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增益往往意味着天线的大尺寸和复杂的结构,但在现代小卫星上由于空间的限制,很
难达到理想的高增益,因此,在天线设计过程中需要对增益的需求和空间的满足做出
一个权衡。
2.2几种主要天线介绍
1)测控天线
卫星入轨初期,由于刚从火箭分离,星体的姿态没有达到稳定,为了能在地面有效的捕
捉到卫星,对于测控天线的选择必须是全向宽波束的天线,通常来说会有多个测控天
小卫星天线研究的重要一方面。
1.2天线的发展和现状
1887年,德国物理学家赫兹发现了电磁波通过空气传播,验证了麦克斯韦的电磁
理论,从而搭建了第一个天线系统,但他的研究仍旧停留在实验室阶段,之后意大利研
究者马可尼在赫兹的天线系统基础上添加了调谐电路,成功实现了天线在长距离越洋
通信中的应用,开发了商用无线电,开创了天线应用的新时代。自从天线发明以后,人
目录...................................................................................................II
一 绪论.................................................................................................1
线安装在卫星的不同表面,以此更好地达到方向图的全向覆盖,解决卫星姿态不稳定
时的指令传输。偶极子天线,PIFA,螺旋天线以及微带贴片天线等均可应用于测控线,
工作在卫星通讯的各个波段,这些天线具有成本低,结构简单,易于制造的特点,良好
的波束宽度使得天线工作时对卫星姿态的要求不高。
2)数传天线
卫星在轨道上正常工作后,大量有效载荷数据需要高速传回地面,这就要求数传天线
类长距离通信的愿望得以实现,天线成为了无线电系统中不可或缺的一部分,广泛应
用于电子通信、雷达、电视、导航、遥感等系统。天线的功能主要是福射和接收电磁
波,其实质是一个能量转换器,它需要将传输线上的高频电流或导行波转换为无界媒
介中的电磁波,或完成相反的转换。
现代天线发展至今已形成一个庞大的天线家族,不同的种类应用不同的领域。按
高介电常数的介质加载,尺寸大大地缩小,利用微带线在该频率实现的移相网络相对
于本天线尺寸过于庞大,同时也出于结构复杂的考虑,因此,本课题主要研究自相移来
实现正交馈电。
本天线利用同轴线进行馈电,同轴的内外导体已实现180度的相差,因此,按照上
小节所述的结构,每对双臂螺旋天线已达到反相馈电,因此,只要达到两对双臂螺旋天
或缺的一部分,对卫星系统性能的影响至关重要,而且往往占据着相当大的体积,
随着微小卫星小型化、微型化的发展,也对应用于微小卫星的天线提出了小型化
需求。
四臂螺旋天线具有良好的半球心形方向图,其优良的宽波束和圆极化特性被
广泛应用于卫星通讯。本文综述了微小卫星天线的一般要求,分析了四臂螺旋天
线的结构和工作原理,并针对微小卫星的应用,解决了四臂螺旋天线小型化问题,
专业方向论文
题目：微小卫星全向天线设计
系部电子信息工程
专业电子信息工程班
学号
姓名
2015年6月24日
微小卫星全向天线设计
摘要
微小卫星是当今航天领域的研究热点,其因具有体积小,研发周期短,研发的
成本低等优点而受到各航天强国的普遍重视,现已越来越广泛地应用于通信、对
地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验等。天线系统是卫星通信模块中不可
2.2几种主要天线介绍.....................................................................3
三介质加载的四臂螺旋天线设计.....................................................3
3.1天线设计..........................................................................................3
微小卫星的研制逐渐成为世界航空领域的热点。
天线系统是卫星系统组成中重要的一部分,它主要实现卫星与地面的相互通信,
以及地面对卫星的遥控和遥测指令的发送,因此,天线系统的稳定性和可靠性决定了
卫星是否能成功执行预定任务,卫星天线的设计也成为了至关重要的一个环节,同时,
微小卫星微型化的关键是各种设备、器件的微型化,因此通信天线的小型化也成为微
3.1.1天线结构................................................................................4
3.1.2天线馈电................................................................................5
的电长度,通过控制开槽的尺寸来控制电长度改变的大小。
开槽的位置一般选在圆柱天线的顶部,因为四臂螺旋天线的电流分布为螺旋臂两
头最大,中间最小,因此,对电流最大处进行改变效果最好,同时也利于操作。其中开槽
的尺寸与电长度的改变主要满足以下关系:沿顶面径向方向,槽的长度增加和天线臂
电感的增加呈线性关系,重直于後向方向,槽的宽度变化与电感变化呈非线性关系。开
照天线作为频率函数的性能,可以将其分为以下四类:(1)电小天线:天线的结构尺寸
远远小一个波长。性质:低方向性,低输入电阻,高输入电抗,低福射效率。(2)谐振天
线:天线工作在一个频率或选定的频带上。性质:增益低到中等,输入阻抗为实数,频带
较窄。(3)宽带天线:在很大的频率范围内,天线的各项参数保持稳定且合格。性质:
和速度,其中的瞬态求解器采用有限积分法作为核心算法,可以通过一次计算就得到
3.2.2介质加载四臂螺旋天线仿真................................................7
四总结与展望....................................................................................10
参考文献..............................................................................................11
一 绪论
1.1研究背景和意义
人造卫星是迄今为止世界上发射数量最多、应用最广、发展最为迅速的航天器。
世界上第一颗人造卫星由前苏联在1957年10月4日发射上天,自此以后,世界各国相
槽的示意图如图3-2所示,
图3-2 开槽示意图
(二)平衡馈电
同轴线是不平衡传输线,会对天线的性能造成一定的影响,因此这里采用套筒巴
伦进行平衡馈电,其剖面示意图如图所示,同轴线经过天线轴心在天线顶部进行馈电,
同轴线外导体到底部巴伦上边沿为人/4的距离,利用人/4阻抗变换的特点,同轴线内
导体对巴伦边沿近似开路,输入阻抗无穷大,同时,同轴线顶端相对于巴伦边沿阻抗没
1.1研究背景和意义.........................................................................1
1.2天线的发展和现状.....................................................................1
为四臂螺旋天线在小卫星特别是皮卫星上得到应用打下基础。
关键词:微小卫星；四臂螺旋天线；介质加载；磁控溅射；激光刻蚀
摘要...................................................................................................I
2)对于安装在小卫星上的天线必须具备尺寸小、重量轻的特点,这也是现代小卫星本
身具有的小尺寸,低重量的特性决定的,尤其是像皮卫星这么小的尺寸是无法在其表
面提供更多的空间来安装大天线的。
3)天线的机械强度要能承受卫星发射时所遇到的振动和冲击而不被损坏。
4)增益是卫星天线的一个重要指标,数据的有效传输需要有一定的天线增益保证,高
3.2 天线仿真.........................................................................................7
3.2.1CST软件介绍.........................................................................7
由于四臂螺旋天线的螺旋臂是共轴旋转缠绕而成,因此我们采用圆柱形介质进行
加载,为了获得更好的电气性能和机械性能,在介质表面釆用印刷式辐射单元,其基本
结构如图3-1,主要由四部分组成,髙介电常数的陶瓷基体,圆柱侧面的螺旋辐射单元,
天线底部的套筒巴伦以及作为馈电的同轴线。陶瓷基体沿轴向开孔,同轴线通过圆柱
低到中等的增益,实输入阻抗,宽频带。(4) 口径天线:存在一个开放的物理口後来流
通电磁波。性质:高增益,增益随频率升高而增加,带宽中等。
二微小卫星天线概述
2.1微小卫星天线特点
由于工作环境是在太空,因此针对微小卫星设计天线需要考虑以下几点:
1)天线的可靠性必须髙,因为在太空环境下很难对小卫星上的天线进行更换。
VSWR: <2
波束宽度:大于120度
带宽内轴比:小于4dB
极化方式:右旋圆极化
物理尺寸:圆柱体,直径小于1厘来,髙度小于2厘米
空气加载的四臂螺旋天线要达到设计的工作频率其尺寸难以符合设计的物理尺
寸要求,因此,本课题采用高介电常数的陶瓷进行加载,不仅可以缩小天线的尺寸,同
时也提升了天线的强度。
3.1.1天线来自百度文库构
二微小卫星天线概述.........................................................................2
2.1微小卫星天线特点.....................................................................2
怎么变化,也可看成开路状态,达到平衡馈电,电流被限制在巴伦的上边沿。
3.2天线仿真
3.2.1 CST软件介绍
CST工作室套装共包含七个工作室子软件,本课题主要使用其中的CST微波工作
室。微波工作室可以完成系统级的电磁兼容和通用的高频无源器件的仿真,同时,仿真
器特有的理想边界拟合(PBA)技术和薄片技术(TST)扩展有效地提升了仿真的准确性
具有一定的增益,但同时,天线的增益不能太高1因为在微小卫星上可能不具备高精密
的姿态控制系统,如果增益过高会导致卫星在姿态出现偏差时数据得不到有效的传
输。
三介质加载的四臂螺旋天线设计
3.1天线设计
根据微小卫星的应用,拟定了介质加载四臂螺旋天线的性能指标,天线的基本指标为:
工作频率:2065MHz,带宽大于20MHz
中心在顶部对四臂进行馈电,内导体连接其中两臂,外导体连接另外两臂,底部巴伦完
成同轴线与对称双臂的平衡-非平衡转换。
/
图3-1 天线基本结构
3.1.2天线馈电
(一)正交馈电
为了使四臂螺旋天线产生圆极化的方向图,必须使四条臂的馈电依次达到90度的
相差,前文提到实现正交馈电主要有移相网络和自相移两种方式,由于本天线采用了
线的相差90度便可实现四臂正交。
根据上文的描述,自相移的原理是利用螺旋臂之间的长度差来产生相位差,因此
通常人们利用将其中一对螺旋臂进行变形来达到两个双臂螺旋长度不相等的目的,考
虑到对天线几何结构的影响和后期的加工制作,本课题釆用天线臂上开槽的方法。其
主要原理是利用天线臂上金属材料的去除来使得天线臂的电感增加,从而改变天线臂
继发射了多颗人造卫星。现代人造卫星主要应用于科学、军事、气象、通信、导航等
多个方面,对各国的国防、科技、经济方面的建设起到了重要作用。
随着人造卫星作为航天器应用越来越广,发射数量越来越多,其漫长的研发周期,
昂贵的研发成本成为了各国卫星科技发展的制约条件。20世纪80年代以来,伴随着微
纳米技术与微机电系统的曰益发展,以及轻型材料与高功率太阳能电池的研制,使得
难达到理想的高增益,因此,在天线设计过程中需要对增益的需求和空间的满足做出
一个权衡。
2.2几种主要天线介绍
1)测控天线
卫星入轨初期,由于刚从火箭分离,星体的姿态没有达到稳定,为了能在地面有效的捕
捉到卫星,对于测控天线的选择必须是全向宽波束的天线,通常来说会有多个测控天
小卫星天线研究的重要一方面。
1.2天线的发展和现状
1887年,德国物理学家赫兹发现了电磁波通过空气传播,验证了麦克斯韦的电磁
理论,从而搭建了第一个天线系统,但他的研究仍旧停留在实验室阶段,之后意大利研
究者马可尼在赫兹的天线系统基础上添加了调谐电路,成功实现了天线在长距离越洋
通信中的应用,开发了商用无线电,开创了天线应用的新时代。自从天线发明以后,人
目录...................................................................................................II
一 绪论.................................................................................................1
线安装在卫星的不同表面,以此更好地达到方向图的全向覆盖,解决卫星姿态不稳定
时的指令传输。偶极子天线,PIFA,螺旋天线以及微带贴片天线等均可应用于测控线,
工作在卫星通讯的各个波段,这些天线具有成本低,结构简单,易于制造的特点,良好
的波束宽度使得天线工作时对卫星姿态的要求不高。
2)数传天线
卫星在轨道上正常工作后,大量有效载荷数据需要高速传回地面,这就要求数传天线
类长距离通信的愿望得以实现,天线成为了无线电系统中不可或缺的一部分,广泛应
用于电子通信、雷达、电视、导航、遥感等系统。天线的功能主要是福射和接收电磁
波,其实质是一个能量转换器,它需要将传输线上的高频电流或导行波转换为无界媒
介中的电磁波,或完成相反的转换。
现代天线发展至今已形成一个庞大的天线家族,不同的种类应用不同的领域。按
高介电常数的介质加载,尺寸大大地缩小,利用微带线在该频率实现的移相网络相对
于本天线尺寸过于庞大,同时也出于结构复杂的考虑,因此,本课题主要研究自相移来
实现正交馈电。
本天线利用同轴线进行馈电,同轴的内外导体已实现180度的相差,因此,按照上
小节所述的结构,每对双臂螺旋天线已达到反相馈电,因此,只要达到两对双臂螺旋天
或缺的一部分,对卫星系统性能的影响至关重要,而且往往占据着相当大的体积,
随着微小卫星小型化、微型化的发展,也对应用于微小卫星的天线提出了小型化
需求。
四臂螺旋天线具有良好的半球心形方向图,其优良的宽波束和圆极化特性被
广泛应用于卫星通讯。本文综述了微小卫星天线的一般要求,分析了四臂螺旋天
线的结构和工作原理,并针对微小卫星的应用,解决了四臂螺旋天线小型化问题,
专业方向论文
题目：微小卫星全向天线设计
系部电子信息工程
专业电子信息工程班
学号
姓名
2015年6月24日
微小卫星全向天线设计
摘要
微小卫星是当今航天领域的研究热点,其因具有体积小,研发周期短,研发的
成本低等优点而受到各航天强国的普遍重视,现已越来越广泛地应用于通信、对
地遥感、行星际探测、科学研究和技术试验等。天线系统是卫星通信模块中不可
2.2几种主要天线介绍.....................................................................3
三介质加载的四臂螺旋天线设计.....................................................3
3.1天线设计..........................................................................................3
微小卫星的研制逐渐成为世界航空领域的热点。
天线系统是卫星系统组成中重要的一部分,它主要实现卫星与地面的相互通信,
以及地面对卫星的遥控和遥测指令的发送,因此,天线系统的稳定性和可靠性决定了
卫星是否能成功执行预定任务,卫星天线的设计也成为了至关重要的一个环节,同时,
微小卫星微型化的关键是各种设备、器件的微型化,因此通信天线的小型化也成为微
3.1.1天线结构................................................................................4
3.1.2天线馈电................................................................................5
的电长度,通过控制开槽的尺寸来控制电长度改变的大小。
开槽的位置一般选在圆柱天线的顶部,因为四臂螺旋天线的电流分布为螺旋臂两
头最大,中间最小,因此,对电流最大处进行改变效果最好,同时也利于操作。其中开槽
的尺寸与电长度的改变主要满足以下关系:沿顶面径向方向,槽的长度增加和天线臂
电感的增加呈线性关系,重直于後向方向,槽的宽度变化与电感变化呈非线性关系。开
照天线作为频率函数的性能,可以将其分为以下四类:(1)电小天线:天线的结构尺寸
远远小一个波长。性质:低方向性,低输入电阻,高输入电抗,低福射效率。(2)谐振天
线:天线工作在一个频率或选定的频带上。性质:增益低到中等,输入阻抗为实数,频带
较窄。(3)宽带天线:在很大的频率范围内,天线的各项参数保持稳定且合格。性质:
和速度,其中的瞬态求解器采用有限积分法作为核心算法,可以通过一次计算就得到
3.2.2介质加载四臂螺旋天线仿真................................................7
四总结与展望....................................................................................10
参考文献..............................................................................................11
一 绪论
1.1研究背景和意义
人造卫星是迄今为止世界上发射数量最多、应用最广、发展最为迅速的航天器。
世界上第一颗人造卫星由前苏联在1957年10月4日发射上天,自此以后,世界各国相
槽的示意图如图3-2所示,
图3-2 开槽示意图
(二)平衡馈电
同轴线是不平衡传输线,会对天线的性能造成一定的影响,因此这里采用套筒巴
伦进行平衡馈电,其剖面示意图如图所示,同轴线经过天线轴心在天线顶部进行馈电,
同轴线外导体到底部巴伦上边沿为人/4的距离,利用人/4阻抗变换的特点,同轴线内
导体对巴伦边沿近似开路,输入阻抗无穷大,同时,同轴线顶端相对于巴伦边沿阻抗没
1.1研究背景和意义.........................................................................1
1.2天线的发展和现状.....................................................................1
为四臂螺旋天线在小卫星特别是皮卫星上得到应用打下基础。
关键词:微小卫星；四臂螺旋天线；介质加载；磁控溅射；激光刻蚀
摘要...................................................................................................I
2)对于安装在小卫星上的天线必须具备尺寸小、重量轻的特点,这也是现代小卫星本
身具有的小尺寸,低重量的特性决定的,尤其是像皮卫星这么小的尺寸是无法在其表
面提供更多的空间来安装大天线的。
3)天线的机械强度要能承受卫星发射时所遇到的振动和冲击而不被损坏。
4)增益是卫星天线的一个重要指标,数据的有效传输需要有一定的天线增益保证,高
3.2 天线仿真.........................................................................................7
3.2.1CST软件介绍.........................................................................7
由于四臂螺旋天线的螺旋臂是共轴旋转缠绕而成,因此我们采用圆柱形介质进行
加载,为了获得更好的电气性能和机械性能,在介质表面釆用印刷式辐射单元,其基本
结构如图3-1,主要由四部分组成,髙介电常数的陶瓷基体,圆柱侧面的螺旋辐射单元,
天线底部的套筒巴伦以及作为馈电的同轴线。陶瓷基体沿轴向开孔,同轴线通过圆柱
低到中等的增益,实输入阻抗,宽频带。(4) 口径天线:存在一个开放的物理口後来流
通电磁波。性质:高增益,增益随频率升高而增加,带宽中等。
二微小卫星天线概述
2.1微小卫星天线特点
由于工作环境是在太空,因此针对微小卫星设计天线需要考虑以下几点:
1)天线的可靠性必须髙,因为在太空环境下很难对小卫星上的天线进行更换。
VSWR: <2
波束宽度:大于120度
带宽内轴比:小于4dB
极化方式:右旋圆极化
物理尺寸:圆柱体,直径小于1厘来,髙度小于2厘米
空气加载的四臂螺旋天线要达到设计的工作频率其尺寸难以符合设计的物理尺
寸要求,因此,本课题采用高介电常数的陶瓷进行加载,不仅可以缩小天线的尺寸,同
时也提升了天线的强度。
3.1.1天线来自百度文库构
二微小卫星天线概述.........................................................................2
2.1微小卫星天线特点.....................................................................2
怎么变化,也可看成开路状态,达到平衡馈电,电流被限制在巴伦的上边沿。
3.2天线仿真
3.2.1 CST软件介绍
CST工作室套装共包含七个工作室子软件,本课题主要使用其中的CST微波工作
室。微波工作室可以完成系统级的电磁兼容和通用的高频无源器件的仿真,同时,仿真
器特有的理想边界拟合(PBA)技术和薄片技术(TST)扩展有效地提升了仿真的准确性
具有一定的增益,但同时,天线的增益不能太高1因为在微小卫星上可能不具备高精密
的姿态控制系统,如果增益过高会导致卫星在姿态出现偏差时数据得不到有效的传
输。
三介质加载的四臂螺旋天线设计
3.1天线设计
根据微小卫星的应用,拟定了介质加载四臂螺旋天线的性能指标,天线的基本指标为:
工作频率:2065MHz,带宽大于20MHz
中心在顶部对四臂进行馈电,内导体连接其中两臂,外导体连接另外两臂,底部巴伦完
成同轴线与对称双臂的平衡-非平衡转换。
/
图3-1 天线基本结构
3.1.2天线馈电
(一)正交馈电
为了使四臂螺旋天线产生圆极化的方向图,必须使四条臂的馈电依次达到90度的
相差,前文提到实现正交馈电主要有移相网络和自相移两种方式,由于本天线采用了
线的相差90度便可实现四臂正交。
根据上文的描述,自相移的原理是利用螺旋臂之间的长度差来产生相位差,因此
通常人们利用将其中一对螺旋臂进行变形来达到两个双臂螺旋长度不相等的目的,考
虑到对天线几何结构的影响和后期的加工制作,本课题釆用天线臂上开槽的方法。其
主要原理是利用天线臂上金属材料的去除来使得天线臂的电感增加,从而改变天线臂
继发射了多颗人造卫星。现代人造卫星主要应用于科学、军事、气象、通信、导航等
多个方面,对各国的国防、科技、经济方面的建设起到了重要作用。
随着人造卫星作为航天器应用越来越广,发射数量越来越多,其漫长的研发周期,
昂贵的研发成本成为了各国卫星科技发展的制约条件。20世纪80年代以来,伴随着微
纳米技术与微机电系统的曰益发展,以及轻型材料与高功率太阳能电池的研制,使得