一種用于星載多波束相控陣的稀疏陣列

姚亞利，何海丹，溫 劍，侯祿平，李秀梅，張 云

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

0 引言

低軌衛(wèi)星通信是利用低地球軌道部署的向地面和空中用戶提供寬帶通信服務(wù)的新型星座網(wǎng)絡(luò)，具有廣覆蓋、低延時(shí)、寬帶化、低成本等特點(diǎn)。隨著衛(wèi)星制造和火箭發(fā)射成本的下降，采用低軌寬帶衛(wèi)星提供寬帶接入服務(wù)已具備一定競(jìng)爭(zhēng)力，低軌星座建設(shè)迎來(lái)了猛烈的發(fā)展熱潮[1]。

衛(wèi)星平臺(tái)作為重要的節(jié)點(diǎn)，通常需要同時(shí)與多個(gè)用戶目標(biāo)進(jìn)行通信，為了提高孔徑利用效率、減少設(shè)備、降低成本，星載天線往往需要同時(shí)形成多個(gè)波束[2-3]。多波束天線由于其能夠高增益地覆蓋較大的地面區(qū)域，又能根據(jù)需要調(diào)整波束形狀，而得到深入研究和廣泛應(yīng)用[4]。

多波束天線按照其結(jié)構(gòu)分可以分為3類：反射面式、透鏡式和直接輻射相控陣。

反射面式多波束天線和透鏡式多波束天線具有相似的結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)的多波束天線應(yīng)用的時(shí)間較早[5]，對(duì)其研究也相對(duì)成熟。這兩種天線在波束賦形上有一定優(yōu)勢(shì)，并且它們的波束形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但是它們的聚束結(jié)構(gòu)一般都比較龐大而不適合在低軌小衛(wèi)星上使用。

直接輻射式相控陣[6]由可實(shí)現(xiàn)波束掃描的陣列天線構(gòu)成，不需要龐大笨重的聚束結(jié)構(gòu)，本身具有體積和重量?jī)?yōu)勢(shì)，可以比較容易安裝在衛(wèi)星的表面上，大小衛(wèi)星都可以使用。盡管成本相對(duì)較高，但隨著相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的日益成熟，從單個(gè)波束成本的角度來(lái)說(shuō)，相控陣天線對(duì)于低軌小衛(wèi)星不再是不可接受，越來(lái)越多的低軌小衛(wèi)星開(kāi)始采用相控陣天線，之前的銥星和“全球星”都采用了相控陣天線，新一代的LeoSat、SpaceX“星鏈”[7]星座等也都采用了相控陣天線。

當(dāng)需求從單波束提升為多波束，相控陣天線面臨的主要問(wèn)題是器件數(shù)量增多帶來(lái)的集成和散熱問(wèn)題。若波束數(shù)量為N，相比單波束相控陣，多波束相控陣中某些射頻器件的數(shù)量增加為N倍。對(duì)于工作在30GHz附近的接收天線來(lái)說(shuō)，常規(guī)半波長(zhǎng)陣列的單元間距已經(jīng)小到5mm左右[8]，對(duì)應(yīng)的多波束收發(fā)通道間距則為5mm/N，現(xiàn)有的很多芯片尺寸已經(jīng)很難再減小來(lái)適應(yīng)此間距的空間限制。

解決該難題主要有兩個(gè)方向：一是提高芯片集成度，如采用晶圓級(jí)封裝[9-10]等技術(shù)，使多波束TR組件尺寸滿足天線單元間距的需要；二是增加天線單元間距，緩解芯片集成的壓力。然而，若波束數(shù)量多達(dá)8個(gè)甚至更多，現(xiàn)有的芯片封裝和集成技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)半波長(zhǎng)單元間距對(duì)應(yīng)的多波束通道間距，且?guī)?lái)的高密度集成下的散熱問(wèn)題也難以解決。所以本文提出采用稀疏布陣的方式來(lái)增加天線單元的平均間距，從而緩解現(xiàn)有技術(shù)條件下的高密度集成及其散熱難題。

為解決多波束相控陣天線的集成難題，本文對(duì)Ka頻段八波束相控陣天線的陣面進(jìn)行稀疏布陣設(shè)計(jì)，首先采用遺傳算法對(duì)4個(gè)象限鏡像對(duì)稱的子陣進(jìn)行稀疏布局，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移等方式進(jìn)行子陣拼接合成2304元全陣，在一定程度上打亂了陣列的相對(duì)均勻性，在擴(kuò)大單元間距的前提下，盡可能對(duì)柵瓣進(jìn)行抑制。設(shè)計(jì)了帶狀線轉(zhuǎn)接板將稀疏布陣后不規(guī)則分布的天線單元端口與規(guī)則排布的R組件端口進(jìn)行互連。本文提出的方法具有高效、快捷的優(yōu)點(diǎn)，計(jì)算結(jié)果基本能滿足工程應(yīng)用需求。

1 八波束相控陣天線

1.1 原理框圖

八波束星載接收有源相控陣天線由天線陣面、R組件、波束形成網(wǎng)絡(luò)、變頻組件、電源模塊、波控器等組成[11]。其原理框圖如圖1所示。天線陣面由N個(gè)單元組成，電磁波信號(hào)經(jīng)天線單元接收后，通過(guò)一分八功分器分為8路，共8×N路，再經(jīng)接收前端實(shí)現(xiàn)8×N路信號(hào)的放大、移相、波束合成和下變頻輸出。與常規(guī)單波束相控陣天線相比，八波束相控陣天線的R組件通道數(shù)目變?yōu)?倍，即單通道所占面積變?yōu)?/8，1.2節(jié)中將詳細(xì)說(shuō)明該八波束相控陣天線的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

1.2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

八波束相控陣天線工作的中心頻點(diǎn)為30GHz，按照柵瓣抑制條件，天線掃描至60°對(duì)應(yīng)的單元間距不應(yīng)大于5.3mm。射頻前端中，除去前級(jí)共用的驅(qū)動(dòng)放大器和低噪聲放大器等，其余單通道放大、濾波、移相等器件所占的面積不能超過(guò)(5.3mm/8)×(5.3mm/8)，即0.6625mm×0.6625mm，這對(duì)射頻前端造成很大的集成壓力。本文采用稀疏布陣方式，增加天線單元間的平均間距，以解決高密度集成難題。

稀疏陣列中的單元間距非均勻，而射頻前端中各通道一般為等間距均勻分布，所以在陣面和射頻前端之間需要設(shè)計(jì)由非均勻分布端口向等間距均勻分布的端口轉(zhuǎn)換的帶狀線轉(zhuǎn)接板。但是對(duì)于大規(guī)模陣列，天線單元數(shù)量和射頻前端通道數(shù)過(guò)多，若稀疏陣列中的單元分布沒(méi)有任何規(guī)律可循，那么轉(zhuǎn)接板中的每一根帶狀線都要單獨(dú)設(shè)計(jì)，還要避免交叉，設(shè)計(jì)復(fù)雜度高。本文擬采用以下方法解決該設(shè)計(jì)難題：

第一，將大規(guī)模陣列拆分為36個(gè)相同的子陣，把大規(guī)模陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)的問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)樽雨嚰?jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)；

第二，將子陣的4個(gè)象限進(jìn)行對(duì)稱設(shè)計(jì)。

這樣不僅降低了轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，而且提高了陣列優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

圖1 八波束相控陣天線原理框圖Fig.1 Functional block diagram of eight-beam phased array antenna

2 稀疏陣優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 子陣優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)單元間距為半波長(zhǎng)(30GHz對(duì)應(yīng)的半波長(zhǎng)為5mm)的18×18均勻陣列使用遺傳算法進(jìn)行抽取，得到每個(gè)象限16個(gè)陣元，4個(gè)象限鏡像對(duì)稱后得到64個(gè)陣元。陣列的平均單元間距稀疏至11.8mm，能夠適應(yīng)R組件的通道間距。

約束陣元數(shù)和孔徑的稀疏陣列有著確定的稀疏率。在一定的稀疏率下優(yōu)化布陣，就是在陣元數(shù)約束和孔徑約束下實(shí)現(xiàn)陣元位置的設(shè)計(jì)。運(yùn)用遺傳算法進(jìn)行陣列綜合的研究中，適應(yīng)度函數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)每個(gè)個(gè)體染色體的優(yōu)劣[12]，通常根據(jù)具體問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)要求來(lái)構(gòu)造。這里的優(yōu)化目標(biāo)包括天線方向圖旁瓣電平SLL、增益Gain等，而決策變量則是陣元位置、激勵(lì)、相位等。

若需使陣列增益盡可能地大，而且旁瓣電平低于一定的期望值SLLd，則適應(yīng)度函數(shù)可以表示為：

Fitness=w1×max(Gain)-w2

×min(SLL-SLLd,0)

(1)

其中w1，w2為權(quán)重系數(shù)。max表示求最大值函數(shù)，min表示求最小值函數(shù)，通過(guò)優(yōu)化適應(yīng)度函數(shù)Fitness的值，來(lái)優(yōu)化陣元的位置，使方向圖在低于一定副瓣的條件下，陣列增益盡可能的高。由于工程上需要最低增益也滿足應(yīng)用需求，其中Gain和SLL選取為最大掃描角度下的增益和旁瓣電平。

利用遺傳算法[13-14]，采用軸對(duì)稱布陣，從18×18半波均勻陣中抽取64個(gè)陣元，得到稀疏后的子陣布局如圖2所示。子陣仿真結(jié)果如圖3所示，子陣增益在掃描角(0°，0°)(0°，60°)(90°，60°)分別為24.84、18.69、19.12dB，旁瓣電平分別為-12.52、-8.32、-8.43dB。

圖2 稀疏子陣布局Fig.2 Sparse subarray layout

圖3 子陣仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of subarray

2.2 全陣優(yōu)化設(shè)計(jì)

對(duì)36個(gè)子陣直接拼接而成的2304元全陣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)和平移的操作，在一定程度上打亂陣列的相對(duì)均勻性，以改善陣列的性能，使大單元間距條件下副瓣得到一定改善，全陣布局如圖4所示。全陣仿真結(jié)果如圖5所示。全陣增益在掃描角(0°，0°)(0°，60°)(90°，60°)分別為40.66，34.22，34.23dB，旁瓣電平分別為-17.11，-14.1，-14.9dB。由仿真結(jié)果可以看出，全陣的柵瓣相比子陣得到了一定抑制。

圖4 稀疏全陣布局Fig.4 The whole sparse array layout

圖5 全陣仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of the whole sparse array

3 轉(zhuǎn)接板設(shè)計(jì)

接收天線子陣端口與R組件端口位置如圖6所示，圖中小矩形為微帶貼片天線單元，紅色圓點(diǎn)為R組件輸入端口位置。天線單元采用的是同軸底饋的圓極化矩形微帶貼片天線，貼片尺寸約為3.2mm×2.4mm，介質(zhì)基板采用厚度為30mil的Rogers RT/duroid 5880。

圖6 接收天線子陣端口與R組件端口位置示意圖Fig.6 Diagram of the receiving subarray’s ports location and R module’s ports location

圖7 接收天線子陣過(guò)渡板設(shè)計(jì)版圖Fig.7 The design layout of receiving subarray transition board

由圖6可知，需要將稀疏布陣后不規(guī)則分布的天線單元端口過(guò)渡轉(zhuǎn)接，與規(guī)則排布的R組件[15]端口進(jìn)行互連。利用腳本語(yǔ)言和Ansys HFSS設(shè)計(jì)帶狀線過(guò)渡板，其版圖如圖7所示，其中最長(zhǎng)的帶狀線仿真插入損耗在頻率30GHz小于0.4dB，不同長(zhǎng)度帶狀線帶來(lái)相位差可由R組件中的移相器補(bǔ)償。

4 結(jié)論

多波束相控陣天線的射頻前端通道數(shù)隨波束數(shù)量的增多而成倍上漲，給射頻電路的集成帶來(lái)了巨大壓力。已有的研究工作大量集中在提高射頻電路和芯片的集成度，而本文從另外的角度來(lái)解決該問(wèn)題，提出采用稀疏布陣的方式來(lái)增加天線單元的平均間距，從而緩解現(xiàn)有技術(shù)條件下的高密度集成難題。本文對(duì)Ka頻段八波束相控陣天線的陣面進(jìn)行稀疏布陣設(shè)計(jì)，首先采用遺傳算法對(duì)4個(gè)象限鏡像對(duì)稱的子陣進(jìn)行稀疏布局，然后通過(guò)旋轉(zhuǎn)、平移等方式進(jìn)行子陣拼接成全陣，并設(shè)計(jì)了帶狀線轉(zhuǎn)接板將稀疏布陣后不規(guī)則分布的天線單元端口與規(guī)則排布的R組件端口進(jìn)行互連。提出的方法具有高效、快捷的優(yōu)點(diǎn)，且便于加工、組裝和維護(hù)，計(jì)算結(jié)果基本能滿足工程應(yīng)用需求。目前僅開(kāi)展了設(shè)計(jì)工作，后續(xù)將加工該陣面用于整機(jī)中進(jìn)一步驗(yàn)證其性能。