高增益圓極化星載相控陣天線設(shè)計(jì)

金宇婷，邢斯瑞，沈晨陽，常俊德，張士偉

（長光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，吉林 長春 130000）

0 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展，衛(wèi)星廣泛地應(yīng)用在民用、軍用、商業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)等各大領(lǐng)域[1-4]。其中，光學(xué)衛(wèi)星因其諸多優(yōu)點(diǎn)[5-7]，如：（1）數(shù)據(jù)獲取較易且迅速，同時(shí)變量較廣，極大降低了研究成本；（2）影像分辨率較高，滿足多種使用需求；（3）數(shù)據(jù)覆蓋較廣，部分?jǐn)?shù)據(jù)收集頻率較高，且收集不受當(dāng)?shù)刈児驶蛘咦儎?dòng)影響。但由于星載相機(jī)的分辨率越來越高，導(dǎo)致圖像數(shù)據(jù)日益增大，給數(shù)據(jù)下傳造成了巨大壓力。相比于無源定向的衛(wèi)星天線[8]，相控陣天線因其高增益、可傳輸范圍大等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用[9-15]。

本文依托吉林一號(hào)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，提出了一款星載X 波段高增益小型圓極化可寬角度電掃的相控陣天線，可以滿足在低軌軌道上建立穩(wěn)定的無線通信，以完成吉林一號(hào)的圖像視頻傳輸任務(wù)。其性能優(yōu)良,工作在X 波段，采用底饋技術(shù)和貼片開槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)陣元小型化，貼片對(duì)稱切角技術(shù)實(shí)現(xiàn)圓極化，陣列錯(cuò)層排布使其陣列輻射性能優(yōu)良，尤其是軸比指標(biāo)優(yōu)化較為明顯，同時(shí)相比同性能天線具有更小的尺寸。吉林一號(hào)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)包含多顆視頻圖像衛(wèi)星，此天線可為其圖像視頻數(shù)據(jù)下傳提供無線保障，同時(shí)也為X 波段高增益圓極化可寬角度電掃的星載相控陣天線的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。

1 相控陣天線系統(tǒng)功能及組成

相控陣天線的主要功能是在衛(wèi)星飛行過程中接收上位機(jī)的射頻信號(hào)，進(jìn)行功率放大和濾波處理，最終由天線陣面輻射出去。并且相控陣天線應(yīng)實(shí)時(shí)解算上位機(jī)送過來的角度信息，并控制各個(gè)通道的相移，使得波束始終指向數(shù)據(jù)地面接收站，實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的對(duì)地傳輸，保證無線信號(hào)的質(zhì)量、能量和指向無誤。

相控陣天線由4 大模塊組成，分別是天線陣面模塊、發(fā)射組件模塊、波束控制模塊以及電源模塊。相控陣天線組成框圖如圖1 所示。

圖1 相控陣天線組成框圖

2 相控陣天線陣面設(shè)計(jì)

2.1 相控陣天線陣元設(shè)計(jì)與仿真

微帶天線的結(jié)構(gòu)一般由介質(zhì)基板、輻射體和接地板構(gòu)成。介質(zhì)基板的厚度遠(yuǎn)小于天線設(shè)計(jì)的電磁波波長，基板底部的金屬薄層與接地板相接，正面則通過光刻或真空鍍膜技術(shù)制作具有特定形狀的金屬薄層作為輻射體，其形狀可根據(jù)要求進(jìn)行多種變化。天線基本陣元采用正方向貼片原型，其邊長理論值為：

式中：c 為光速；f 為設(shè)計(jì)天線的工作頻率，本設(shè)計(jì)中天線的工作頻率為8.2 GHz；εr為介質(zhì)基板的相對(duì)介電常數(shù)，本設(shè)計(jì)中為2.2。

本設(shè)計(jì)采用的饋電方式為底饋即同軸線饋電。其優(yōu)點(diǎn)為饋電點(diǎn)位置可以自由選擇，便于匹配；同軸接頭位于貼片下方，由于接地板的存在，饋線對(duì)天線的輻射影響較小；同時(shí)此饋電方式與其他方式相比可以減小天線的整體尺寸，結(jié)構(gòu)簡單便于制作調(diào)試，便于整體小型化。

同時(shí)本設(shè)計(jì)采用在微帶貼片對(duì)角線切角的方式引進(jìn)微擾，當(dāng)電磁波流過貼片表面時(shí)，因其路徑不等，導(dǎo)致輻射電場(chǎng)分量以螺旋式前進(jìn)，即形成了圓極化波，此種方式結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于制作。

采用了微帶天線貼片表面開槽技術(shù)，切斷了原先的表面電流路徑，使電流繞槽邊曲折流過而路徑變長，貼片等效尺寸相對(duì)增加，諧振頻率降低，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)小型化。天線陣元模型如圖2 所示（為突出天線陣元結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板有截取），具體尺寸如表1 所示。

圖2 天線陣元模型圖

表1 微帶天線尺寸數(shù)據(jù)（mm）

本文采用仿真軟件進(jìn)行建模仿真，具體結(jié)果如下。天線陣元回波損耗仿真結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可知，在諧振頻率8.2 GHz 處回波損耗S11<-20 dB，10 dB 天線帶寬為7.912～8.652 GHz，共0.74 GHz，相對(duì)帶寬為9%，匹配性能良好。圖4 為天線陣元仿真的軸比圖，可以看到，中心處軸比為1.7 dB，E 面和H 面在大角度范圍內(nèi)都比較平滑且小于3 dB，可見圓極化性能良好。圖5 為天線陣元方向圖的仿真結(jié)果，

圖3 天線陣元回波損耗圖

圖4 天線陣元軸比圖

圖5 天線陣元方向圖

由圖可知，在諧振頻率法向方向增益為5.5 dB，前后比大于30 dB，半功率波瓣寬度大于100°，曲線平滑，輻射性能良好。圖6 為天線陣元增益隨頻率變化的仿真結(jié)果。由圖可知，在7.6 GHz～9 GHz 頻段內(nèi)，天線增益比較平滑，均大于3 dB，在中心頻點(diǎn)8.2 GHz 處達(dá)到增益峰值5.5 dB，微帶陣元輻射性能良好。

圖6 天線陣元增益隨頻率變化圖

2.2 相控陣天線陣列設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一款12 陣元的微帶天線陣列。采用3×4的陣列排布，如圖7 所示。采用相鄰兩排錯(cuò)位排布，優(yōu)點(diǎn)如下：

圖7 天線陣列結(jié)構(gòu)排布圖

（1）整體增益最優(yōu)，輻射效率大；

（2）圓極化性能進(jìn)一步提升；

（3）整體尺寸最小。

天線陣列的介質(zhì)基板大小為84 mm×47 mm，介電常數(shù)為2.2。每一橫排的4 個(gè)陣元為一個(gè)子陣，由一個(gè)一分四的功分電路連接在一起，3 個(gè)子陣分別和前端的3路發(fā)射通道相連接。通過仿真，整體天線陣列輻射性能良好。

3 相控陣天線發(fā)射組件模塊設(shè)計(jì)

發(fā)射組件由驅(qū)動(dòng)放大、饋電網(wǎng)絡(luò)、3 個(gè)四通道組件以及結(jié)構(gòu)件等組成。首先，射頻信號(hào)將進(jìn)入發(fā)射組件模塊，經(jīng)過1 個(gè)公共端，公共端包括一分三的饋電網(wǎng)絡(luò)，其主要作用為將激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行預(yù)放大和功率分配。然后信號(hào)進(jìn)入3 個(gè)四通道發(fā)射模塊，共分為12 路饋送到12 個(gè)天線陣元上，發(fā)射模塊主要完成射頻信號(hào)的放大、移相和濾波的功能。每個(gè)通道具備通道單獨(dú)開斷的功能，便于相控陣天線的調(diào)試與測(cè)試，同時(shí)具備采集溫度信息的能力。每個(gè)組件單獨(dú)供電，具有獨(dú)立的數(shù)據(jù)接口，可以單獨(dú)拆卸、更換，便于后續(xù)產(chǎn)品的升級(jí)與擴(kuò)展，為其提供接口。三通道發(fā)射模塊原理框圖如圖8 所示。

圖8 三通道發(fā)射模塊原理框圖

本模塊均選用成熟器件和工藝生產(chǎn)線，布局布線合理規(guī)范，保證多通道的一致性問題。同時(shí)合理選擇末級(jí)功放、隔離器、輸入放大器、移相器等重要器件，保證單通道通帶內(nèi)平坦度、三階交調(diào)、通道間幅度不一致性、二次諧波抑制、輸入駐波和移相等滿足整機(jī)指標(biāo)。

4 相控陣天線波束控制模塊設(shè)計(jì)

波束控制單元主要由FPGA 電路、電源電路、時(shí)鐘電路、下載電路、配置芯片、Flash 存儲(chǔ)器、RS422 通信接口、溫度采集電路等組成。其工作原理框圖如圖9 所示，主要功能如下：

圖9 波束控制單元工作原理框圖

（1）電源轉(zhuǎn)換：由衛(wèi)星電源分系統(tǒng)為其供電，波束控制模塊內(nèi)部進(jìn)行二次電源轉(zhuǎn)換，為波束控制單元內(nèi)的各個(gè)電路提供所需的電源。

（2）解算角度：根據(jù)上位機(jī)發(fā)送過來的天線波束指向角度信息，通過計(jì)算得出各天線單元的相位，并利用查表得出各發(fā)射組件內(nèi)移相器的控制數(shù)據(jù)，完成對(duì)移相器的控制，從而達(dá)到相控陣天線電掃的功能。

（3）相控陣天線狀態(tài)采集：可以采集波束控制單元的工作狀態(tài)信息與天線狀態(tài)信息，以此可以查看相控陣天線工作的多種工況。

波束控制模塊FPGA 軟件功能模塊分為很多子模塊。指令接收模塊是根據(jù)通信協(xié)議接收由上位機(jī)發(fā)送過來的串口數(shù)據(jù)，判斷幀頭和幀尾，并進(jìn)行校驗(yàn)操作。指令解析與處理模塊可以根據(jù)指令接收模塊接收的信息，判斷指令，并進(jìn)行指令的處理與任務(wù)的分發(fā)與協(xié)調(diào)。遙測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊可以將需要回傳的信息根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行組幀并發(fā)送給上位機(jī)。指向精度修正模塊在接收到正確的角度信息時(shí)，可以把接收到的角度數(shù)據(jù)根據(jù)插值算法和修正數(shù)據(jù)映射到新的指向角度。修正數(shù)據(jù)由整體相控陣天線整機(jī)測(cè)試提供，插值算法為一維線性插值。函數(shù)計(jì)算模塊可以根據(jù)修正后的指向角度，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的正弦、余弦值。相位計(jì)算模塊則根據(jù)指向角度和三角函數(shù)值計(jì)算每個(gè)通道的相位值。相位計(jì)算公式為：φ=（x·cosφ+y·sinφ）·sinθ·2π/λ，其中，φ 是方位角，θ 是俯仰角，λ 是波長。相位補(bǔ)償模塊把相位計(jì)算的結(jié)果與通道校準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及相位補(bǔ)償數(shù)據(jù)相加，得到最終的相位值。移相器接口模塊直接對(duì)移相器進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制整體相控陣天線波束指向的目的。參數(shù)設(shè)置模塊可以由上位機(jī)軟件控制數(shù)據(jù)寫入和替換，可存儲(chǔ)指向修正數(shù)據(jù)和相位補(bǔ)償數(shù)據(jù)。溫度數(shù)據(jù)采集模塊用于采集溫度遙測(cè)數(shù)據(jù)，并發(fā)送給指令回饋模塊。復(fù)位模塊用于實(shí)現(xiàn)上電初始復(fù)位和指令復(fù)位功能，方式采用異步復(fù)位、同步釋放。波束控制模塊FPGA 軟件功能模塊組成框圖如圖10 所示。

圖10 波束控制模塊FPGA 軟件功能模塊組成

5 相控陣天線電源模塊設(shè)計(jì)

電源模塊主要由DC-DC 器件構(gòu)成，并配備外圍濾波電路、保護(hù)電路和緩起電路。電源模塊將外部一次電源供電轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品內(nèi)部和組件所需的二次電源。電源模塊電源轉(zhuǎn)換框圖如圖11 所示。

圖11 電源模塊電源轉(zhuǎn)換框圖

在供電初始設(shè)計(jì)電源保護(hù)電路。供電母線輸入處設(shè)置熔斷器對(duì)供電母線進(jìn)行保護(hù)，防止產(chǎn)品意外短路危害供電母線。熔斷器使用非平衡并聯(lián)形式冗余，可防止意外浪涌電流同時(shí)損壞冗余熔斷器。電源保護(hù)電路框圖如圖12 所示。

圖12 電源保護(hù)電路框圖

本相控陣天線單機(jī)電源模塊內(nèi)EMI 濾波器和DC-DC供電入口處均含有儲(chǔ)能濾波電容，上電瞬間呈短路（虛短）特性，將產(chǎn)生較大浪涌電流，對(duì)熔斷器和電源母線產(chǎn)生沖擊，因此設(shè)計(jì)浪涌抑制電路，限制上電浪涌電流。

浪涌抑制電路采用PMOS 管搭建，利用PMOS 管從截止至導(dǎo)通的中間高阻過程給后端電容預(yù)充電，利用PMOS 管內(nèi)阻限制充電電流，可實(shí)現(xiàn)抑制上電浪涌電流的目的。浪涌抑制電路框圖如圖13 所示。

圖13 浪涌抑制電路框圖

本相控陣天線電源模塊在DC-DC 后端設(shè)計(jì)∏型二次電源濾波，利用大、小電容和磁珠搭配抑制DC-DC 開關(guān)噪聲對(duì)數(shù)字電路的影響。二次電源地對(duì)機(jī)殼設(shè)置濾波電容抑制共模干擾。同時(shí)本設(shè)計(jì)在開關(guān)電源后端和每個(gè)數(shù)字電路供電引腳就近處設(shè)置旁路電容，抑制電路高速開關(guān)對(duì)二次電源的影響。

6 相控陣天線整機(jī)測(cè)試結(jié)果

相控陣天線按照上述仿真、設(shè)計(jì)加工實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，加工實(shí)物照片如圖14 所示（已加裝天線罩），整體尺寸為：90 mm×110 mm×95 mm。駐波實(shí)測(cè)值如圖15 所示，由圖可以看出，在中心頻點(diǎn)8.2 GHz 處，駐波比小于1.4，在相控陣天線整個(gè)工作帶寬內(nèi)，駐波比均小于1.6，可見此天線匹配性能良好。

圖14 相控陣天線實(shí)物圖

圖15 相控陣天線駐波實(shí)測(cè)圖

相控陣天線的實(shí)測(cè)軸比方向圖如圖16～圖18 所示。由圖16 可知，此天線陣列在諧振點(diǎn)處法向方向的實(shí)際增益為25.7 dB，前后比大于30 dB，半功率波瓣寬度為22.8°，最大主瓣電平與最大副瓣電平差值大于10 dB，軸比小于1 dB。根據(jù)天線陣元仿真得到的增益指標(biāo)和陣元數(shù)量，可通過理論計(jì)算得出天線陣列的增益在16 dB左右，加上天線陣列后端的諸多功放增益和衰減，此相控陣天線整體增益實(shí)測(cè)值與仿真設(shè)計(jì)值吻合。由圖17可知，此天線陣列在諧振點(diǎn)處離軸角30°、方位角270°

圖16 相控陣天線實(shí)測(cè)軸比方向圖（法向）

圖17 相控陣天線實(shí)測(cè)軸比方向圖（離軸角30°，方位角270°）

圖18 相控陣天線實(shí)測(cè)軸比方向圖（離軸角60°，方位角90°）

方向電掃的實(shí)際增益為25.3 dB，前后比大于30 dB，軸比為1 dB，由方向圖可以看出波束最大指向與法向角度為30°。由圖18 可知，此天線陣列在諧振點(diǎn)處離軸角60°、方位角90°方向電掃的實(shí)際增益為20.9 dB，前后比大于15 dB，軸比為1.5 dB，由方向圖可以看出波束最大指向與法向角度約為53°，由于天線波束較寬，可在離軸角60°的方向上達(dá)到較好的輻射性能。

相控陣天線上電后，可以由地面檢測(cè)設(shè)備查看相控陣天線的遙測(cè)數(shù)值（即它的工作狀態(tài)），此時(shí)為圖18的工作狀態(tài)截圖，如圖19 所示。由圖19 可知，天線工作狀態(tài)正常，12 個(gè)陣元的通道開關(guān)全部打開，移相值根據(jù)實(shí)際初始調(diào)試情況確定，后續(xù)無特殊工況或故障不再進(jìn)行更改。由相控陣天線的遙測(cè)可以看出當(dāng)前狀態(tài)下單機(jī)工作的正常情況以及工況情況。

圖19 相控陣天線狀態(tài)參數(shù)遙測(cè)值截圖

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款高增益圓極化可寬角度電掃的星載相控陣天線。天線陣元采用底饋形式，利用切角技術(shù)實(shí)現(xiàn)圓極化，開槽技術(shù)減小結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化。并且詳細(xì)闡述了相控陣天線的組成結(jié)構(gòu)。此相控陣天線經(jīng)加工測(cè)試，測(cè)試結(jié)果良好，驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的合理性。該相控陣天線工作在X 頻段，具有良好的輻射性能，且結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可用于X 波段無線通信系統(tǒng)中。同時(shí)此相控陣天線對(duì)相關(guān)領(lǐng)域天線設(shè)計(jì)也有一定的指導(dǎo)意義。