Ka頻段雙極化低剖面衛(wèi)通相控陣天線

劉敦歌,金世超,崔 喆,劉立朋，黃 俊，梅辰鈺，楊鈺茜，費春嬌，周 波，袁 野，龔志紅

(1.航天恒星科技有限公司，北京100094;2.天地一體化信息技術(shù)國家重點實驗室，北京 100094;3.中國人民解放軍93160部隊，北京 100071)

0 引言

近年來，國內(nèi)外低軌通信互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展迅猛。美國Starlink已部署近2000顆星鏈衛(wèi)星，英國OneWeb完成近400顆衛(wèi)星部署[1-4]；國內(nèi)已發(fā)射“鴻雁”“虹云”試驗星，并將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)已納入“新基建”[1-7]，成立中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)公司，極大促進(jìn)了我國的“衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座”體系建設(shè)。

低軌衛(wèi)星通信具有低時延、大帶寬、全球覆蓋等優(yōu)勢[6-8]，隨著低軌寬帶通信衛(wèi)星數(shù)量和通信容量的快速提升，對衛(wèi)通天線提出了新的應(yīng)用需求：1)支持星地覆蓋區(qū)跨星跨波束快速切換[9]；2)滿足低剖面、輕量化、高集成應(yīng)用需求[1-4]；3)規(guī)?；瘧?yīng)用或批量化應(yīng)用低成本[2-3]。

傳統(tǒng)衛(wèi)通天線多采用伺服平板天線或伺服拋物面天線，響應(yīng)速度慢，剖面高，重量大[4-8]難以滿足應(yīng)用需求。相控陣天線的波束切換可達(dá)到微秒(μs)量級，通常具有厘米(cm)級較低輪廓[9]，而且長期工作具有可靠性高，可支持極化切換與靈活賦形等優(yōu)勢[9-10]。

針對低軌寬帶互聯(lián)網(wǎng)天線低剖面、跨星跨波束快速切換應(yīng)用需求[11-13]，本文提出了一種Ka頻段圓極化可切換發(fā)射相控陣天線，天線整體采用多層PCB層疊瓦式架構(gòu)，集成天線層、電源層、控制層、功分網(wǎng)絡(luò)層和芯片層等一體，實現(xiàn)天線網(wǎng)絡(luò)芯片一體化低剖面集成。天線采用十字縫隙耦合形式，雙線極化合成圓極化，并采用旋轉(zhuǎn)饋電實現(xiàn)二次圓極化，可實現(xiàn)60°掃描，快速波束切換以及左右旋雙圓極化等功能。

1 相控陣系統(tǒng)設(shè)計

1.1 架構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的Ka頻段雙圓極化可切換發(fā)射64陣元相控陣天線架構(gòu)，如圖1所示，整陣系統(tǒng)由64(8×8)個輻射微帶天線單元，16個8通道多功能射頻發(fā)射芯片、饋電網(wǎng)絡(luò)和波束控制模塊等組成。多功能芯片的公共端通過威爾金斯電橋網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)合路互聯(lián)，波束控制模塊主要由FPGA和FLASH等組成，整板對內(nèi)輸入一個發(fā)射射頻信號的射頻連接器以及一個供電及控制數(shù)據(jù)下發(fā)低頻連接器。

天線陣列每個陣元具有2個饋電過孔，分別對應(yīng)“水平”(H端口)和“垂直”(V端口)饋電端口，與多功能射頻幅相芯片的兩個射頻發(fā)射通道相連。每個多功能射頻發(fā)射芯片可實現(xiàn)對2×2接收天線模塊的相位控制與功率分配，控制天線單元端口的饋電相位差，實現(xiàn)天線圓極化合成與左右旋圓極化切換。同時以2×2陣列為子陣，進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)排布實現(xiàn)整陣二次圓極化，進(jìn)一步提高天線整陣圓極化軸比，如圖2所示。

圖1 Ka頻段64陣元發(fā)射相控陣天線子陣架構(gòu)(芯片面)Fig.1 The architecture of Ka-band 64 element transmit phased array antenna array

圖2 Ka頻段64陣元發(fā)射相控陣天線架構(gòu)Fig.2 The architecture of Ka-band 64 element transmit phased array antenna

1.2 天線疊層設(shè)計

本文研究的Ka頻段雙圓極化可切換發(fā)射64陣元相控陣天線采用多層板PCB混壓工藝，使用盲孔、表貼、埋孔背鉆等工藝實現(xiàn)饋電帶線的垂直互聯(lián)。微帶天線設(shè)計在多層板的頂層及緊鄰內(nèi)層，通過饋電金屬化過孔與底層的多功能發(fā)射射頻芯片輸出管腳相連；多功能射頻發(fā)射芯片的射頻輸入管腳通過帶線及饋電過孔與板子內(nèi)層的威爾金森功分網(wǎng)絡(luò)相連；芯片數(shù)字控制信號及供電信號通過板子內(nèi)層的控制層和電源層實現(xiàn)互聯(lián)，為減少層間干擾，電源和控制網(wǎng)絡(luò)層的低頻信號線通過金屬地隔離，多層PCB板疊層結(jié)構(gòu)如圖3所示，天線層、控制/電源層、工分網(wǎng)絡(luò)層、芯片層等通過多層印制板實現(xiàn)，實現(xiàn)天線板厚度在3mm以內(nèi)。

圖3 多層PCB疊層架構(gòu)Fig.3 The multilayer PCB stack architecture

本文采用疊層縫隙耦合天線，設(shè)計了一種低剖面雙線極化微帶天線，其單元結(jié)構(gòu)如圖4所示，采用3層PCB，每層PCB之間采用半固化片壓合粘接，從上到下依次為輻射貼片層、耦合縫隙層、饋線層和地板。為提高極化間隔離度，耦合縫隙層通過十字形縫隙進(jìn)行耦合饋電，H極化和V極化的饋線分布在不同層，天線單元采用屏蔽孔隔離，網(wǎng)絡(luò)采用帶狀線，帶狀線通過金屬通孔與底層共面波導(dǎo)垂直互連，共面波導(dǎo)與芯片輸出管腳連接。相比于普通的微帶天線，本文設(shè)計的疊層縫隙耦合天線具有更寬的帶寬以及更高的端口隔離度。

圖4 雙極化縫隙耦合天線Fig.4 The dual-polarization stacked slot-coupled antenna

為實現(xiàn)相控陣左右旋圓極化可切換功能，采用層疊縫隙耦合雙極化耦合天線，饋電形式為雙線極化饋電[14-15]，通過饋電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生90°相位差，同時采用2×2子陣天線單元旋轉(zhuǎn)饋電排布實現(xiàn)二次圓極化，提高天線圓極化軸比性能。圖5為2×2陣列左右旋二次圓極化饋電相位示意圖。

為實現(xiàn)8×8陣列整體優(yōu)化設(shè)計，由2×2陣列旋轉(zhuǎn)組陣為8×8陣列，根據(jù)相控陣天線掃描角范圍不出現(xiàn)柵瓣條件，圖6為8×8陣列整體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 2×2陣列二次圓極化布局及饋電相位示意圖Fig.5 2 × 2 array layout and schematic diagram of secondary circular polarization feed phase of array

圖6 8×8陣列整體結(jié)構(gòu)Fig.6 8×8 overall structure of array

利用電磁仿真軟件進(jìn)行全波仿真，其歸一化方向圖如圖7和圖8所示，左右旋極化天線可分別實現(xiàn)±60°掃描，同時左旋和右旋天線一致性好，天線掃描范圍可達(dá)到±60°，副瓣電平均較低，掃描30°和60°增益分別下降1.3dB和4dB。由于采用“雙線極化天線+移相控制”架構(gòu)模式，左右旋極化共用同一天線，通過多功能射頻發(fā)射芯片控制饋電相位，控制實現(xiàn)左右雙圓極化及其極化切換。

圖7 左旋圓極化歸一化方向圖@29.25GHzFig.7 The normalized pattern of left-handed circular polarization @29.25GHz

圖8 右旋圓極化歸一化方向圖@29.25GHzFig.8 The normalized pattern of right-handed circular polarization@29.25GHz

2 相控陣測試與分析

圖9所示為研制的Ka頻段64陣元雙極化發(fā)射相控陣天線樣機(jī)，整體長寬厚尺寸分別為140mm×45mm×3mm，其中天線陣列尺寸為40mm×40mm。

圖9 64陣元發(fā)射相控陣天線實物圖Fig.9 The transit phased array of 64 array elements

在微波暗室對研制的64陣元發(fā)射相控陣天線進(jìn)行平面近場掃描測試，如圖10所示。

圖10 天線暗室測試圖Fig.10 The scenario of antenna in microwave anechoic chamber

天線測試方向圖與軸比如圖11、圖12和圖13所示，其法向軸比小于2dB。

在微波暗室對64陣元發(fā)射相控陣天線進(jìn)行法向EIRP值測試，測試結(jié)果如表1所列，與理論值小于1dB誤差，考慮到多層PCB加工誤差、高低頻電磁干擾、芯片焊接誤差、測試誤差等因素，天線設(shè)計滿足要求。

圖11 平面近場掃描測試三維方向圖-左旋@29.25GHzFig.11 The 3D pattern of plane near-field scanning test-(left rotation @29.25GHz)

圖12 左旋圓極化測試歸一化方向圖@29.25GHz Fig.12 The normalized pattern of left-handed circular polarization @29.25GHz

圖13 右旋圓極化測試軸比@29.25GHz Fig.13 The right-handed circular polarization test axis ratio @29.25GHz

表1 64陣元相控陣發(fā)射EIRP測試值Tab.1 EIRP of transit phase array of 64 array elements

3 結(jié)論

針對低軌衛(wèi)星通信對天線跨星波束切換、低成本、低剖面需求，本文提出了一種Ka頻段圓極化可切換衛(wèi)通發(fā)射相控陣天線，整體采用瓦式層疊相控陣架構(gòu)。設(shè)計了雙饋口疊層十字縫隙耦合天線，采用“雙線極化天線+旋轉(zhuǎn)饋電+移相控制”架構(gòu)，采用雙饋口的疊層十字縫隙耦合天線，并以2×2陣列為主體，旋轉(zhuǎn)排布實現(xiàn)二次圓極化，同時極化可切換，通過多層PCB工藝實現(xiàn)天線層、控制/電源層、功分網(wǎng)絡(luò)層、芯片層一體化集成，研制出64陣元的圓極化可切換發(fā)射天線，測試結(jié)果表明：天線工作頻段為27.5～31GHz，可實現(xiàn)±60°掃描，法向軸比<2dB，左右旋圓極化可切換，EIRP值可達(dá)16.5dBW@29.2Hz，厚度3mm。對衛(wèi)通天線低剖面、快速波束切換等具有重要應(yīng)用意義。