低轨卫星系统QV频段多波束天线设计

论文总字数：30157字

摘 要

近年来，卫星通信中对高吞吐量通信有效载荷的要求越来越高。现代通信卫星使用多波束天线，在视界上提供上行与下行覆盖，为高数据率的个人通信与直接语言广播或者移动通信应用提供支持。由于无源网络馈入的多波束天线阵列具有结构简单、制作容易、损耗小、能覆盖多个方向的辐射波束等特点，因此多波束天线阵列将是一种非常有吸引力的毫米波卫星通信系统中用于用户链路的星上天线解决方案。

天线单元的性能对多波束天线的性能有着重大的影响，选择适合组阵的天线单元有着非常重要的意义。在工作频段内，天线单元需要有良好的回波损耗性能以及轴比性能，并且要满足一定的增益。在充分调研了关于低剖面端射天线的设计与研究后，本文将文献中的两种低剖面端射圆极化天线复用到所需频段，对它们的性能进行了仿真，并选择了其中的一种作为天线的单元。

最后，基于以上分析，本文利用电磁仿真软件HFSS设计并优化了一种基于SIW的低轨卫星通信系统Q频段天线阵列及其馈电网络。此天线阵列由32个辐射单元组成，极化方式为圆极化，工作在44-45GHz频段，增益达到了23dBic，有着较好的回波损耗与轴比性能。利用多个单波束阵列，采用机械旋转的方式，可以实现多波束天线阵列。

关键词：卫星通信，基片集成波导技术，多波束天线阵列，馈电网络

ABSTRACT

Today there is an increasing request for high-throughput communication payloads in satellite communications. Modern communication satellites use multiple beam antennas providing downlink and uplink coverage over a field of view (FoV), where high data rate personal communication and direct linguistic broadcast or mobile communication applications can be supported. Multi-beam antenna array fed by passive feeding networks at mmWave band would be an attractive solution for user links in millimeter-wave satellite communication system, due to their great characteristics including simple structure, easy fabrication, low loss, and the ability to cover a wide area with a number of high-directivity radiation beams.

The performance of antenna elements has a significant impact on the performance of multi-beam antenna arrays, so it is very important to select suitable antenna elements for array. In the working frequency band, antenna elements need to have good return loss performance and axial ratio performance, and to meet certain gain. After fully investigating the design and research of low profile end-fire antenna, two low profile end-fire circularly polarized antennas in the literature are applied to the required frequency band in this paper. Their performances are simulated and one of them is chosen as the antenna element.

Finally, based on the above analysis, a Q-band antenna array and its feeding network of LEO satellite communication system based on SIW are designed and optimized by using electromagnetic simulation software HFSS. The antenna array is formed of 32 elements. The polarization mode is circular polarization. It operates in the 44-45 GHz band and achieves a gain of 23 dBic. It has a good performance of return loss and axial ratio. The design of multi-beam antenna can be accomplished by using multiple single-beam arrays and mechanical rotation.

KEYWORDS: satellite communication, SIW technology, multi-beam antenna array, feeding network

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 本文主要工作 4

第二章 基片集成波导 5

2.1 SIW的结构与优势 5

2.1.1 SIW的结构 5

2.1.2 SIW的优势 5

2.2 SIW的分析方法 6

2.2.1 等效模型法 6

2.2.2 商业电磁仿真软件 7

2.3 基片集成波导转接结构 7

2.3.1 基片集成波导与微带线的转接 7

2.3.2 基片集成波导与矩形波导的转接 8

2.4 SIW功率分配器的研究 9

2.4.1 T型结功率分配器 9

2.4.2 T型SIW功率分配器 11

2.4.3 Y型SIW功率分配器 12

2.4.4 SIW直角转换器 13

2.4.5 多路SIW功分器 14

第三章 天线基础理论 16

3.1 天线的电参数 16

3.1.1 天线方向性 16

3.1.2 天线效率与增益系数 16

3.1.3 天线的极化特性 17

3.1.4 天线的反射系数 18

3.2 端射天线 19

3.2.1 平面螺旋端射天线 19

3.2.2 基于基片集成波导的LTSA端射天线 21

3.3 天线阵列原理 25

3.3.1 边射式直线阵 26

3.3.2 均匀直线阵间距选择 26

3.4 多波束天线波束覆盖 27

3.4.1 卫星链路预算 27

3.4.2 多波束天线覆盖方案 28

第四章 Q频段星载多波束天线阵列设计 30

4.1 天线单元设计 30

4.2 阵列设计 33

4.3 天线整版设计 36

4.4 多波束形成 38

第五章 总结与展望 40

5.1 本文工作总结 40

5.2 研究展望 40

参考文献 42

致 谢 44

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