终端卫星通信导航天线设计

概述

本文将首先介绍卫星通信/导航天线的研究背景与研究意义，然后介绍了部分面向终端的卫星天线设计。

研究背景

终端卫星通信技术，是指是指卫星地面终端之间直接通过卫星上的交换设备进行通信，无须经过地面信关站进行中转的通信模式[1]。卫星通信具有传输速率快、覆盖广、可以承载多种通信业务等特点，在军民应用中具有不可替代的特点。卫星通信在军事和日常生活方面的大量需求推动了研究者不断研究设计出适用于不同应用场景的卫星通信天线。

近年来，无线通信设备蓬勃发展，搭载多种无线通信功能的手机、平板和智能手表相继问世，它们需要不同特性不同类型的天线增强其在连接性、稳定性和数据速率方面的性能[2]。例如，搭载了卫星通信功能的HUAWEI Mate 60系列手机，和使得随时随地都能接入卫星信号的Starlink卫通套件都需要相对应的天线以实现卫星通信的功能。由于人们对于设备便携性的需求，无线通信设备的尺寸都在不断减小，同理，设备所需天线的尺寸也在变小。同时，由于卫星导航技术和卫星通话技术的频段大多集中于L频段（12 GHz）和S频段（24 GHz），这些频段波长较长，从而在这些频段工作的天线尺寸会比较大，不满足常见无线通信设备如智能手机、智能手表的需求。

此外，在从卫星到地面终端的传输过程中，电磁波会经历电离层带来的极化旋转。如果收发天线都采用线极化，那么收端天线和接收到的电磁波之间，将无法避免极化失配，造成链路损失甚至中断。因而，在卫星通信/导航场景中，天线的极化方式通常为圆极化。

一种卫星通信应用往往分好几个频段，这使得设计双频或多频的卫星通信天线成为研究热点。

如果要实现高质量的卫星通话技术，则需要观察终端天线的方向图和轴比，使上行频段产生的方向图的最大辐射方向与下行频段产生的方向图的最大辐射方向差异较小， 上行频段产生的方向图和下行频段产生的方向图的重叠部分增加。满足天线在上行频段和下行频段的角度对齐的需求，以实现卫星通话时的收发的良好质量。

研究现状

对于终端卫星通信天线，前几年，通常不考虑手持对于终端天线的影响，对于天线的方向图的形状关注较少。近年来，终端天线的设计会考虑方向图的指向和天线的波束宽度。下面介绍一些相关的工作：

2014年，中山大学的龙云亮团队设计了一款针对卫星导航的终端天线[3]，该天线通过分支线和短路寄生条产生四个谐振频率，覆盖多个无线通信系统，并在GNSS频段实现约90 MHz的圆极化带宽。

采用分支线覆盖多个通信频段的终端天线^*

2014年，台湾科技大学的Wen-Jiao Liao团队提出了一款适用于手机的紧凑型GPS天线[4]，该天线采用寄生耦合馈电，形成了一个并联的LC谐振器。该天线具有外形小巧、制造成本低的特点，同时天线性能对母版尺寸不敏感，适合集成。

用于GPS接收的圆极化的终端天线

2022年，深圳大学的张晓团队提出一款利用耦合产生两个正交圆极化模式的手表GNSS天线[5]。如下图所示，馈电一端的单极子，可以耦合到正交放置的另一段的单极子上，两个单极子位置正交，存在90°相位差，从而可以产生圆极化辐射。同时，这款天线考虑了人手臂对于天线方向图的影响（见下图），并在人手情况下保持了天线朝天顶方向辐射，交叉极化较小的良好性能。

采用耦合产生两个正交圆极化模式的终端GNSS天线

2023年，清华大学张志军团队提出一种用于终端的卫星通信天线[6]，天线集成在终端母版上，该天线采用矩形环作为基本的天线形式，垂直尺寸得到压缩，适合集成到移动终端的塑料边框中。矩形环形天线的折叠偶极子模式和环模式提供正交辐射分量，同时引入L形短截线，通过电容耦合激励两种模式，获得较低的轴比。这款天线的地板电流不大，对于手持情况不敏感，对于地板尺寸不敏感，同时天线增益较高，端射方向图波束宽度较宽，很适合于卫星通信应用。

利用电容耦合馈电的卫星通信终端天线

审核编辑：汤梓红