Ka頻段雙圓極化相控陣天線設(shè)計(jì)

柏艷英

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Ka頻段雙圓極化相控陣天線設(shè)計(jì)

柏艷英

（中國(guó)西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

設(shè)計(jì)了一個(gè)8×8的Ka頻段雙圓極化相控陣天線。該天線單元采用正交縫隙耦合饋電的多層貼片微帶天線，并由一個(gè)小型化寬帶3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化。為提高天線圓極化性能，依次旋轉(zhuǎn)天線單元，形成2×2雙圓極化天線子陣。以天線子陣為基礎(chǔ)，擴(kuò)展成8×8相控陣天線。HFSS仿真結(jié)果表明，天線在方位360°俯仰±60°范圍內(nèi)進(jìn)行雙圓極化掃描，軸比小于3 dB，且軸比帶寬達(dá)30%。該研究結(jié)果可應(yīng)用于衛(wèi)星通信的雙圓極化相控陣天線的設(shè)計(jì)。

Ka頻段；相控陣天線；雙圓極化；枝節(jié)電橋；旋轉(zhuǎn)陣元技術(shù)；衛(wèi)星通信

圓極化天線信號(hào)能夠被任意極化的天線接收，且具有抗干擾、防雨霧、抗多路徑效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。相控陣天線具有波束掃描的快捷、靈活和近無慣性性能，同時(shí)具有體積小、質(zhì)量小、發(fā)射功率大、傳輸高數(shù)據(jù)率和抵抗有害環(huán)境條件等優(yōu)點(diǎn)，常適用于衛(wèi)星通信天線。如美國(guó)防御衛(wèi)星通信系統(tǒng)（DSGS）采用X波段雙圓極化相控陣天線實(shí)現(xiàn)潛艇的上行和下行傳輸數(shù)據(jù)[1]，我國(guó)發(fā)展了基于S頻段終端通過中繼衛(wèi)星進(jìn)行運(yùn)載火箭天基遙測(cè)[2]。核潛艇在航行及運(yùn)載火箭、導(dǎo)彈在飛行的過程中姿態(tài)變化大，數(shù)據(jù)傳輸速率高，而X波段和S頻段相控陣天線的傳輸速率不高，無法滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑢⑻炀€頻段提高到Ka頻段，可在很大程度上提高數(shù)據(jù)傳輸能力，最近意大利發(fā)展了Ka頻段相控陣天線實(shí)現(xiàn)了通信應(yīng)用[3]。

文獻(xiàn)[3]中的Ka頻段相控陣天線是由兩個(gè)相距很近的左右旋圓極化相控陣天線構(gòu)成，分別用于發(fā)射和接收。當(dāng)天線的口徑尺寸有限時(shí)，發(fā)射天線和接收天線采用陣元相互交錯(cuò)排列的兩個(gè)左右旋圓極化相控陣天線[4]。為進(jìn)一步減少天線口徑尺寸，提高口徑利用率，并降低天線成本，需探求雙圓極化相控陣天線，同時(shí)實(shí)現(xiàn)發(fā)射和接收雙重通信，而關(guān)于Ka頻段的雙圓極化相控陣天線設(shè)計(jì)很少見報(bào)道。

本文設(shè)計(jì)一個(gè)8×8的Ka頻段雙圓極化相控陣天線，是通信時(shí)的收發(fā)共用天線。該天線單元采用正交縫隙耦合饋電的多層貼片寬帶微帶天線，并由一個(gè)小型化寬帶3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化功能。為提高相控陣天線在掃描過程中的圓極化性能，依次順序旋轉(zhuǎn)天線單元，形成2×2雙圓極化天線子陣。以天線子陣為基礎(chǔ)，擴(kuò)展成8×8相控陣天線。相控陣天線在方位360°、俯仰±60°范圍內(nèi)進(jìn)行雙圓極化掃描，軸比小于3 dB，且軸比帶寬達(dá)30%。該相控陣研究為類似頻段衛(wèi)星通信的雙圓極化相控陣天線的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

1 Ka頻段雙圓極化天線單元設(shè)計(jì)

該天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中(a)為天線3D視圖，(b)為天線的透視圖。天線由三個(gè)部分共7個(gè)金屬層和7個(gè)介質(zhì)層構(gòu)成，從上到下依次為天線部分、饋線部分和圓極化結(jié)構(gòu)部分。天線部分包括從輻射面（圓形貼片）、主輻射面（方形貼片）、介質(zhì)腔、介質(zhì)層1和介質(zhì)層2，介質(zhì)腔用于增大天線帶寬。饋線部分由兩個(gè)正交矩形縫隙地板1、兩個(gè)正交饋線層、介質(zhì)層3、介質(zhì)層4和地板2構(gòu)成帶狀線結(jié)構(gòu)，兩個(gè)正交矩形縫隙地板1也作為天線部分的地板。在介質(zhì)層3和介質(zhì)層4上設(shè)計(jì)金屬化過孔，包圍兩正交矩形縫隙，形成基片集成波導(dǎo)腔。圓極化結(jié)構(gòu)由3 dB枝節(jié)電橋、地板3、介質(zhì)層5、介質(zhì)層6及饋線部分的地板2構(gòu)成帶狀線結(jié)構(gòu)。

兩個(gè)正交饋線通過兩個(gè)正交的矩形縫隙耦合能量，激勵(lì)起兩種正交模式，實(shí)現(xiàn)垂直和水平極化工作狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)正交饋線饋入能量幅度相等，相位相差±90°時(shí)，天線工作于左旋圓極化或右旋圓極化狀態(tài)。該天線通過帶狀線結(jié)構(gòu)的3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化特性。

天線工作于Ka頻段，采用HFSS軟件進(jìn)行仿真。介質(zhì)腔和各介質(zhì)層的厚度和相對(duì)介電常數(shù)分別為：cave=1 mm，rcave=3.5；1=0.254 mm，r1=2.2；2=0.381 mm，r2=2.2；3=4=0.15 mm，r3=r4=4.5；5=6=0.254 mm，r5=r6=2.2。經(jīng)優(yōu)化后天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：p=3.55 mm，=3.5 mm，1=0.2 mm，1=2.9 mm，2=0.2 mm，2=1.9 mm，3=0.4 mm，3=2.1 mm，4=0.2 mm，4=1.7 mm，5=0.4 mm，5=2.3 mm。

該天線通過帶狀線結(jié)構(gòu)的3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化特性。要覆蓋與天線相同帶寬的3 dB枝節(jié)電橋，其一般的尺寸是多個(gè)0/4，這不利于天線在陣列中應(yīng)用。為減少結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，利用0/4等效傳輸線法設(shè)計(jì)一個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的寬帶小型化枝節(jié)3 dB電橋如圖2所示[5]，其仿真參數(shù)如圖3所示。由圖3可見，在天線工作的頻帶內(nèi)L和H（H=L+2.5 GHz），該電橋4個(gè)端口的回波損耗小于–15 dB，端口之間的隔離度也小于–15 dB，兩條通路21與31之間的相位差小于5°，幅度平衡度小于1 dB。

圖2 小型化枝節(jié)3 dB電橋

圖3 小型化枝節(jié)3 dB電橋S參數(shù)

圖4為天線雙端口駐波特性，VSWR<2時(shí)，天線的阻抗帶寬大于30%，軸比AR<3的軸比帶寬為25%。天線軸比方向和增益方向分別如圖5和圖6所示，在頻點(diǎn)L的軸比和增益分別為2.38 dB和6.77 dBi，在頻點(diǎn)H的軸比和增益分別為0.9 dB和6.91 dBi（圖上列出了頻點(diǎn)L左旋圓極化，頻點(diǎn)H右旋圓極化）。

圖4 雙端口駐波特性

2 Ka頻段雙圓極化相控陣設(shè)計(jì)

為提高圓極化陣列天線的軸比性能，常采用旋轉(zhuǎn)天線單元的方法。圖7是2×2雙圓極化天線子陣，四個(gè)天線單元依次旋轉(zhuǎn)90°，在每個(gè)天線3 dB電橋的RHCP端口順時(shí)針依次補(bǔ)償–90°相位差，以實(shí)現(xiàn)子陣的右旋圓極化；在每個(gè)天線3 dB電橋的LHCP端口逆時(shí)針依次補(bǔ)償–90°相位差，以實(shí)現(xiàn)子陣的左旋圓極化。

圖5 天線軸比方向圖

圖6 天線增益方向圖

圖8是2×2子陣的法向增益方向圖，在頻點(diǎn)L的增益10.91 dBi，左旋圓極化軸比為 0.007 dB，在頻點(diǎn)H的增益12.21 dBi，右旋圓極化軸比為0.005 dB。

將16個(gè)2×2子陣擴(kuò)展成8×8天線陣列，并按公式（1）饋入相位，實(shí)現(xiàn)雙圓極化相控陣掃描。公式（1）中，I、E()和Ф是第個(gè)天線單元的幅度、方向圖和初始相位。在所有LHCP端口和RHCP端口分別按子陣的左旋方式和右旋方式分別補(bǔ)償初始相位，實(shí)現(xiàn)相控陣雙圓極化掃描，其掃描增益方向圖如圖9所示，掃描中的軸比與增益如表1所示。天線陣列在±60°范圍內(nèi)掃描，軸比小于3 dB，且在整個(gè)阻抗范圍內(nèi)軸比都小于3 dB。在最大掃描角位置，天線的低頻增益下降3 dB左右，高頻增益下降較大，約5.5 dB。可通過調(diào)整陣元間距，減少增益下降程度。

圖8 2×2子陣的法向增益方向圖

圖9 8×8天線陣列掃描增益方向圖（方位面）

表1 8×8相控陣天線掃描特性

Tab.1 Scanning characteristics of 8×8 phased array antenna

3 結(jié)論

設(shè)計(jì)了一個(gè)8×8的Ka頻段雙圓極化相控陣天線，該天線具有三個(gè)特點(diǎn)，一是天線單元采用小型化寬帶3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化功能，結(jié)構(gòu)緊湊；二是采用順序旋轉(zhuǎn)天線單元，形成2×2雙圓極化天線子陣，提高了天線在掃描過程中的雙圓極化性能；三是天線剖面低、帶寬寬，阻抗和軸比帶寬都能達(dá)30%。該相控陣研究為類似頻段衛(wèi)星通信的雙圓極化相控陣天線的設(shè)計(jì)提供了指導(dǎo)。

[1] LEE K M, EDIE J, KRUEGER R, et al. A low profile X-band active phased array for submarine satellite communications [C]// Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. NY, USA: IEEE, 2000: 231-234.

[2] 張勁松, 劉靖, 高祥武. 基于中繼衛(wèi)星的運(yùn)載火箭遙測(cè)傳輸技術(shù)[J]. 導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù), 2009(6): 11-15.

[3] TRIPODI M, DIMARCA F, CADILI T, et al. Ka band active phased array antenna system for satellite communication on the move terminal [C]//Proceedings of 2012 IEEE First AESS European Conference on Satellite Telecommunications. NY, USA: IEEE, 2012.

[4] LUO Q, ZHANG L, GAO S, et al, Interleaved dual-band circularly polarized active array antenna for satellite communications [C]//Proceedings of 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation. NY, USA: IEEE, 2015: 1-5.

[5] TANG C W, CHEN M G. Synthesizing microstrip branch-line couplers with predetermined compact size and bandwidth [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(9): 1926-1934.

（編輯：陳渝生）

Design of Ka-band dual circularly polarized phased array antenna

BAI Yanying

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

An 8×8 Ka-band dual circular polarization phased array antenna was designed. The antenna elements were multilayer microstrip antennas and each element was coupled fed by two orthogonal slots and consists of a miniaturized broadband 3 dB branch-line coupler (BLC) to achieve dual circular polarization. In order to improve the performance of the circular polarization of the proposed antenna, four elements were rotated in turn to form a 2×2 dual circular polarization sub-array. Based on the 2×2 sub-array, an 8×8 phased array antenna was fabricated. The HFSS simulating results show that the array antenna can scan in the range of 60° and the azimuth of 360° with dual circular polarization. The axial ratio is less than 3 dB and the axial ratio bandwidth is up to 30%. The research of this array antenna can be used for the design of dual circular polarization phased array antenna of satellite communication.

Ka-band; phased array antenna; dual circularly polarized; branch-line coupler; rotating array element technique; satellite communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.009

TN702

A

1001-2028（2017）11-0047-05

2017-08-30

柏艷英（1978－），女，湖南祁陽(yáng)人，博士，主要從事相控陣天線研究，E-mail: yanying_bai@163.com。

2017-11-02 15:46

網(wǎng)絡(luò)出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1546.009.html