一種S頻段衛星通信相控陣天線設計

郭 超， 趙春柳， 鄢澤洪， 張天齡

(1. 西安電子科技大學 天線與微波技術重點實驗室，陜西 西安 710071；2. 國防科技工業局軍工項目審核中心，北京 100000)

S波段主要應用在中繼、無線通信和雷達等領域．現代的衛星通信手段具有普通通信方式所不具有的明顯優點，例如覆蓋范圍廣、受環境影響小、通信容量大和通信質量高等，是解決機載平臺遠程作戰通信問題的最佳途徑．相控陣天線相比于傳統的機械掃描天線，其優點為波束掃描更加靈活、波束切換更快和波束掃描空間廣，能夠滿足現代衛星通信的要求，因而相控陣的發展有很廣闊的前景[1-3]．

相控陣的主要優點為波束掃描速度快和跟蹤精度高，能夠適應載體的高速機動性能；而相控陣的不足之處主要是在相控陣規模有限的情況下，掃描到低仰角時增益較低，因此掃描范圍有限．其主要原因為相控陣天線單元的波束寬度有限，單元低仰角時增益較低．為了改善相控陣天線的低仰角性能，要求單元設計時具有較寬的波束寬度，較大的低仰角增益．同時為了減小整個相控陣天線的風阻，天線單元需要使用低剖面且小型化的單元類型．綜上所述，相控陣天線若滿足寬角掃描、低剖面、小型化以及圓極化等特性，則天線單元就要滿足較寬的波束寬度以及較好的圓極化特性．

為了解決目前相控陣所存在的這些問題，筆者采用單饋雙層微帶結構，通過加載圓形金屬腔體，設計了一個工作在S頻段的寬波束圓極化相控陣單元，以提高相控陣低仰角增益．在此基礎上用24個單元按照水滴狀形式排布組成相控陣陣列，以減小風阻．并對相控陣在收發頻段中心頻點處的仿真和實測增益進行了對比分析，文中相控陣天線性能滿足了設計指標．

圖1 3種單元結構仿真方向圖

1 天線單元及陣列結構

1.1 天線單元結構

為了實現低剖面、寬波束和小型化的特性，這里選取微帶天線作為相控陣的單元形式[4-5]．微帶天線具有非常多的種類，文獻[6-7]給出了形成圓極化的多種方法，例如雙極化合成圓極化、切角、表面開槽、雙饋和平面螺旋天線等多種形式，文獻[8-9]提出通過加載結構可以展寬波束寬度．圖1為平面螺旋、雙層微帶以及加載金屬腔體的雙層微帶3種單元結構中心頻點處的仿真方向圖．可以看出，加載腔體的雙層微帶結構 3 dB 波束寬度最寬，仰角為25°時 (θ=65°) 增益最高．這里選擇加載腔體的雙層微帶結構作為文中相控陣的天線單元．

文中設計的天線單元由上下介質層、中間空氣層以及外圍金屬腔體組成，其結構如圖2所示．上下介質層均為圓形，其半徑分別為ru和rd，高度分別為h1和h3，介電常數εr= 2.65，上下介質層的金屬貼片半徑分別為r1和r2，中間為空氣層，高度為h2；上層金屬貼片為引向貼片，用于提高天線增益，下層金屬貼片有兩個對稱的大小為w×l的矩形開槽，用以實現左旋圓極化，饋電位置在斜45°方向，到貼片圓心距離為px，饋電點后面的矩形大小為w1×l1，用來調節天線的駐波；金屬腔體厚度為t，外徑為ru，總高度為t+h1+h2+h3，用于展寬波束寬度，提高單元低仰角增益，減小單元之間的互耦．利用電磁軟件高頻結構仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)進行優化后，單元的結構尺寸如表1所示．

圖2 天線單元結構示意圖

變量名稱數值變量名稱數值變量名稱數值ru/mm35.00h2/mm15.60w/mm4.36rd/mm30.00h3/mm3.00l/mm17.00r1/mm24.00px/mm24.15w1/mm7.00r2/mm25.90t/mm5.00l1/mm3.53h1/mm1.50εr2.65

1.2 天線陣列結構

按照相控陣的要求和設計指標，以及考慮到天線安裝在運動速度較快的載體表面，整體采用橢圓柱水滴流線型結構來減少風阻，最終設計的相控陣單元排布俯視圖以及坐標系統如圖3所示．天線坐標系統中，φ為方位角，θ為陣列掃描角，與陣列俯仰角互余．天線陣列按照橢圓形進行布局，從內到外一共分為3層，分別有2個、8個和14個天線單元．每個天線單元分別接一個同軸線進行饋電，單元間距為0.55λ0左右．同時，單元之間在空間具有一定的角度旋轉，形成連續旋轉饋電陣列．在遠場方向，所有相控陣單元有一定的空間旋轉，并補償相應的旋轉相位，所有單元的主極化電場相位相同，同相疊加，交叉極化電場方向相反；反向相消，整個天線陣列的交叉極化降低，從而改善陣列的軸比特性．

圖3 相控陣天線陣列排布及其坐標系統

2 天線單元及陣列仿真結果

2.1 天線單元在陣列中的方向圖

由前面的分析可知，相控陣的掃描角度與天線單元的波束寬度相關，天線的波束寬度越寬，陣列的低仰角增益越高，陣列掃描角度就越寬．

文中設計的天線頻段范圍為f1-f2，中心頻點為f0，低頻發射頻段的中心頻點為fL，高頻接收頻段的中心頻點為fH，相對帶寬約為14.3%．圖4為1號天線單元在陣列中的仿真結果．可以看出，單元在整個頻率范圍的電壓駐波比均小于1.3，收發頻段內其軸比均小于 3 dB，圓極化性能較好．頻率在fL處，單元1的最大增益為 4.5 dB，3 dB 波束寬度約為120°; 頻率在fH處，單元1的最大增益為 5.3 dB，3 dB 波束寬度約為120°，天線單元在陣列中波束角度很寬． 當θ=65° 時，天線單元增益為 1.5 dB 左右，低仰角增益較高，可以滿足天線陣列較寬掃描角度的要求．

圖4 單元在陣中仿真結果示意圖

2.2 天線陣列的波束掃描

經過HFSS軟件仿真，可以得到相控陣的增益覆蓋特性．

圖5為天線在方位角φ為0°、90°、180°和270°時，天線在掃描角度θ為0°以及15°、25°、35°、45°、55°、65°(也即仰角為75°、65°、55°、45°、35°、25°)時的增益變化曲線．天線天頂方向增益為 18 dB，天線效率為81%，隨著掃描角度的增大，低高頻中心頻點處的增益則隨之降低．

圖5 陣列在不同方位面內波束掃描時俯仰面的增益變化仿真曲線

圖6 θ=65°時方位面的陣列增益仿真曲線

圖6為相控陣列在掃描角度θ最大65°時，天線在方位角360°范圍內的低高頻中心頻點處的增益變化曲線．可以看出，在同一掃描角面上，陣列天線增益隨方位角φ的變化趨勢基本一致．在要求的掃描范圍內 (0°≤φ≤ 360°，0°≤θ≤ 65°)，24元陣列天線在低高頻中心頻點處的增益均大于 13.5 dB，此時方位面的不圓度小于 2 dB．

3 相控陣的測試結果

圖7為相控陣天線加工組裝的樣機以及測試環境．整個天線系統包括天線陣列、6個四通道三位數字移相器、一分24功分器、電源模塊和控制模塊．其中天線單元連接移相器，移相器和功分器相連，移相器通過電源模塊供電，并經波束控制模塊控制每一個單元的饋電相位．

圖7 相控陣天線樣機實物圖及測試環境

圖8為天線在方位角φ為0°、90°、180°和270°時，天線在掃描角度θ為0°以及15°、25°、35°、45°、55°、65°(也即仰角為75°、65°、55°、45°、35°、25°)時的增益實測變化曲線．可以看出，隨著掃描角度的逐步增大，低高頻中心頻點處的增益則隨之逐步降低．

圖8 陣列在不同方位面內波束掃描時俯仰面的增益變化實測曲線

圖9為相控陣列在θ=65°(也即仰角為25°)時，天線在方位角范圍內的低高頻中心頻點實測增益變化．可以看出，天線在此方位面的增益總體趨勢和仿真結果類似，方位面上的不圓度為 2.5 dB，與仿真結果基本一致．

相控陣列在掃描范圍內(方位角0°≤φ≤360°，掃描角0°≤θ≤65°)，高低頻中心頻點處的增益均在 9.8 dB 以上．圖10為功分器總端口到天線饋電端口24個通道的損耗實測曲線，通道損耗不超過 3 dB．天線實測增益與仿真增益基本一致，其誤差在于:相控陣的輸入相位是仿真得到的理論相位，實際增益比仿真增益低;受測試系統及環境的影響，測量會有實驗誤差，實際測量值會偏低．最終的測量結果在誤差范圍之內，完全滿足設計指標要求．

圖9 θ=65°時方位面的陣列增益實測曲線圖10 低高頻中心頻點處通道損耗實測曲線

4 結 束 語

文中針對目前衛星通信對于終端相控陣的要求，設計了一種S頻段的寬波束、低剖面、小型化的圓極化相控陣天線．相控陣天線單元為雙層微帶結構，使用單饋和表面開槽的形式在頻帶內實現了較好的阻抗匹配和圓極化性能，并增加了外圍腔體展寬波束、減小單元互耦，單元總高度為 21.6 mm，總直徑為 70 mm，陣中 3 dB 波束寬度約為120°．天線陣列總高度為 40 mm，大小為 640 mm× 640 mm，實測在掃描范圍內(方位角 0°≤φ≤ 360°，掃描角 0°≤θ≤ 65°)的增益均在 9.8 dB 以上，有較寬的掃描角范圍，陣列整體采用旋轉饋電結構，也有比較好的圓極化性能，滿足了相控陣的寬角掃描、低剖面、小型化和圓極化等設計要求．

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