基于XFdtd的移動設備/終端裝置Ku波段衛星天綫陣列分析

導論

在這個案例中，原本設計用於X波段工作的衛星天綫通過XFdtd軟件進行了改進，以縮小整體尺寸，使其能够適配移動設備。這是通過將其工作頻率調整至Ku波段12.5 GHz實現的。該天綫由一個4×4陣列單元組成，每個單元包含四個旋轉貼片元件。這四個貼片元件分別施加0度、90度、180度和270度的相位調整饋電，以産生圓極化場。該陣列能産生增益超過20.7 dBi的主波束，並可在±60度的寬視場範圍內進行波束轉向。本研究通過該配置下的陣列性能分析，評估了此類應用的可行性。

裝備設計

單體單元

該天綫陣列由64個小型貼片天綫組成。如圖1所示，每個貼片天綫由一個方形激勵單元和一個較小的矩形耦合諧振單元構成。激勵單元與耦合單元上均設有短路引脚，以提升天綫帶寬。銅質貼片置於厚度1.8毫米、介電常數爲4的基板上，其中方形貼片尺寸爲5.66毫米，耦合貼片尺寸爲2.15×5.09毫米，兩者間距1.2毫米。

如圖2的回波損耗(Return Loss)曲綫所示，單個單元的工作頻帶較寬（約11.795~14.492 GHz）。圖3顯示，該貼片天綫在12.5 GHz頻點處産生近似半球的增益方向圖，峰值增益達5.7 dBi。


圖1：雙貼片單天綫單元輻射器的CAD示意圖，包含一個方形饋電貼片和一個較小的耦合貼片。


圖2：該貼片天綫的回波損耗曲綫顯示其在11.8至14.5 GHz頻段內具有良好的工作性能。

圖3：該貼片天綫的增益方向圖在基板上方呈現均勻輻射特性，其峰值增益達到5.7 dBi。

 

陣列天綫單元設計

如圖4所示，該大型陣列的每個4×4單元由四個單天綫單元組成，這些天綫單元以中心點爲基準依次旋轉90度排列，單元間距爲0.448毫米。在此配置下，如圖5所示，天綫的工作頻帶約爲11.35至14.7 GHz，且各單元的回波損耗曲綫完全一致。所有單元均采用12.5GHz正弦波饋電，相鄰單元間存在90度相位差（沿逆時針方向遞增），從而産生左旋圓極化增益方向圖。圖6顯示該陣列形成了對稱輻射方向圖，其峰值增益達到9.5 dBi。


圖4：陣列單元由四個貼片天綫按方形排布構成，各貼片間呈90度旋轉對稱布局。


圖5：陣列單元的回波損耗測試結果顯示，其在11.3~14.7GHz頻段內具有優良的阻抗匹配特性。

圖6：該陣列單元采用四貼片饋電結構，各貼片按方形布局依次遞增90度相位偏移，最終形成左旋圓極化輻射方向圖，其峰值增益達9.5dBi。

 

完整陣列結構

如圖7所示，該完整陣列采用4×4排布方式，單元間距爲5.376毫米。爲降低邊緣效應對性能的影響，初始模擬采用較大的基板與接地平面結構。由於接地平面尺寸有限，單元回波損耗出現邊緣效應，其中靠近陣列邊緣的單元表現尤爲明顯。

圖8展示了中心區域某單元的四個貼片回波損耗曲綫，可見存在一定波動，且在12.5GHz設計頻點以上出現高於-10dB的抬升。圖9顯示位於陣列邊角（臨近基板平面邊緣）的單元四貼片間存在更顯著差异，但在12.5GHz頻點仍保持可接受性能。

該陣列可産生增益近22dBi的强定向波束，其3dB波束寬度爲15度，副瓣電平至少低於主瓣12dB。

圖7：CAD示意圖顯示4×4陣列單元在大型接地平面上的排布構型


圖8：個別中心陣列天綫單元的回波損耗模擬結果顯示，四個貼片天綫具有高度一致的阻抗特性，僅因相鄰單元及接地平面邊緣效應産生輕微變化。

圖9：陣列邊緣的天綫單元的回波損耗曲綫受接地平面邊緣效應影響呈現較大波動，但在12.5GHz設計頻點仍保持良好的工作性能。

 

移動設備集成陣列

爲實現本案例的應用目標，該陣列被集成在類移動設備平臺上進行性能評估。典型手機尺寸（76.5×76.5mm）小於陣列總尺寸，故將設備寬度設定爲79.5mm（如圖11所示），以確保足够的陣列安裝空間及貼片與設備邊緣的最小間距。如全陣列模擬結果所示，接地平面邊緣效應將影響設備性能：陣列中心單元受影響較小（圖12所示各貼片回波損耗僅輕微波動），而邊角單元則出現顯著變化（圖13可見明顯波動）。所有單元在12.5GHz設計頻點的回波損耗均優於-10dB，故實際性能不受影響。

如圖14所示，相較於大型接地平面上的全陣列，移動設備配置下的陣列輻射方向圖基本保持一致，僅增益略微降低至約20.8dBi。對比分析顯示，移動平臺上的副瓣不僅位置偏移且普遍增大。圖15、圖16分別展示了沿設備長度方向與寬度方向的增益極坐標圖。儘管設備邊緣會降低陣列性能，但在目標頻段內仍保持足够增益、較低副瓣及良好的回波損耗特性。

圖10：該4×4陣列可産生增益達21.9 dBi 的主波束。


圖11：4×4陣列在移動設備上的集成示意圖，可見手機邊框與陣列寬度方向的安裝間距極爲有限。


圖12：陣列中心單元的回波損耗雖受相鄰單元及手機邊框影響，但在12.5GHz設計頻點仍保持良好性能


圖13：陣列邊緣單元受手機邊框邊緣效應影響顯著，但在12.5GHz設計頻點仍維持良好工作性能。


圖14：陣列在手機平臺與大型接地平面上的增益圖具有高度相似性，但增益值及副瓣特性存在一定差异。


圖15：極坐標增益方向圖對比顯示（大型接地平面 vs 移動設備配置），陣列在手機長軸切面上的副瓣電平及位置存在明顯變化，且主瓣增益出現輕微下降。

圖16：極坐標增益方向圖對比（大型接地平面配置 vs 移動設備配置）顯示，陣列在手機短軸切面上的副瓣電平與波瓣位置存在顯著變化，同時主瓣增益出現約0.8dB的下降（如圖示刻度對比）。

陣列波束調控

該陣列可通過調節單元間相位差實現波束轉向。如圖17所示，通過沿設備長邊方向逐行增加90度相位偏移，成功生成最大增益方向偏離垂直方向16度的波束。此方法可延伸應用：不同相位配置能産生多種指向波束。

圖18展示了垂直方向下傾0至60度（5度步進）與方位角±60度範圍（15度步進）的"最大保持"方向圖。測試結果表明：該陣列在±60度掃描範圍內仍能保持近19dBi的增益，具備優異的空間覆蓋能力。


圖17：展示了與垂直方向成16度偏轉的波束方向圖，該波束通過沿手機長邊方向對陣列各行施加90度遞變相位差生成。

圖18：手機陣列生成的波束最大保持方向圖，展示垂直方向±60度（5度步進）與方位角方向±60度（15度步進）的性能。該方向圖實現半球覆蓋，所有波束均保持高增益特性。

 

總結

本案例通過將Ku波段衛星天綫陣列集成於移動設備的方案驗證，分析了其在小型化平臺下的工作性能。測試結果表明：儘管平臺尺寸限制導致部分性能損耗，該陣列在12.5GHz設計頻點仍可實現高增益（峰值20.8dBi）與寬域覆蓋（±60°波束掃描）的核心技術指標。

 

Reference:

C. Karlsson, P. Cavero, T. Tekin and D. Pouhè, "A new broadband antenna for satellite communications," 2014 IEEE-APS Topical Conference on Antennas and Propagation in Wireless Communications (APWC), 2014, pp. 800-803, doi: 10.1109/APWC.2014.6905588.