一種小型化有源相控陣天線設(shè)計(jì)與測(cè)試

摘要：文章設(shè)計(jì)了一種小型化有源相控陣天線，陣元采用低剖面雙饋圓極化技術(shù)，軸比性能優(yōu)異；T/R組件采用片式組件表貼綜合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，與常規(guī)磚式或瓦式相控陣天線的多次封裝和模塊連接相比，該天線通過(guò)一次封裝集成實(shí)現(xiàn)了相控陣天線的輕、薄、小目標(biāo)。通過(guò)緊縮場(chǎng)暗室測(cè)試和對(duì)星測(cè)試，結(jié)果表明，天線工作穩(wěn)定可靠，性能優(yōu)異。

關(guān)鍵詞：有源相控陣天線；T/R組件；小型化

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.02.027

中圖分類號(hào)：TN 821.8" " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）02-00-05

Design and Test of a Miniaturized Active Phased Array Antenna

ZHANG Weiwei1， CAI Wenbing2， LIANG Yajuan1， ZHANG Yinhui2

（1. Shaanxi Aerospace Technology Application Research Institute Co.， Ltd.， Xi'an 710100， China; 2. Beijing Institute of Tracking and Communication Technology， Beijing 100094， China）

Abstract： A miniaturized active phased array antenna is designed in this paper. The array element adopts low profile doubly fed circular polarization technology， which has wide bandwidth， small gain drop in large angle scanning， and excellent axial ratio performance; The T/R module adopts chip component surface mounting integrated network technology. Compared with the multiple packaging and module connection of conventional brick or tile phased array antenna， it realizes the lightweight， thin and small phased array antenna through one-time packaging integration. The results of the compact field anechoic chamber test and the satellite test show that the antenna works stably and reliably with excellent performance.

Key words： active phased array antenna; T/R components; miniaturization

隨著電磁研究與電子技術(shù)的發(fā)展，相控陣天線的應(yīng)用已經(jīng)滲透到導(dǎo)航、通信、電子對(duì)抗和雷達(dá)等諸多領(lǐng)域[1]。相控陣天線是由其內(nèi)部的移相、衰減器來(lái)控制波束指向的，相較于傳統(tǒng)的機(jī)械伺服天線，在覆蓋范圍內(nèi)搜索跟蹤目標(biāo)時(shí)，由于其電掃描的特性，具有掃描速度快、波束指向精準(zhǔn)、可以同時(shí)形成多波束、輻射功率大等突出的優(yōu)勢(shì)，適用于目標(biāo)跟蹤、衛(wèi)星通信動(dòng)中通、載體數(shù)據(jù)鏈等場(chǎng)景。

北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2020年7月31日正式開(kāi)通運(yùn)行，不僅提供定位導(dǎo)航授時(shí)服務(wù)，同時(shí)提供具有北斗特色的多功能服務(wù)，包括區(qū)域短報(bào)文、星基增強(qiáng)、精密單點(diǎn)定位、全球短報(bào)文通信、國(guó)際搜救等服務(wù)。其中，北斗三號(hào)IGSO衛(wèi)星搭載了高速數(shù)據(jù)傳輸和處理等新技術(shù)試驗(yàn)載荷[2]。

本文從適應(yīng)跟蹤北斗IGSO衛(wèi)星的天線設(shè)計(jì)出發(fā)，介紹了Ka波段小型化有源相控陣天線系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路、組成構(gòu)架，并對(duì)相控陣掃描方向圖，衛(wèi)星通信的關(guān)鍵指標(biāo)ERIP（Effective Isotropic Radiated Power等效全向輻射功率）、G/T（地面站天線接收增益與系統(tǒng)噪聲溫度的比值）進(jìn)行了暗室測(cè)試。

1" 天線設(shè)計(jì)

1.1 天線單元設(shè)計(jì)

天線單元設(shè)計(jì)如圖1所示，為了降低系統(tǒng)剖面厚度、降低系統(tǒng)質(zhì)量，此天線單元采用低剖面微帶天線形式，結(jié)合通信需求中對(duì)天線圓極化的要求，采用方形貼片切角，通過(guò)對(duì)表面電流產(chǎn)生微擾來(lái)形成圓極化波，提升貼片的交叉極化隔離度。采用雙層貼片的形式以拓寬天線工作帶寬。在組陣的過(guò)程中，尤其是大型的陣面，單元間的互耦、表面波的串?dāng)_等都會(huì)對(duì)天線的方向圖、軸比產(chǎn)生影響[3]。這里我們采用添加圍框與隔離柱的方式來(lái)減少組陣之后的耦合，展寬?cǎi)v波及軸比帶寬，使大角度掃描增益下降減小，提升陣面的性能。

在仿真得到適用于Ka波段的天線單元后，根據(jù)EIRP、G/T的要求，結(jié)合芯片、射頻通道的增益參數(shù)，最終確定陣面規(guī)模為接收子陣4×8，發(fā)射子陣8×12，根據(jù)掃描覆蓋的角度范圍選擇合理的天線間距并組陣。

1.2 天線組陣設(shè)計(jì)

該天線陣面要在方位方向（4、8元）、俯仰方向（8、12元）實(shí)現(xiàn)二維相掃，采用矩形柵格的形式，其方位、俯仰面陣元間距滿足式（1）。

組陣后子陣如圖2所示。

由圖3、表1仿真結(jié)果可知，在工作頻帶內(nèi)，當(dāng)陣面進(jìn)行波束掃描時(shí)，天線陣面的有源駐波≤4 mag，在后端射頻器件正常工作的范圍內(nèi)。掃描時(shí)，60°大角度掃描下降為3.79 dB，滿足設(shè)計(jì)要求，可以勝任大角度的掃描覆蓋。掃描時(shí)，天線陣面軸比≤1.7，說(shuō)明天線組陣后具有良好的圓極化性質(zhì)，交叉極化隔離度高，不易被干擾。

1.3 Ka波段相控陣天線的工作原理及整機(jī)結(jié)構(gòu)

K/Ka相控陣天線包含兩部分：發(fā)射相控陣天線和接收相控陣天線。主要包含天線陣面、接收或發(fā)射組件、波束控制組件和電源。相控陣整機(jī)采用瓦式架構(gòu)設(shè)計(jì)，利于產(chǎn)品的輕薄化，其主要組成及原理如圖4所示。

當(dāng)工作于接收模式時(shí)，Ka波段高密度集成相控陣天線通過(guò)控制接口接收波束指令，運(yùn)算后將相應(yīng)的幅度相位信息通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)寫入到各個(gè)移相器和衰減器中。空間信號(hào)經(jīng)各個(gè)天線單元接收后，通過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行放大，放大后的射頻信號(hào)通過(guò)移相器和衰減器調(diào)整為所需的幅相狀態(tài)，通過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò)合成后輸出。

當(dāng)工作于發(fā)射模式時(shí)，相控陣天線通過(guò)控制接口接收波束指令，運(yùn)算后將相應(yīng)的幅度相位信息通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)寫入到各個(gè)移相器和衰減器中。射頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射功率分配網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)移相器和衰減器調(diào)整為所需的幅相狀態(tài)后，經(jīng)功率放大后通過(guò)各個(gè)天線單元輻射輸出。

Ka波段有源相控陣整體結(jié)構(gòu)如圖5所示，天線陣面與高密度集成射頻TR組件（包括功率分配/合成網(wǎng)絡(luò)、T/R組件）集成在一張PCB上，波控控制每個(gè)收發(fā)通道中數(shù)字衰減器及移相器的工作狀態(tài)，以保證相控陣波束始終指向通信目標(biāo)。

當(dāng)工作于接收模式時(shí)，Ka波段高密度集成相控陣天線通過(guò)控制接口接收波束指令，運(yùn)算后將相應(yīng)的幅度相位信息通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)寫入到各個(gè)移相器和衰減器中。空間信號(hào)經(jīng)各個(gè)天線單元接收后，通過(guò)低噪聲放大器進(jìn)行放大，放大后的射頻信號(hào)通過(guò)移相器和衰減器調(diào)整為所需的幅相狀態(tài)，通過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò)合成后輸出。

當(dāng)工作于發(fā)射模式時(shí)，相控陣天線通過(guò)控制接口接收波束指令，運(yùn)算后將相應(yīng)的幅度相位信息通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)寫入到各個(gè)移相器和衰減器中。射頻信號(hào)通過(guò)發(fā)射功率分配網(wǎng)絡(luò)后，通過(guò)移相器和衰減器調(diào)整為所需的幅相狀態(tài)后，經(jīng)功率放大后通過(guò)各個(gè)天線單元輻射輸出。

2" 方向圖及關(guān)鍵指標(biāo)的暗室測(cè)試與分析

2.1 方向圖的測(cè)量

將第二節(jié)中提到的實(shí)物加裝于微波暗室中進(jìn)行方向圖的掃描，暗室測(cè)試環(huán)境如圖6所示。

在暗室環(huán)境中，搭建如圖7所示的有源相控陣天線的工作測(cè)試環(huán)境，對(duì)其進(jìn)行方位角0°～360°，離軸角-60°～60°的方向圖掃描。歸一化掃描結(jié)果和仿真結(jié)果的方向圖如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)天線陣列進(jìn)行掃描時(shí)，仿真與實(shí)測(cè)方向圖符合度很好，指向準(zhǔn)確、主瓣掃描下降與仿真結(jié)果差異小于0.5 dB，在實(shí)測(cè)過(guò)程中天線的旁瓣更高，這是由于各個(gè)收發(fā)通道、T/R芯片之間存在幅度相位差，導(dǎo)致旁瓣電平變高，后續(xù)可以通過(guò)幅相校準(zhǔn)方式來(lái)補(bǔ)償，從而得到更接近于仿真結(jié)果的方向圖。

2.2 EIRP測(cè)試

這里使用的是遠(yuǎn)場(chǎng)直接法測(cè)量有源相控陣天線EIRP，其原理是利用頻譜分析儀測(cè)量出待測(cè)相控陣天線發(fā)射EIRP，經(jīng)自由空間衰減，由標(biāo)準(zhǔn)天線接收的功率大小，利用自由空間傳播方程確定EIRP的大小[4]。

在同樣的暗室環(huán)境中，我們進(jìn)行EIRP的測(cè)試，測(cè)試框圖如圖9所示。

（1）按照EIRP測(cè)試框圖在遠(yuǎn)場(chǎng)搭建測(cè)試設(shè)備，發(fā)射陣面中心對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)天線中心，保證發(fā)射天線陣與標(biāo)準(zhǔn)天線的間距R≥（2D2）/λ。式中，D為發(fā)射天線陣最大尺寸；λ為工作波長(zhǎng)；R為用卷尺測(cè)量的接收天線陣與標(biāo)準(zhǔn)天線的間距。

（2）將標(biāo)準(zhǔn)天線端的射頻電纜一頭接信號(hào)源，另一頭接頻譜分析儀，將信號(hào)源輸出功率設(shè)置為0 dBm，頻率設(shè)置為27.5 GHz，讀出頻譜分析儀上的讀數(shù)并記錄，該電平為接收電纜損耗Ld，完成后，將線纜恢復(fù)框圖狀態(tài)連接。

（3）將發(fā)射天線陣對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)增益天線，設(shè)置信號(hào)源輸出功率為-10 dBm，打開(kāi)信號(hào)源輸出，觀察頻譜上電平值數(shù)據(jù)，以1 dB為步進(jìn)逐步增加信號(hào)源輸出，當(dāng)觀察到頻譜分析儀上接收電平值壓縮1 dB時(shí)，此時(shí)讀取并記錄頻譜分析儀上載波功率為P1；

（4）根據(jù)公式（2）。

式中，是頻譜分析儀上載波功率單位dBm；IL為路徑損耗，計(jì)算公式為

式中，R為發(fā)射天線陣與標(biāo)準(zhǔn)天線的間距，單位是km；f為工作頻率，單位是GHz；Ld為接收電纜損耗；為饋源增益；AR為天線軸比。

由該方法測(cè)試計(jì)算得出的EIRP值為26.85 dBW（法向），22.45 dBW（掃描60°），60°掃描下降為4.4 dB與理論計(jì)算符合得較好，符合法向26 dBW的設(shè)計(jì)要求，滿足實(shí)際的對(duì)星通信使用需求。

2.3 G/T測(cè)試[5]、間接法[6]、射電天文法[7]

在同樣的暗室環(huán)境中，我們進(jìn)行了G/T的測(cè)試，測(cè)試框圖如圖10所示。

（1）按照G/T測(cè)試框圖在遠(yuǎn)場(chǎng)搭建測(cè)試設(shè)備，接收陣面中心對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)天線中心，保證接收天線陣與標(biāo)準(zhǔn)天線的間距R≥（2D2）/λ。式中，D為待測(cè)天線陣最大尺寸；λ為工作波長(zhǎng)，R為用卷尺測(cè)量的接收天線陣與標(biāo)準(zhǔn)天線的間距。

（2）使接收天線陣上電打碼進(jìn)入正常工作狀態(tài)，信號(hào)源關(guān)閉信號(hào)輸出，讀出并記錄頻譜分析儀上歸一化噪聲功率N0。

（3）設(shè)置信號(hào)源輸出功率為-30 dBm，換算為-60 dBW記為Pt，打開(kāi)信號(hào)源輸出，此時(shí)讀取并記錄頻譜分析儀上載波功率為P1。

（4）根據(jù)公式（4）。

計(jì)算出接收天線陣的G/T，Pt單位為dBW；P1單位為dBm；IL為路徑損耗，計(jì)算公式為

式中，R為用卷尺測(cè)量的接收天線陣與標(biāo)準(zhǔn)天線的間距，單位是km；f為工作頻率，單位是GHz。

由該方法測(cè)試計(jì)算得出的G/T值為-11 dB/K，掃描60°-16 dB/K，不難發(fā)現(xiàn)接收子陣的大角度掃描下降5 dB，與仿真結(jié)果基本一致。

3" 結(jié)束語(yǔ)

本文中設(shè)計(jì)了一種工作在Ka波段的有源相控陣天線，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小型化、高度集成化。在緊縮場(chǎng)暗室的測(cè)試中，將實(shí)測(cè)掃描方向與仿真結(jié)果對(duì)比，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)大角度60°的掃描，驗(yàn)證了仿真與實(shí)測(cè)的一致性。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的EIRP、G/T進(jìn)行了測(cè)試，均滿足指標(biāo)要求，滿足實(shí)際的對(duì)星通信使用需求。■

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