終端衛(wèi)星通信導(dǎo)航天線設(shè)計

概述

本文將首先介紹衛(wèi)星通信/導(dǎo)航天線的研究背景與研究意義，然后介紹了部分面向終端的衛(wèi)星天線設(shè)計。

研究背景

終端衛(wèi)星通信技術(shù)，是指是指衛(wèi)星地面終端之間直接通過衛(wèi)星上的交換設(shè)備進(jìn)行通信，無須經(jīng)過地面信關(guān)站進(jìn)行中轉(zhuǎn)的通信模式[1]。衛(wèi)星通信具有傳輸速率快、覆蓋廣、可以承載多種通信業(yè)務(wù)等特點，在軍民應(yīng)用中具有不可替代的特點。衛(wèi)星通信在軍事和日常生活方面的大量需求推動了研究者不斷研究設(shè)計出適用于不同應(yīng)用場景的衛(wèi)星通信天線。

近年來，無線通信設(shè)備蓬勃發(fā)展，搭載多種無線通信功能的手機(jī)、平板和智能手表相繼問世，它們需要不同特性不同類型的天線增強(qiáng)其在連接性、穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)速率方面的性能[2]。例如，搭載了衛(wèi)星通信功能的HUAWEI Mate 60系列手機(jī)，和使得隨時隨地都能接入衛(wèi)星信號的Starlink衛(wèi)通套件都需要相對應(yīng)的天線以實現(xiàn)衛(wèi)星通信的功能。由于人們對于設(shè)備便攜性的需求，無線通信設(shè)備的尺寸都在不斷減小，同理，設(shè)備所需天線的尺寸也在變小。同時，由于衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)和衛(wèi)星通話技術(shù)的頻段大多集中于L頻段（12 GHz）和S頻段（24 GHz），這些頻段波長較長，從而在這些頻段工作的天線尺寸會比較大，不滿足常見無線通信設(shè)備如智能手機(jī)、智能手表的需求。

此外，在從衛(wèi)星到地面終端的傳輸過程中，電磁波會經(jīng)歷電離層帶來的極化旋轉(zhuǎn)。如果收發(fā)天線都采用線極化，那么收端天線和接收到的電磁波之間，將無法避免極化失配，造成鏈路損失甚至中斷。因而，在衛(wèi)星通信/導(dǎo)航場景中，天線的極化方式通常為圓極化。

一種衛(wèi)星通信應(yīng)用往往分好幾個頻段，這使得設(shè)計雙頻或多頻的衛(wèi)星通信天線成為研究熱點。

如果要實現(xiàn)高質(zhì)量的衛(wèi)星通話技術(shù)，則需要觀察終端天線的方向圖和軸比，使上行頻段產(chǎn)生的方向圖的最大輻射方向與下行頻段產(chǎn)生的方向圖的最大輻射方向差異較小， 上行頻段產(chǎn)生的方向圖和下行頻段產(chǎn)生的方向圖的重疊部分增加。滿足天線在上行頻段和下行頻段的角度對齊的需求，以實現(xiàn)衛(wèi)星通話時的收發(fā)的良好質(zhì)量。

研究現(xiàn)狀

對于終端衛(wèi)星通信天線，前幾年，通常不考慮手持對于終端天線的影響，對于天線的方向圖的形狀關(guān)注較少。近年來，終端天線的設(shè)計會考慮方向圖的指向和天線的波束寬度。下面介紹一些相關(guān)的工作：

2014年，中山大學(xué)的龍云亮團(tuán)隊設(shè)計了一款針對衛(wèi)星導(dǎo)航的終端天線[3]，該天線通過分支線和短路寄生條產(chǎn)生四個諧振頻率，覆蓋多個無線通信系統(tǒng)，并在GNSS頻段實現(xiàn)約90 MHz的圓極化帶寬。

采用分支線覆蓋多個通信頻段的終端天線^*

2014年，臺灣科技大學(xué)的Wen-Jiao Liao團(tuán)隊提出了一款適用于手機(jī)的緊湊型GPS天線[4]，該天線采用寄生耦合饋電，形成了一個并聯(lián)的LC諧振器。該天線具有外形小巧、制造成本低的特點，同時天線性能對母版尺寸不敏感，適合集成。

用于GPS接收的圓極化的終端天線

2022年，深圳大學(xué)的張曉團(tuán)隊提出一款利用耦合產(chǎn)生兩個正交圓極化模式的手表GNSS天線[5]。如下圖所示，饋電一端的單極子，可以耦合到正交放置的另一段的單極子上，兩個單極子位置正交，存在90°相位差，從而可以產(chǎn)生圓極化輻射。同時，這款天線考慮了人手臂對于天線方向圖的影響（見下圖），并在人手情況下保持了天線朝天頂方向輻射，交叉極化較小的良好性能。

采用耦合產(chǎn)生兩個正交圓極化模式的終端GNSS天線

2023年，清華大學(xué)張志軍團(tuán)隊提出一種用于終端的衛(wèi)星通信天線[6]，天線集成在終端母版上，該天線采用矩形環(huán)作為基本的天線形式，垂直尺寸得到壓縮，適合集成到移動終端的塑料邊框中。矩形環(huán)形天線的折疊偶極子模式和環(huán)模式提供正交輻射分量，同時引入L形短截線，通過電容耦合激勵兩種模式，獲得較低的軸比。這款天線的地板電流不大，對于手持情況不敏感，對于地板尺寸不敏感，同時天線增益較高，端射方向圖波束寬度較寬，很適合于衛(wèi)星通信應(yīng)用。

利用電容耦合饋電的衛(wèi)星通信終端天線

審核編輯：湯梓紅