一種中心饋電圓極化天線設(shè)計

薛玲瓏，方文婷，許 娟，季 超，渠芬芬

(上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的發(fā)展，相控陣天線技術(shù)越來越多地應(yīng)用到衛(wèi)星通信領(lǐng)域。由于圓極化天線由2個相差90°的線極化組成，在允許3 dB極化增益損失的情況下可以用來接收任意線極化波，同時圓極化波又可以被任意線極化天線接收，所以圓極化天線必然作為衛(wèi)星通信技術(shù)的首選天線形式。圓極化天線單元的主要形式有喇叭單元[1-2]、微帶單元[3-7]、振子單元[8-9]等形式。喇叭天線為實現(xiàn)圓極化輻射需增加圓極化器進(jìn)行饋電，其剖面縱向尺寸較大，重量重；振子天線由于要實現(xiàn)平衡到不平衡的饋電變換和圓極化功能，其振子尺寸較小，實際工程實現(xiàn)難度大且剖面高，不利于集成化設(shè)計。微帶天線由于其特有的剖面低、體積小、重量輕和具有平面結(jié)構(gòu)的特點，而且能與有源電路一起集成，可用印刷電路技術(shù)進(jìn)行批量成產(chǎn)，成為運用于衛(wèi)星通信相控陣天線的首選天線形式。

本文設(shè)計了一種應(yīng)用于星載Ka數(shù)傳相控陣天線子系統(tǒng)的圓極化天線，輻射單元采用微帶貼片形式，饋電點位置在輻射貼片中心，2×2天線單元順序旋轉(zhuǎn)饋電改善陣面帶內(nèi)圓極化性能；該設(shè)計與現(xiàn)有中心饋電圓極化天線[10-12]比，性能穩(wěn)定的同時，結(jié)構(gòu)簡單，不需要背腔結(jié)構(gòu)，沒有復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)。Ka頻段二維大角度掃描的相控陣天線單元間距小，輻射單元采用中心位置饋電，大大降低射頻網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計難度。

1 圓極化天線陣面設(shè)計

工作在Ka頻段的圓極化天線陣采用有源相控陣天線形式，具有方位向、俯仰向二維分別掃描至±60°的掃描能力，波束寬度要求：4°(Az)×6°(El) (中心頻率，法向方向)，由此計算得到天線陣面規(guī)模為24×16(基本輻射單元數(shù))，輻射單元分布采用矩形排列方式。輻射單元X向、Y向間距分別由方位向、俯仰向最大掃描角決定，即：

(1)

式中，λ為最高頻率(27 GHz)的波長；θ為最大掃描角，按60°設(shè)計?？紤]到發(fā)射波束寬度，對輻射單元間距進(jìn)行修正，最終取輻射單元的間距dx=6 mm，dy=6 mm。根據(jù)波束寬度要求計算得到整個天線陣面的尺寸為144 mm(方位向)×96 mm(俯仰向)。

1.1 天線陣面設(shè)計

本天線陣面采用平面相控陣天線形式，每個輻射單元與發(fā)射T組件通道一一對應(yīng)，以實現(xiàn)二維大角度掃描，Y向每8個圓極化天線單元后接一個8通道聯(lián)裝T組件，圖1所示的是天線陣面采取的加工線陣組成圖。

圖1 天線陣示意Fig.1 Antenna array diagram

整個天線陣面由12根線陣沿X向(方位向)并列排布組成，每根線陣后接4個8聯(lián)裝T組件。掃描范圍覆蓋以及圓極化性能是該天線的主要技術(shù)指標(biāo)，綜合考慮結(jié)構(gòu)布局，采取以下設(shè)計措施：

① 采用8通道聯(lián)裝T組件，降低T組件的空間占用；

② 每個輻射單元對應(yīng)一個獨立的有源發(fā)射通道，實現(xiàn)二維相控掃描；

③ 8通道聯(lián)裝T組件與輻射單元采用直插互聯(lián)，以減少插損、提高系統(tǒng)集成度；

④ 輻射單元采用中心饋電結(jié)構(gòu)，引入順序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)改善圓極化特性，且不改變射頻接口位置，以便于和有源發(fā)射T組件垂直互聯(lián)，進(jìn)一步解決了緊湊型設(shè)計的結(jié)構(gòu)難題。

1.2 天線陣面方向圖計算仿真

基于陣列理論[13]，任意陣面的輻射遠(yuǎn)場計算公式為：

(2)

式中，θ,φ的定義參見圖2；amn,xmn,ymn分別表示陣中第m行、n列單元位置的激勵值(復(fù)矢量)、x軸向坐標(biāo)、y軸向坐標(biāo)；β代表電磁波在空氣中的傳播常數(shù)。圖2為陣面坐標(biāo)示意。

圖2 陣面坐標(biāo)示意Fig.2 Arraycoordinates diagram

天線陣面方向圖仿真數(shù)據(jù)均采用HFSS 2015計算單元方向圖，按式(2)算法進(jìn)行后處理計算；F(θ,φ)為增益方向圖，坐標(biāo)關(guān)系參考圖2 。

天線工作時，所有單元等幅、每4個單元一組順序旋轉(zhuǎn)90°(通過設(shè)置激勵相位實現(xiàn))工作，以獲得最大輻射效率以及最優(yōu)的圓極化性能。天線輻射元的間距取dx×dy=6 mm×6 mm。

天線陣仿真的方向圖如圖3所示，圖3(a)給出方位向不掃描、掃描±60°時天線陣面的方向圖，圖3(b)給出俯仰向不掃描、掃描±60°時天線陣面的方向圖，由仿真結(jié)果可見，天線陣面方位、俯仰掃描角度為±60°時不出現(xiàn)柵瓣， 25.85 GHz時天線方位面×俯仰面的3 dB波束寬度為4°×6°，增益G=30.9 dB，滿足設(shè)計輸入要求。

(a) 方位面方向圖

(b) 俯仰面方向圖圖3 天線陣面仿真方向圖Fig.3 Antenna array simulation pattern

2 輻射單元設(shè)計

2×2順序旋轉(zhuǎn)天線單元采用如圖4所示的結(jié)構(gòu)形式。

圖4 2×2順序旋轉(zhuǎn)天線單元Fig.4 2×2 rotation of antenna unit

該天線由4個微帶貼片形式的圓極化輻射單元組成，1#,2#,3#,4#輻射單元在結(jié)構(gòu)上順時鐘旋轉(zhuǎn)90°。其中圓極化輻射單元饋電位置在貼片中心位置，在圓環(huán)形輻射貼片上引入2個對稱的微擾結(jié)構(gòu)，微擾面積△s，圓環(huán)外徑2×r3，內(nèi)徑2×r2，通過微帶中心的半徑為r的通孔進(jìn)行激勵，上層輻射圓環(huán)形貼片中心焊盤(半徑r1)與張角為θ的2個枝節(jié)實現(xiàn)輻射激勵信號的傳遞，同時2個枝節(jié)結(jié)構(gòu)也用于提高輻射貼片的阻抗帶寬。

按厚度為0.508 mm的Rogers5880的參數(shù)進(jìn)行仿真建模，根據(jù)圖4給出的參數(shù)化模型對輻射單元進(jìn)行各參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，最后得到的各參數(shù)值如表1所示。

表1 優(yōu)化設(shè)計的天線單元參數(shù)

根據(jù)以上方法，在Ka波段加工了多根中心頻率為25.85 GHz，順序旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的12×2天線陣，饋電射頻接頭采用SSMP接頭。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀實測天線陣中單元的駐波，測試結(jié)果顯示，在24.7～27 GHz頻率范圍內(nèi)VSWR<1.5，仿真和測試結(jié)果對比以及實物加工照片如圖5所示。

(a) 單個輻射天線VSWR

(b) 實物加工照片圖5 天線單元實測與仿真駐波曲線、實物照片F(xiàn)ig.5 Measured andsimulated VSWR of antenna unit,and actual picture

微帶片通過3個聚酰亞胺介質(zhì)螺釘固定在鋁合金結(jié)構(gòu)板上，以降低螺釘對天線電性能的影響。實測結(jié)果表明，陣中單元實測駐波曲線與仿真曲線形狀基本一致，由于頻段較高，測試校準(zhǔn)誤差、加工誤差以及射頻接頭的裝配和焊接等均會對天線駐波性能帶來一定的影響，最終導(dǎo)致實測帶寬比仿真略寬。圖6、圖7為單個輻射天線的中心頻點仿真方向圖、軸比特性，圖8、圖9為24×16順序旋轉(zhuǎn)天線陣面的實測方向圖、軸比特性，仿真結(jié)果顯示，單個圓極化天線的軸比特性不對稱，在0°位置的軸比為0.9 dB左右，采用順序旋轉(zhuǎn)后，軸比對稱性得到極大改善，幾乎完全對稱。

圖6 單個輻射天線方向圖Fig.6 Single radiation antenna measured pattern

圖7 單個輻射天線軸比Fig.7 Single radiation antenna Axial Radio

圖8 順序旋轉(zhuǎn)天線陣面實測方向圖Fig.8 Sequential rotating array measured pattern

圖9 順序旋轉(zhuǎn)天線陣面實測軸比特性Fig.9 Sequential rotating array measured Axial Radio

由圖8、圖9可以看出，在3 dB波束范圍內(nèi)軸比對稱性符合預(yù)期，由于測試時采用的是2個線極化合成圓極化，對測試線極化喇叭的安裝精度要求非常高，導(dǎo)致實測軸比偏大。由此可知，當(dāng)該天線用于相控陣天線系統(tǒng)時，軸比性能對系統(tǒng)各種誤差的敏感度非常低，可以大大降低系統(tǒng)的設(shè)計難度。

3 結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了一種中心饋電圓極化天線設(shè)計，并將天線陣面應(yīng)用于星載相控陣數(shù)傳分系統(tǒng)。采用2個帶張角的枝節(jié)進(jìn)行中心饋電，有效地擴(kuò)展了微帶貼片輻射單元的阻抗帶寬，并對測試結(jié)果進(jìn)行分析，實現(xiàn)VSWR≤1.5的8.9%的實測帶寬；天線陣方位、俯仰掃描角度均達(dá)到±60°，采用順序旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)穩(wěn)定、優(yōu)異的圓極化輻射性能，設(shè)計思路和設(shè)計方法具有很好的可擴(kuò)展性。該Ka波段中心饋電圓極化微帶貼片天線加工簡單，成本低，在星載Ka頻段數(shù)傳系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用。