終端衛星通信導航天線設計

概述

本文將首先介紹衛星通信/導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星天線設計。

研究背景

終端衛星通信技術，是指是指衛星地面終端之間直接通過衛星上的交換設備進行通信，無須經過地面信關站進行中轉的通信模式[1]。衛星通信具有傳輸速率快、覆蓋廣、可以承載多種通信業務等特點，在軍民應用中具有不可替代的特點。衛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計出適用于不同應用場景的衛星通信天線。

近年來，無線通信設備蓬勃發展，搭載多種無線通信功能的手機、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其在連接性、穩定性和數據速率方面的性能[2]。例如，搭載了衛星通信功能的HUAWEI Mate 60系列手機，和使得隨時隨地都能接入衛星信號的Starlink衛通套件都需要相對應的天線以實現衛星通信的功能。由于人們對于設備便攜性的需求，無線通信設備的尺寸都在不斷減小，同理，設備所需天線的尺寸也在變小。同時，由于衛星導航技術和衛星通話技術的頻段大多集中于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備如智能手機、智能手表的需求。

此外，在從衛星到地面終端的傳輸過程中，電磁波會經歷電離層帶來的極化旋轉。如果收發天線都采用線極化，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，在衛星通信/導航場景中，天線的極化方式通常為圓極化。

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

如果要實現高質量的衛星通話技術，則需要觀察終端天線的方向圖和軸比，使上行頻段產生的方向圖的最大輻射方向與下行頻段產生的方向圖的最大輻射方向差異較小， 上行頻段產生的方向圖和下行頻段產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，以實現衛星通話時的收發的良好質量。

研究現狀

對于終端衛星通信天線，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注較少。近年來，終端天線的設計會考慮方向圖的指向和天線的波束寬度。下面介紹一些相關的工作：

2014年，中山大學的龍云亮團隊設計了一款針對衛星導航的終端天線[3]，該天線通過分支線和短路寄生條產生四個諧振頻率，覆蓋多個無線通信系統，并在GNSS頻段實現約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，臺灣科技大學的Wen-Jiao Liao團隊提出了一款適用于手機的緊湊型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，深圳大學的張曉團隊提出一款利用耦合產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。

采用耦合產生兩個正交圓極化模式的終端GNSS天線

2023年，清華大學張志軍團隊提出一種用于終端的衛星通信天線[6]，天線集成在終端母版上，該天線采用矩形環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。矩形環形天線的折疊偶極子模式和環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，很適合于衛星通信應用。

利用電容耦合饋電的衛星通信終端天線

審核編輯：湯梓紅