构，能够广泛的应用于航天器通信。 r f i r 哐x i t 图1 5 轻重量的平面天线单元图1 6 轻重量共形结构多频段天线 f i g 1 5al i g h t w e i g h tp l a n a ra n t e n n ae l e m e n tf i g 1 6l i g h t w e i g h tc o n f o r m a ld u a lb a n da n t e n n a 根据不同船舶的通信需求，f l e e tb r o a d b a n d 系统分为三种业务【6 j ：f b l 5 0 业务 的传输速率1 5 0 k b p s ( 标准i p ) ，天线直径约2 9 0 m m ；f b 2 5 0 业务要求终端天线的g t 值不得小于1 5 5 d b k ，根据其传输速率2 8 4 k b p s ( 标准m ) 和1 2 8 k b p s ( 流媒体i p ) 要求， 则终端天线增益不得小于1 0 d b i ，此外辐射方向图主瓣宽度不得大于3 0 。，天线直 径不超过3 2 0 m m ；f b 5 0 0 业务要求终端天线的g t 值不得小于7 d b k ，根据其传输 速率4 3 2 k b p s ( 标准i p ) 和2 5 6 k b p s ( 流媒体l p ) 要求，则终端天线增益不得小于1 7 5d b i ， 此外辐射方向图主瓣宽度不得大于l l 。，天线直径不超过6 0 0 m m 。b g a n 系统中 6 海事卫星通信系统终端天线的研究 c l a s s 1 要求终端天线g t 值大于1 0 5 d b k ，则终端天线增益不得小于1 4 d b i ；c l a s s 2 要求终端天线g f r 值大于1 3 5 d b k ，则终端天线增益不得小于ll d b i 6 1 。 通过查阅大量的文献资料，发现对f l e e tb r o a d b a n d 终端天线的研究很少，并且 现有的海事卫星终端天线都无法满足f l e e tb r o a d b a n d 的通信需求，通过对文献资料 的总结，采用相控阵技术的海事卫星天线比较复杂，成本很高，使用传统的微波 材料制作的天线体积大，质量重，无法满足终端天线便携性的要求，而一般微带 天线的增益又无法满足海事卫星通信需求，因此，需要选择一些提高天线增益的 方法，比如天线阵技术。 1 3 论文的研究内容和结构安排 第四代海事卫星通信系统的用户链路使用的工作频段为l 波段，终端天线发射 和接收右旋圆极化波，鉴于海事卫星系统在众多方面所表现出的优异性能，本文 结合微带天线圆极化技术，围绕f l e e tb r o a d b a n d 系统的终端天线设计展开研究，介 绍了微带天线的工作原理、圆极化宽频带技术、馈电网络以及电磁仿真分析法， 并在这些理论研究的基础上设计了两款应用于f l e e tb r o a d b a n d 系统下f b 2 5 0 和 f b l 5 0 业务的终端天线，其中一款也同时能够适合b g a n 系统使用。论文的具体结 构安排如下： 第一章作为绪论，介绍了海事卫星通信系统的发展现状，并对圆极化微带天 线在海事卫星终端设备中的应用背景和意义以及国内外研究现状和方法进行了概 述，然后提出了本文所做的主要工作和内容安排。 第二章介绍了微带天线的工作原理、分析方法和特性参数，并介绍了微带天 线实现圆极化的基本技术、提高频带宽度的方法以及馈电网络。 第三章则通过对单馈电圆极化微带天线的分析和研究，提出了一种适用于 f l e e tb r o a d b a n d 系统下f b 2 5 0 业务的终端天线，并介绍了本论文所使用的电磁仿真 软件。单元天线采用单馈电缝隙耦合技术，利用连续旋转馈电技术组成天线阵， 并通过串联馈电网络给各单元天线提供所需的激励幅度和相位，最后对天线阵进 行了仿真、分析、制作和测试，同时该天线阵也能够应用于b g a n 系统。 第四章则通过对多馈电圆极化微带天线的分析和研究，提出了一种适用于 f l e e tb r o a d b a n d 系统下f b l 5 0 业务的终端天线，天线综合采用了不等功率四馈电和 7 第1 章绪论 微带叠层切角技术，通过叠层方式展宽天线的阻抗带宽，采用不等功率四馈电技 术展宽天线的圆极化带宽，同时设计了一种不等功率馈电网络，最后对馈电网络 和天线进行了仿真、分析、制作和测试。 第五章作为结束语，对本论文的研究工作做了总结，并对后续工作进行了展 望。 8 海事卫星通信系统终端天线的研究 第2 章微带天线基本理论 2 1 微带天线概述 微带天线是由印制在微波介质板上的导体贴片和导体接地板构成，最简单、 应用最广泛的是矩形微带天线，如图2 1 所示。辐射贴片尺寸为l x l 矿, 介质基板 厚度为h 伪 如，, t o 为自由空间波长) ，相对介电常数为易。由于介质基板厚度远 小于波长，因此可以把矩形微带天线看成一个二维平面结构来分析【1 2 1 3 1 。对于最 基本的t m i o 模式，贴片长度应该略小于2 2 ，其中a 是介质中的波长，这里2 = 彬乞，岛是等效介电常数。 l ：了 爹学7 “”。鼍 g i j w i j：一争一 土 ：卜叫 l hx 4 “r m 一 ，一飘 l k 卜一 乓 埯 易 l 孓 图2 1 矩形微带天线 f i g 2 1r e a a n g u l a rm i c r o s t f i pa n t e n n a 微带天线t m i o 模式下的辐射可以用图2 2 所示的简单情况来说明。图2 2 ( a ) 给出了贴片与接地板问的电场分布，由于贴片边缘的辐射场不仅仅局限于介质基 板，同样也存在于空气当中，因此岛小于岛。t m l o 模式意味着电场沿着长度方 向改变半个介质波长，而在贴片宽边没有变化。电压y 沿着贴片边缘的变化以及 电流，沿着贴片长度的变化如图2 2 ( b ) 所示。从图中看出，沿着贴片宽边的电压v 最大而电流，最小，辐射贴片可以看成是长为厶宽为缈的一段终端丌路的微带 传输线，在开路端将形成电压波幅，因此辐射主要由开路端的边缘场产生。从图 2 2 ( a ) 看出，在宽边两端的电场相对于地板可以分解为垂直分量和水平分量，由于 9 第2 章微带天线基本理论 电场e 的垂直分量的方向相反，由两个垂直分量产生的远场区在正面方向上相互 抵消，而水平分量的方向相同，两者相互叠加，合成场强增加，从而使垂直于贴 片方向上的辐射最强。因此贴片可表示为相距2 2 、同相激励并向地板以上空间辐 射的两个缝隙，如图2 2 ( c ) 所示。由于电场沿着宽边具有一致性，长边的电场呈正 弦变化，因此矩形微带天线工作在t m l o 模式时可以等效为一条传输线，如图2 2 ( d