一種星載Ka頻段平面反射陣列天線設計

楊 帥，楊 琳，夏龍安，劉任宸，蔣應富

（上海衛星工程研究所，上海201109）

0 引言

星載數據傳輸天線在衛星有效載荷系統中占有非常重要的地位，衛星數據傳輸系統主要是使用星載數據傳輸天線對地面站或其它衛星進行波束指向和無線輻射，確保數據的星地及星間可靠傳輸。遙感衛星領域的迅速發展，對星載數傳天線提出了高增益、高頻率、寬頻段的使用需求。

在目前的星載數據傳輸系統中，應用較多的是拋物面天線和傳統的微帶貼片陣列天線。拋物面天線由反射面和空饋系統構成，結構簡單，可以工作在很寬的頻段內，但是其機身笨重、體積大，工作在毫米波波段對曲面加工精度要求高，且無法與衛星星體進行共形設計。傳統的微帶貼片陣列天線加工簡單、體積小，但是需要復雜的功分饋電網絡，在毫米波波段帶來極大的功率損耗。平面反射陣列天線則綜合了兩者的優點，采用空間饋電的方式對陣列進行饋電，保證了天線較高的工作效率，具有質量輕、饋電簡單、易于和衛星共形設計等優點，在星載領域中具有廣闊的應用前景[1-4]。

平面反射陣列天線設計的關鍵技術是如何補償由于饋源到各個貼片的路徑不同所造成的相位差，從而實現反射面等相位分布。因此，國內外學者針對相位補償方法和貼片單元形式開展了較多研究，提出了加載傳輸線單元[5]、可變尺寸單元[6]、旋轉單元[7]等不同方法。但是，加載傳輸線單元由于開路相移線的存在，單元所占面積較大，陣列上可放置單元數量較少，天線輻射效率低下；可變尺寸單元在單元數較多、尺寸變化劇烈時，仿真結果與實際情況偏離較大，導致陣列輻射效率降低；傳統的旋轉單元尺寸相同且都工作在諧振頻率，具有較好的增益帶寬性能，但是單元尺寸易重疊，會造成實際單元間距較大，降低天線效率。

本文為適應星載數據傳輸的需求，提出了一種Ka頻段平面反射陣列天線設計方案，采用新穎的方環形切角貼片單元和空間饋電反射陣列天線設計，減小了單元尺寸，提高了口面單元數，具有高增益、高可靠性、低成本、低功耗等優點。本文完成了該天線的方案設計及各模塊實現，并給出了天線的實測結果。通過該方法可以進行大口徑平面反射陣列天線設計，滿足高速星載數據傳輸系統對天線高增益、高效率以及輕質量的需求。

1 天線設計

1.1 設計原理

根據星載數據傳輸的高速率、寬頻段的需求，天線工作帶寬要求大于400 MHz，天線法向增益要求優于23.5 dBi。同時，星體布局空間有限，這對天線提出了質量輕、尺寸小的要求。因此，本文的設計難點在于如何在天線口面受限的情況下，進行貼片單元小型化設計，從而在有限陣面中布置盡可能多的單元，實現天線的高增益性能。為了解決此問題，本文提出了新穎的方環形切角貼片單元設計。微帶貼片單元通過中心旋轉方式進行相位補償，減小天線單元尺寸，縮小單元間距，避免單元間重疊。同時，合理設計每個單元的旋轉方向以補償從饋源到貼片的相位延遲，實現了良好的相移特性和較好的相位補償效率，從而提高了天線輻射效率。通過該設計方法，實現了天線法向增益大于23.5 d Bi、半功率波束寬度大于6.5°、帶內軸比優于3 dB等性能指標。

天線由平面反射陣單元、圓極化螺旋饋源和天線機構框架組成，采用平面結構代替了拋物面復雜的曲面結構，采用空間饋電方式避免了設計較為復雜的饋電網絡，通過控制平面上各個微帶單元的尺寸或者旋轉不同角度實現不同的相移量，以達到補償饋源照射到陣面的空間路徑造成的相位延時，達到同相輻射的遠場高增益特性。饋源用于發射電磁波，反射陣面包含若干微帶貼片單元，用于將饋源發出的電磁波散射成平面波，或者接收平面波匯聚至饋源上，天線結構框架用于連接饋源和反射陣面，如圖1所示。

圖1 微帶平面反射陣列原理

1.2 饋源設計

選取合適的饋源對反射陣列天線的設計尤為重要，尤其是圓極化饋源的軸比帶寬會直接影響反射陣的軸比帶寬。在設計時需要滿足以下要求：一是盡量減小饋源口徑面大小，避免遮擋；二是選擇合適的焦徑比以完成對陣列的能量輸入，獲得較好的增益方向圖特性；三是饋源的工作帶寬要足夠寬，保證反射陣天線的工作帶寬不受影響；四是具有較好的交叉極化特性及大功率容量，減小交叉極化分量對主極化波的影響從而提升陣列性能。

因此，采用了圓極化螺旋饋源形式作為反射陣列天線饋源，其輻射模式符合式（1）-（4）：

式中，L0=12.88 mm為一圈的平均周長，D=4 mm為螺旋直徑，S=2.85 mm為螺距，α=12.77°為螺距角，N=10為圈數，L=28.5 mm為天線軸長。

根據陣列天線照射效率、溢出效率關系，選取饋源邊緣照射電平為-10 d B，焦徑比為0.85，對應的饋源天線計算的增益約為15.0 dB左右。仿真模型圖如圖2所示。

圖2 饋源仿真模型圖

采用Ansoft HFSS軟件進行仿真，得到饋源的電性能如圖3、圖4所示。由仿真圖可以看出，饋源極化方式為右旋圓極化，最大增益為14.4 d B，10 d B波束寬度為64°，符合反射陣列天線對饋源電性能的要求。

1.3 微帶貼片單元設計

具有較好相移特性的單元設計是平面反射陣設計的核心所在，一般而言，為了獲得較好的相位補償效率，360°的相位調控是基本條件。本文提出的微帶貼片單元采用方環形切角貼片形式，通過中心旋轉方式進行相位補償，通過合理設計每個單元的旋轉方向以補償從饋源到貼片的相位延遲。天線陣列單元仿真模型如圖5所示。

圖3 饋源輻射方向圖

圖4 饋源±30°范圍內的軸比曲線

圖5 天線陣列單元仿真模型圖

為得到所需的圓極化性能，切角大小a設計為1.14 mm。貼片單元尺寸W選取通過經驗公式（5）確定，然后再進行仿真優化，最終設計為3.9 mm。

式中，c為光速，f為工作頻率，εr為基板相對介電常數。

在反射陣單元設計時，采用基于有限元的HFSS軟件對單元進行特性分析研究。通過主從邊界設置，并采用Floquet端口激勵方法模擬單元在無限大周期排布下的電磁特性。天線單元采用矩形切角貼片形式，通過內部切槽增加天線電容，降低Q值以增加工作帶寬。通過微帶單元方向旋轉與結構微擾實現反射相位的變化。當單元以Φ°旋轉時，所能實現的反射相位為2Φ°，故單元僅需實現180°的旋轉角度就能達到360°的移相調控。這種結構一定程度上減少了相鄰單元的互耦，有效地增加了帶寬，降低了交叉極化。通過對饋電線寬度進行調整，得到較好的天線阻抗，優化后饋電線寬度設計為1.66 mm。

1.4 陣列設計

應用上述單元，構建了一個中心饋電的平面反射陣，其直徑小于134 mm、單元數為208。根據饋電螺旋的相位中心位置P及微帶貼片單元陣列的位置Pi確定每個微帶貼片單元需要的初始相位，如式（6）所示：

通過對微帶貼片單元的旋轉進行初始配相（旋轉角度為φideg/2），使得天線初始波束為反射陣面的法向方向。考慮到饋源照射到陣列邊緣要比照射中心能量低，故中心區域的單元對陣列貢獻大于邊緣位置，通過合理分配單元分布達到高效率輻射特性。由于天線陣面中心對稱，將天線分為四個區。在陣列中單元所處位置不同使得饋源入射波照射到每個單元的路徑有所不同，這種路徑不同造成的相位差別就是空間相位延遲，這里給出四分之一陣面一區初始配相延遲數據如圖6所示。

圖6 天線陣面

為驗證該方法的可行性，對天線陣列進行了電性能全波仿真，如圖7、圖8所示。由仿真數據可知，天線最大增益為25.7 dB，半功率波束寬度為7.6°，0°方向軸比為0.96 dB，仿真結果符合天線的設計要求。

圖7 陣列天線輻射方向圖

圖8 陣列軸比曲線

2 天線性能實測結果與分析

為了進一步對該設計方法的正確性進行驗證，利用天線近場測試系統對天線輻射性能進行測試。天線實物圖如圖9所示，測試連接框圖如圖10所示。

圖9 天線實物圖

天線在工作頻段內的測試結果如圖11-13所示，天線實測最大增益為25.5 d B，口徑效率為37%，波束寬度7.0°，達到實際的應用需求。通過將天線仿真結果、實測結果和設計要求進行比對分析（見表1），可以證明實測結果與仿真結果基本一致，天線在工作頻段內特性穩定、方向圖一致性較好。因此，該設計方法提出的平面反射陣列天線具有高增益及較寬的工作頻帶特性，可以滿足星載數據傳輸應用需求。

圖10 天線近場測試狀態圖

圖11 f0-200 MHz頻點天線實測方向圖

圖12 f0頻點天線實測方向圖

圖13 f0+200 MHz頻點天線實測方向圖

表1 設計指標要求與仿真、實測結果對比

3 結束語

本文為適應星載數據傳輸的需求，提出了一種星載Ka頻段平面反射陣列天線設計方法，通過采用方環形切角貼片中心旋轉方式實現相位補償，使每個微帶貼片單元在某個方向上相位達到同相，最終實現圓極化波束性能。通過對實測數據進行分析可知，天線最大增益為25.5 dBi，口徑效率為37%，半功率波束寬度7.0°。分析結果表明，該天線設計合理可行，可推廣應用于空間飛行器數據傳輸系統。未來可在該設計實例基礎上引入移相器設計，實現靈活的波束掃描能力，從而進一步提高平面反射陣列天線的性能，拓展其應用范圍。■