一種中心饋電圓極化天線設計

薛玲瓏，方文婷，許 娟，季 超，渠芬芬

(上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109)

0 引言

隨著衛星通信技術的發展，相控陣天線技術越來越多地應用到衛星通信領域。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星通信技術的首選天線形式。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。喇叭天線為實現圓極化輻射需增加圓極化器進行饋電，其剖面縱向尺寸較大，重量重；振子天線由于要實現平衡到不平衡的饋電變換和圓極化功能，其振子尺寸較小，實際工程實現難度大且剖面高，不利于集成化設計。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構的特點，而且能與有源電路一起集成，可用印刷電路技術進行批量成產，成為運用于衛星通信相控陣天線的首選天線形式。

本文設計了一種應用于星載Ka數傳相控陣天線子系統的圓極化天線，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天線單元順序旋轉饋電改善陣面帶內圓極化性能；該設計與現有中心饋電圓極化天線[10-12]比，性能穩定的同時，結構簡單，不需要背腔結構，沒有復雜的饋電網絡。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，大大降低射頻網絡的設計難度。

1 圓極化天線陣面設計

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模為24×16(基本輻射單元數)，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°設計。考慮到發射波束寬度，對輻射單元間距進行修正，最終取輻射單元的間距dx=6 mm，dy=6 mm。根據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，每個輻射單元與發射T組件通道一一對應，以實現二維大角度掃描，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指標，綜合考慮結構布局，采取以下設計措施：

① 采用8通道聯裝T組件，降低T組件的空間占用；

② 每個輻射單元對應一個獨立的有源發射通道，實現二維相控掃描；

③ 8通道聯裝T組件與輻射單元采用直插互聯，以減少插損、提高系統集成度；

④ 輻射單元采用中心饋電結構，引入順序旋轉結構改善圓極化特性，且不改變射頻接口位置，以便于和有源發射T組件垂直互聯，進一步解決了緊湊型設計的結構難題。

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(復矢量)、x軸向坐標、y軸向坐標；β代表電磁波在空氣中的傳播常數。圖2為陣面坐標示意。

圖2 陣面坐標示意Fig.2 Arraycoordinates diagram

天線陣面方向圖仿真數據均采用HFSS 2015計算單元方向圖，按式(2)算法進行后處理計算；F(θ,φ)為增益方向圖，坐標關系參考圖2 。

天線工作時，所有單元等幅、每4個單元一組順序旋轉90°(通過設置激勵相位實現)工作，以獲得最大輻射效率以及最優的圓極化性能。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，由仿真結果可見，天線陣面方位、俯仰掃描角度為±60°時不出現柵瓣， 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 輻射單元設計

2×2順序旋轉天線單元采用如圖4所示的結構形式。

圖4 2×2順序旋轉天線單元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#輻射單元在結構上順時鐘旋轉90°。其中圓極化輻射單元饋電位置在貼片中心位置，在圓環形輻射貼片上引入2個對稱的微擾結構，微擾面積△s，圓環外徑2×r3，內徑2×r2，通過微帶中心的半徑為r的通孔進行激勵，上層輻射圓環形貼片中心焊盤(半徑r1)與張角為θ的2個枝節實現輻射激勵信號的傳遞，同時2個枝節結構也用于提高輻射貼片的阻抗帶寬。

按厚度為0.508 mm的Rogers5880的參數進行仿真建模，根據圖4給出的參數化模型對輻射單元進行各參數優化設計，最后得到的各參數值如表1所示。

表1 優化設計的天線單元參數

根據以上方法，在Ka波段加工了多根中心頻率為25.85 GHz，順序旋轉結構的12×2天線陣，饋電射頻接頭采用SSMP接頭。

采用矢量網絡分析儀實測天線陣中單元的駐波，測試結果顯示，在24.7～27 GHz頻率范圍內VSWR<1.5，仿真和測試結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Fig.5 Measured andsimulated VSWR of antenna unit,and actual picture

微帶片通過3個聚酰亞胺介質螺釘固定在鋁合金結構板上，以降低螺釘對天線電性能的影響。實測結果表明，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順序旋轉天線陣面的實測方向圖、軸比特性，仿真結果顯示，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 順序旋轉天線陣面實測方向圖Fig.8 Sequential rotating array measured pattern

圖9 順序旋轉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波束范圍內軸比對稱性符合預期，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，導致實測軸比偏大。由此可知，當該天線用于相控陣天線系統時，軸比性能對系統各種誤差的敏感度非常低，可以大大降低系統的設計難度。

3 結束語

本文詳細介紹了一種中心饋電圓極化天線設計，并將天線陣面應用于星載相控陣數傳分系統。采用2個帶張角的枝節進行中心饋電，有效地擴展了微帶貼片輻射單元的阻抗帶寬，并對測試結果進行分析，實現VSWR≤1.5的8.9%的實測帶寬；天線陣方位、俯仰掃描角度均達到±60°，采用順序旋轉實現穩定、優異的圓極化輻射性能，設計思路和設計方法具有很好的可擴展性。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頻段數傳系統中已經得到了應用。