K波段宽带宽角低副瓣圆极化稀疏阵

周 彪,张 帅,闫登辉,林志成,王 建

(1.中国电子科技集团公司第十三研究所,河北 石家庄 050051;2.西安电子科技大学 电子工程学院,陕西 西安 710071)

卫星通信以其覆盖范围广、不受地域限制等优点受到广泛关注和应用。为了保证载波平台的移动与卫星之间良好的信号传输,相控阵天线是一种较好的解决方案[1-4]。由于相控阵系统对天线和射频芯片的集成程度要求较高,同时实现天线的低姿态和集成是一个挑战。为了减小法拉第旋转效应和多径干扰对通信系统的影响,圆极化微带天线被广泛应用于卫星通信导航定位系统中。产生圆偏振的传统方法有摄动法[5-7]和双馈法[8-11],前者几乎是单馈,带宽有限,而后者馈电网络复杂。此外,通过极化门可以产生圆极化天线[12-13],极化门可以将线极化转化为圆极化。但该方法物理结构复杂,不利于积分。此外,狭缝耦合还可以实现圆极化,但该方法也存在结构复杂等缺点[14-16]。顺序旋转技术[14-18]也是产生圆极化的方法之一,可以实现低交叉极化,扩大轴比带宽,但该技术会降低阵列的增益。

本文提出了一种适用于K波段卫星应用的宽带圆极化顺序旋转稀布阵列天线,天线馈电端口与下端T/R组件通过跨层微带线连接。该天线辐射部分由带有寄生环形辐射器的圆形贴片和L形贴片组成。本文所设计的2×2顺序旋转子阵的轴比带宽(小于3 dB)为7.0 GHz(16～23 GHz),驻波比(Voltages Standing Wave Ratio,VSWR)小于2的带宽为4.27 GHz(17.25 ～21.52 GHz)。利用该子阵在240 mm圆口径面上进行子阵级稀疏优化布局[19-20],实现400单元规模稀布阵列的窄波束、低副瓣以及宽带宽角扫描,并通过数值计算软件优化设计和三维电磁仿真实验验证了该设计的性能。

1 天线单元

本文设计的天线单元结构如图1所示,由5层介质板构成。第1层、第3层和第5层为同种材质且厚度分别为0.254 mm、0.635 mm、0.254 mm,介电常数εr=3.0。第2层和第4层为半固化层,厚度为0.2 mm,介电常数εr=2.75,天线单元的长宽尺寸Sub=7.05 mm。辐射贴片位于最上层介质的上表面,由正方形嵌入圆形寄生贴片构成,正方形尺寸为L=3.70 mm。矩形贴片为了实现阻抗匹配,尺寸为L0=0.60 mm,w1=2.02 mm,圆形贴片半径为r1=1.50 mm,寄生圆形贴片距离辐射贴片r2=1.68 mm。采用带状线馈电方式,辐射贴片由带状线通过位于左下角x0=0.65 mm,y0=1.65 mm的一个探针(直径为0.30 mm)转带状线馈电,底部微带线宽度ws1=0.15 mm,馈电端口距离边沿长度分别为ls1=1.45 mm和ls2=1.45 mm。

图1 天线单元结构(a)顶层结构 (b)底层结构 (c)剖面结构Figure 1. Configuration of the antenna element(a)Top layer configuration of element (b)Bottom layer configuration of element (c)Profile configuration of element

鉴于方形缝、狭缝、微扰结构和近方形贴片天线都能产生窄带圆极化(Circularly Polarized,CP)辐射波,该天线单元采用方形贴片嵌入寄生圆形辐射结构产生宽带CP辐射。图2给出了0°、90°、180°和270°不同相位条件下天线上的电场分布,从贴片和寄生圆上观察到随时间变化的环形旋转电场,表明该天线能够产生CP辐射。

图2 天线表面场分布Figure 2. Field distribution on antenna element

2 2×2圆极化子阵设计

为了与K波段的四通道T/R组件进行一体化集成设计,本文根据T/R组件的馈电端口位置设计了适配型2×2元圆极化子阵,并采用顺序旋转的方式进行配置,以实现宽带圆极化特性。如图3所示,每个馈电端口与下面的T/R组件相连接分别产生0°、90°、180°以及270°这4个相位差的天线元件。由于T/R组件尺寸限制导致天线连接端口不能随意放置,本文采用的馈电端口对称放置在4个角落距离阵列中心5.6 mm处,天线阵整体尺寸为14.100 mm×14.100 mm×1.216 mm,其中天线单元间距为7.05 mm。

图3 2×2阵列模型Figure 3. 2×2 array antenna model

对上述优化后的2×2子阵进行了仿真分析,其驻波比曲线如图4所示, 可见天线驻波比小于2的带宽为21.89%,覆盖17.25～21.52 GHz。子阵的轴比曲线如图5所示,可见轴比小于3的带宽为25.6%,覆盖17～22 GHz。图6为子阵最大辐射方向增益随频率变化曲线,可见在20.5 GHz时子阵取得最大增益为11.48 dB,整个带宽内增益在9.5 dB以上。图7为子阵在18 GHz、19 GHz、20 GHz和21 GHz频点下的E面与H面的左旋圆极化(Left Hand Circular Polarization,LHCP)和右旋圆极化(Right Hand Circular Polarization,RHCP)方向图,可见子阵在整个频带内具有稳定的宽辐射波束特性,适合用于宽带宽角相控阵单元进行组阵。

图4 2×2元子阵驻波比Figure 4. VSWR of the 2×2 antenna array

图5 2×2元子阵轴比Figure 5. Axial ratio at the boresight of the 2×2 antenna array

图6 2×2元子阵法向增益Figure 6. Real gain at the boresight of the 2×2 antenna array

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)图7 2×2元子阵辐射方向(a)18 GHz E面 (b)18 GHz H面 (c)19 GHz E面 (d)19 GHz H面 (e)20 GHz E面 (f)20 GHz H面 (g)21 GHz E面 (h)21 GHz H面Figure 7. Radiation patterns of the 2×2 antenna array(a)18 GHz E-plane (b)18 GHz H-plane (c)19 GHz E-plane (d)19 GHz H-plane (e)20 GHz E-plane (f)20 GHz H-plane (g)21 GHz E-plane (h)21 GHz H-plane

3 稀布阵列布局优化设计

为了满足此圆极化天线阵的低成本和工程化应用,T/R模块需将设计成标准化模块,这也决定了天线的各输入接口位置固定。前文介绍了T/R组件中馈电端口固定为四元组的形式,即每4个单元组成一个小子阵。因此,为了实现240 mm圆口径天线阵的窄波束与低副瓣扫描,本文在考虑T/R组件引入的阵元布局制约下,设计了多约束子阵级优化布阵算法,仅通过子阵位置的优化,设计了400单元规模的宽带宽角低副瓣稀布阵。

将整个圆口径面进行象限划分,对第一象限子阵位置进行稀疏优化,整阵布局为四象限的镜像对称。天线阵列的方向图函数为

sinθ0cosφ0)+dyi(sinθcosφ-sinθ0cosφ0)]}

(1)

其中,fi(θ,φ)表示单元场;(θ0,φ0)表示波束指向角。根据最大副瓣电平(Maximum Side Lobe Level,MSLL)的定义,为保证方向图在扫描空间内全向低副瓣,取适应度函数为俯仰向投影方向图最大旁瓣电平MSLL

Ftheta(θ)=(max|F(θ,φ)|)

(2)

(3)

其中,max表示求最大值函数;S表示θ=θ0、φ=φ0时俯仰向投影方向图的旁瓣区间,俯仰向投影方向图的主瓣零功率点为2ψ0,则

(4)

优化目标设为

max(a1Fθ0=0°+a2Fθ0=30°+a3Fθ0=55°)

(5)

其中,Fθ0=0°、Fθ0=30°、Fθ0=55°分别表示天线阵列俯仰向扫描至0°、30°、55°时的俯仰向投影方向图的最大副瓣值;a1、a2、a3为加权系数,满足和为1。

K波段阵面为240 mm圆形口径,阵列规模为400单元,以半波长阵元间距计算得到了稀疏率为44.6%。以2×2子阵为布阵单元进行稀疏布阵优化,经过多约束条件下的选择、交叉、变异等遗传操作,得到最优稀疏阵的整阵布局如图8所示。

图8 阵列稀疏优化布局Figure 8. Array sparse optimized layout diagram

优化后稀疏阵列天线的扫描特性如图9与表1所示。可见,在此优化布局下,在中心频率19.5 GHz处阵列天线的法向增益可达30.46 dB,主波束宽度小于4.5°,扫描至±55°内不出现栅瓣,且副瓣低于-13.13 dB,实现了圆极化天线阵列的高宽带宽角低副瓣扫描。

(a)

(b)

(c)图9 阵列扫描增益方向(a)E面法向辐射方向 (b)±30°扫描辐射方向 (c)±55°扫描辐射方向Figure 9. Array scanning gain directional(a)E plane normal radiation direction (b)Array scanning radiation direction of ±30° (c)Array scanning radiation direction of ±55°

表1 布局优化后阵列扫描特性Table 1. Optimized array scanning features

4 结束语

本文提出了一种新型K波段低剖面宽带宽角圆极化稀疏相控阵天线。该天线辐射部分由圆形寄生贴片和L形贴片组成,通过顺序旋转技术实现了宽轴比带宽的2×2子阵设计,轴比小于3 dB且驻波比小于2的频带范围覆盖17.25～21.52 GHz。利用遗传算法进行子阵级稀疏布局优化设计,在240 mm的圆口径和44.6%的稀疏率下,扫描特性为:400元稀疏阵列天线的法向增益达到30.46 dB,主波束宽度小于4.5°,扫描至±55°内不出现栅瓣,且副瓣低于-13.13 dB。本文所设计的稀疏阵列天线易于和K波段T/R组件集成,适合应用于卫星通信有源相控阵。