一种中心馈电圆极化天线设计

薛玲珑，方文婷，许 娟，季 超，渠芬芬

(上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109)

0 引言

随着卫星通信技术的发展，相控阵天线技术越来越多地应用到卫星通信领域。由于圆极化天线由2个相差90°的线极化组成，在允许3 dB极化增益损失的情况下可以用来接收任意线极化波，同时圆极化波又可以被任意线极化天线接收，所以圆极化天线必然作为卫星通信技术的首选天线形式。圆极化天线单元的主要形式有喇叭单元[1-2]、微带单元[3-7]、振子单元[8-9]等形式。喇叭天线为实现圆极化辐射需增加圆极化器进行馈电，其剖面纵向尺寸较大，重量重；振子天线由于要实现平衡到不平衡的馈电变换和圆极化功能，其振子尺寸较小，实际工程实现难度大且剖面高，不利于集成化设计。微带天线由于其特有的剖面低、体积小、重量轻和具有平面结构的特点，而且能与有源电路一起集成，可用印刷电路技术进行批量成产，成为运用于卫星通信相控阵天线的首选天线形式。

本文设计了一种应用于星载Ka数传相控阵天线子系统的圆极化天线，辐射单元采用微带贴片形式，馈电点位置在辐射贴片中心，2×2天线单元顺序旋转馈电改善阵面带内圆极化性能；该设计与现有中心馈电圆极化天线[10-12]比，性能稳定的同时，结构简单，不需要背腔结构，没有复杂的馈电网络。Ka频段二维大角度扫描的相控阵天线单元间距小，辐射单元采用中心位置馈电，大大降低射频网络的设计难度。

1 圆极化天线阵面设计

工作在Ka频段的圆极化天线阵采用有源相控阵天线形式，具有方位向、俯仰向二维分别扫描至±60°的扫描能力，波束宽度要求：4°(Az)×6°(El) (中心频率，法向方向)，由此计算得到天线阵面规模为24×16(基本辐射单元数)，辐射单元分布采用矩形排列方式。辐射单元X向、Y向间距分别由方位向、俯仰向最大扫描角决定，即：

(1)

式中，λ为最高频率(27 GHz)的波长；θ为最大扫描角，按60°设计。考虑到发射波束宽度，对辐射单元间距进行修正，最终取辐射单元的间距dx=6 mm，dy=6 mm。根据波束宽度要求计算得到整个天线阵面的尺寸为144 mm(方位向)×96 mm(俯仰向)。

1.1 天线阵面设计

本天线阵面采用平面相控阵天线形式，每个辐射单元与发射T组件通道一一对应，以实现二维大角度扫描，Y向每8个圆极化天线单元后接一个8通道联装T组件，图1所示的是天线阵面采取的加工线阵组成图。

图1 天线阵示意Fig.1 Antenna array diagram

整个天线阵面由12根线阵沿X向(方位向)并列排布组成，每根线阵后接4个8联装T组件。扫描范围覆盖以及圆极化性能是该天线的主要技术指标，综合考虑结构布局，采取以下设计措施：

① 采用8通道联装T组件，降低T组件的空间占用；

② 每个辐射单元对应一个独立的有源发射通道，实现二维相控扫描；

③ 8通道联装T组件与辐射单元采用直插互联，以减少插损、提高系统集成度；

④ 辐射单元采用中心馈电结构，引入顺序旋转结构改善圆极化特性，且不改变射频接口位置，以便于和有源发射T组件垂直互联，进一步解决了紧凑型设计的结构难题。

1.2 天线阵面方向图计算仿真

基于阵列理论[13]，任意阵面的辐射远场计算公式为：

(2)

式中，θ,φ的定义参见图2；amn,xmn,ymn分别表示阵中第m行、n列单元位置的激励值(复矢量)、x轴向坐标、y轴向坐标；β代表电磁波在空气中的传播常数。图2为阵面坐标示意。

图2 阵面坐标示意Fig.2 Arraycoordinates diagram

天线阵面方向图仿真数据均采用HFSS 2015计算单元方向图，按式(2)算法进行后处理计算；F(θ,φ)为增益方向图，坐标关系参考图2 。

天线工作时，所有单元等幅、每4个单元一组顺序旋转90°(通过设置激励相位实现)工作，以获得最大辐射效率以及最优的圆极化性能。天线辐射元的间距取dx×dy=6 mm×6 mm。

天线阵仿真的方向图如图3所示，图3(a)给出方位向不扫描、扫描±60°时天线阵面的方向图，图3(b)给出俯仰向不扫描、扫描±60°时天线阵面的方向图，由仿真结果可见，天线阵面方位、俯仰扫描角度为±60°时不出现栅瓣， 25.85 GHz时天线方位面×俯仰面的3 dB波束宽度为4°×6°，增益G=30.9 dB，满足设计输入要求。

(a) 方位面方向图

(b) 俯仰面方向图图3 天线阵面仿真方向图Fig.3 Antenna array simulation pattern

2 辐射单元设计

2×2顺序旋转天线单元采用如图4所示的结构形式。

图4 2×2顺序旋转天线单元Fig.4 2×2 rotation of antenna unit

该天线由4个微带贴片形式的圆极化辐射单元组成，1#,2#,3#,4#辐射单元在结构上顺时钟旋转90°。其中圆极化辐射单元馈电位置在贴片中心位置，在圆环形辐射贴片上引入2个对称的微扰结构，微扰面积△s，圆环外径2×r3，内径2×r2，通过微带中心的半径为r的通孔进行激励，上层辐射圆环形贴片中心焊盘(半径r1)与张角为θ的2个枝节实现辐射激励信号的传递，同时2个枝节结构也用于提高辐射贴片的阻抗带宽。

按厚度为0.508 mm的Rogers5880的参数进行仿真建模，根据图4给出的参数化模型对辐射单元进行各参数优化设计，最后得到的各参数值如表1所示。

表1 优化设计的天线单元参数

根据以上方法，在Ka波段加工了多根中心频率为25.85 GHz，顺序旋转结构的12×2天线阵，馈电射频接头采用SSMP接头。

采用矢量网络分析仪实测天线阵中单元的驻波，测试结果显示，在24.7～27 GHz频率范围内VSWR<1.5，仿真和测试结果对比以及实物加工照片如图5所示。

(a) 单个辐射天线VSWR

(b) 实物加工照片图5 天线单元实测与仿真驻波曲线、实物照片Fig.5 Measured andsimulated VSWR of antenna unit,and actual picture

微带片通过3个聚酰亚胺介质螺钉固定在铝合金结构板上，以降低螺钉对天线电性能的影响。实测结果表明，阵中单元实测驻波曲线与仿真曲线形状基本一致，由于频段较高，测试校准误差、加工误差以及射频接头的装配和焊接等均会对天线驻波性能带来一定的影响，最终导致实测带宽比仿真略宽。图6、图7为单个辐射天线的中心频点仿真方向图、轴比特性，图8、图9为24×16顺序旋转天线阵面的实测方向图、轴比特性，仿真结果显示，单个圆极化天线的轴比特性不对称，在0°位置的轴比为0.9 dB左右，采用顺序旋转后，轴比对称性得到极大改善，几乎完全对称。

图6 单个辐射天线方向图Fig.6 Single radiation antenna measured pattern

图7 单个辐射天线轴比Fig.7 Single radiation antenna Axial Radio

图8 顺序旋转天线阵面实测方向图Fig.8 Sequential rotating array measured pattern

图9 顺序旋转天线阵面实测轴比特性Fig.9 Sequential rotating array measured Axial Radio

由图8、图9可以看出，在3 dB波束范围内轴比对称性符合预期，由于测试时采用的是2个线极化合成圆极化，对测试线极化喇叭的安装精度要求非常高，导致实测轴比偏大。由此可知，当该天线用于相控阵天线系统时，轴比性能对系统各种误差的敏感度非常低，可以大大降低系统的设计难度。

3 结束语

本文详细介绍了一种中心馈电圆极化天线设计，并将天线阵面应用于星载相控阵数传分系统。采用2个带张角的枝节进行中心馈电，有效地扩展了微带贴片辐射单元的阻抗带宽，并对测试结果进行分析，实现VSWR≤1.5的8.9%的实测带宽；天线阵方位、俯仰扫描角度均达到±60°，采用顺序旋转实现稳定、优异的圆极化辐射性能，设计思路和设计方法具有很好的可扩展性。该Ka波段中心馈电圆极化微带贴片天线加工简单，成本低，在星载Ka频段数传系统中已经得到了应用。