基于XFdtd的移動設備/終端裝置Ku波段衛星天綫陣列分析
导论
在这个示例中，原本设计用于X波段工作的卫星天线通过XFdtd软件进行了改进，以缩小整体尺寸，使其能够适配移动设备。这是通过将其工作频率调整至Ku波段12.5 GHz实现的。该天线由一个4×4阵列单元组成，每个单元包含四个旋转贴片元件。这四个贴片元件分别施加0度、90度、180度和270度的相位调整馈电，以产生圆极化场。该阵列能产生增益超过20.7 dBi的主波束，并可在±60度的宽视场范围内进行波束转向。本研究通过该配置下的阵列性能分析，评估了此类应用的可行性。
装备设计
单体单元
该天线阵列由64个小型贴片天线组成。如图1所示，每个贴片天线由一个方形激励单元和一个较小的矩形耦合谐振单元构成。激励单元与耦合单元上均设有短路引脚，以提升天线带宽。铜质贴片置于厚度1.8毫米、介电常数为4的基板上，其中方形贴片尺寸为5.66毫米，耦合贴片尺寸为2.15×5.09毫米，两者间距1.2毫米。
如图2的回波损耗(Return Loss)曲线所示，单个单元的工作频带较宽（约11.795~14.492 GHz）。图3显示，该贴片天线在12.5 GHz频点处产生近似半球的增益方向图，峰值增益达5.7 dBi。
图1：双贴片单天线单元辐射器的CAD示意图，包含一个方形馈电贴片和一个较小的耦合贴片。
图2：该贴片天线的回波损耗曲线显示其在11.8至14.5 GHz频段内具有良好的工作性能。
图3：该贴片天线的增益方向图在基板上方呈现均匀辐射特性，其峰值增益达到5.7 dBi。
阵列天线单元设计
如图4所示，该大型阵列的每个4×4单元由四个单天线单元组成，这些天线单元以中心点为基准依次旋转90度排列，单元间距为0.448毫米。在此配置下，如图5所示，天线的工作频带约为11.35至14.7吉赫兹，且各单元的回波损耗曲线完全一致。所有单元均采用12.5GHz正弦波馈电，相邻单元间存在90度相位差（沿逆时针方向递增），从而产生左旋圆极化增益方向图。图6显示该阵列形成了对称辐射方向图，其峰值增益达到9.5 dBi。
图4：阵列单元由四个贴片天线按方形排布构成，各贴片间呈90度旋转对称布局。
图5：阵列单元的回波损耗测试结果显示，其在11.3~14.7GHz频段内具有优良的阻抗匹配特性
。
图6：该阵列单元采用四贴片馈电结构，各贴片按方形布局依次递增90度相位偏移，最终形成左旋圆极化辐射方向图，其峰值增益达9.5dBi。
完整阵列结构
如图7所示，该完整阵列采用4×4排布方式，单元间距为5.376毫米。为降低边缘效应对性能的影响，初始仿真采用较大的基板与接地平面结构。由于接地平面尺寸有限，单元回波损耗出现边缘效应，其中靠近阵列边缘的单元表现尤为明显。
图8展示了中心区域某单元的四个贴片回波损耗曲线，可见存在一定波动，且在12.5GHz设计频点以上出现高于-10dB的抬升。图9显示位于阵列边角（临近接地平面边缘）的单元四贴片间存在更显著差异，但在12.5GHz频点仍保持可接受性能。
该阵列可产生增益近22dBi的强定向波束，其3dB波束宽度为15度，副瓣电平至少低于主瓣12dB。
图7：CAD示意图显示4×4阵列单元在大型接地平面上的排布构型
图8：个别中心阵列天线单元的回波损耗仿真结果显示，四个贴片天线具有高度一致的阻抗特性，仅因相邻单元及接地平面边缘效应产生轻微变化。
图9：阵列边缘的天线单元的回波损耗曲线受接地平面边缘效应影响呈现较大波动，但在12.5GHz设计频点仍保持良好的工作性能。
移动设备集成阵列
为实现本案例的应用目标，该阵列被集成在类移动设备平台上进行性能评估。典型手机尺寸（76.5×76.5mm）小于阵列总尺寸，故将设备宽度设定为79.5mm（如图11所示），以确保足够的阵列安装空间及贴片与设备边缘的最小间距。如全阵列仿真结果所示，接地平面边缘效应将影响设备性能：阵列中心单元受影响较小（图12所示各贴片回波损耗仅轻微波动），而边角单元则出现显著变化（图13可见明显波动）。所有单元在12.5GHz设计频点的回波损耗均优于-10dB，故实际性能不受影响。
如图14所示，相较于大型接地平面上的全阵列，移动设备配置下的阵列辐射方向图基本保持一致，仅增益略微降低至约20.8dBi。对比分析显示，移动平台上的副瓣不仅位置偏移且普遍增大。图15、图16分别展示了沿设备长度方向与宽度方向的增益极坐标图。尽管设备边缘会降低阵列性能，但在目标频段内仍保持足够增益、较低副瓣及良好的回波损耗特性。
图10：该4×4阵列可产生增益达21.9 dBi 的主波束。
图11：4×4阵列在移动设备上的集成示意图，可见手机边框与阵列宽度方向的安装间距极为有限。
图12：阵列中心单元的回波损耗虽受相邻单元及手机边框影响，但在12.5GHz设计频点仍保持良好性能。
图13：阵列边缘单元受手机边框边缘效应影响显著，但在12.5GHz设计频点仍维持良好工作性能。
图14：阵列在手机平台与大型接地平面上的增益图具有高度相似性，但增益值及副瓣特性存在一定差异。
图15：极坐标增益方向图对比显示（大型接地平面 vs 移动设备配置），阵列在手机长轴切面上的副瓣电平及位置存在明显变化，且主瓣增益出现轻微下降。
图16：极坐标增益方向图对比（大型接地平面配置 vs 移动设备配置）显示，阵列在手机短轴切面上的副瓣电平与波瓣位置存在显著变化，同时主瓣增益出现约0.8dB的下降（如图示刻度对比）。
阵列波束调控
该阵列可通过调节单元间相位差实现波束转向。如图17所示，通过沿设备长边方向逐行增加90度相位偏移，成功生成最大增益方向偏离垂直方向16度的波束。此方法可扩展应用：不同相位配置能产生多种指向波束。
图18展示了垂直方向下倾0至60度（5度步进）与方位角±60度范围（15度步进）的"最大保持"方向图。测试结果表明：该阵列在±60度扫描范围内仍能保持近19dBi的增益，具备优异的空间覆盖能力。
图17：展示了与垂直方向成16度偏转的波束方向图，该波束通过沿手机长边方向对阵列各行施加90度递变相位差生成。
图18：手机阵列生成的波束最大保持方向图，展示垂直方向±60度（5度步进）与方位角方向±60度（15度步进）的性能。该方向图实现半球覆盖，所有波束均保持高增益特性。
总结
本案例通过将Ku波段卫星天线阵列集成于移动设备的方案验证，分析了其在小型化平台下的工作性能。测试结果表明：尽管平台尺寸限制导致部分性能损耗，该阵列在12.5GHz设计频点仍可实现高增益（峰值20.8dBi）与宽域覆盖（±60°波束扫描）的核心技术指标。
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.
