箭載寬角掃描圓極化共形相控陣天線

陳曠達(dá)，孫 竹，張繼浩

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109）

箭載寬角掃描圓極化共形相控陣天線

陳曠達(dá)，孫 竹，張繼浩

（上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201109）

箭載中繼用戶終端對發(fā)射天線指向的掃描速率、波束覆蓋范圍均提出了很高的要求。相控陣天線的快速無慣性掃描能力適合上述應(yīng)用要求。介紹了一副箭載寬角掃描圓極化相控陣天線的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)并加工了一副天線樣陣，設(shè)計(jì)中采用了圓極化微帶單元、共形陣列結(jié)構(gòu)和順序旋轉(zhuǎn)排列饋電。測試結(jié)果表明：天線可以實(shí)現(xiàn)方位±60°、俯仰±45°內(nèi)的二維電掃描。在上述覆蓋空域內(nèi)，天線增益的變化為13．2～17．2 dBi，主波束軸比小于5．8 dB，半功率波束寬度為20°～40°。天線的各項(xiàng)指標(biāo)滿足中繼發(fā)射天線的要求。

寬角掃描；共形相控陣天線；圓極化陣列天線

0 引言

隨著中繼衛(wèi)星的部署，基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測控技術(shù)將在航天器的飛行測控中發(fā)揮愈加重要的作用。中繼用戶終端安裝在運(yùn)載火箭上，將火箭的各種數(shù)據(jù)通過發(fā)射天線傳向中繼衛(wèi)星［1，2］。

由于火箭的飛行速度很快，且飛行過程中的位置坐標(biāo)、偏航角和滾動(dòng)角參數(shù)的變化范圍較大，因此對發(fā)射天線指向的掃描速率、波束覆蓋范圍提出了相當(dāng)高的要求。理論研究表明：天線波束應(yīng)有效覆蓋方位±60°、俯仰±40°［3，4］、天線波束寬度大于20°，才能確?；鸺w行過程中覆蓋中繼衛(wèi)星。相控陣天線具備快速無慣性掃描能力，適合上述應(yīng)用要求。文獻(xiàn)［5，6］介紹了一副箭載共形相控陣天線的陣列和波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，仿真和測試結(jié)果顯示：天線在方位面的掃描范圍為±60°。

為了實(shí)現(xiàn)二維寬角掃描覆蓋，本文介紹了一副寬角掃描共形圓極化相控陣天線的設(shè)計(jì)方法。針對箭載中繼發(fā)射天線對共形安裝、寬角掃描覆蓋以及主波束內(nèi)的軸比指標(biāo)要求，對陣列結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陣列單元方向圖設(shè)計(jì)及饋電方式進(jìn)行了研究。

1 箭載相控陣天線的設(shè)計(jì)

在火箭全部或部分飛行段，中繼發(fā)射天線的主波束必須覆蓋中繼衛(wèi)星。因此，天線必須實(shí)現(xiàn)寬角掃描覆蓋。根據(jù)文獻(xiàn)研究，波束應(yīng)能掃描覆蓋方位±60°、俯仰±45°的空域［3］?？紤]到天線安裝精度、火箭姿態(tài)角偏差和波束指向偏差造成的影響，天線半功率波束應(yīng)大于10°［4］。同時(shí)，必須保證主波束內(nèi)的圓極化純度，減小因極化失配造成的鏈路損耗。

1.1 天線陣列設(shè)計(jì)

因空氣動(dòng)力學(xué)原因，箭載陣列天線應(yīng)具備低剖面并且和火箭艙體共形。因此，天線陣面設(shè)計(jì)成一個(gè)正多邊體，其外接圓半徑與火箭半徑相同。陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。與平面相控陣相比，曲面相控陣的掃描范圍有所增加［7］。

圖1 共形柱面陣列結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)天線陣列理論，一個(gè)分布在任意曲面上的N元陣列的陣因子可表示為：

式中，pi（θ，φ）為第i個(gè)陣列單元的方向圖；ψi為第i個(gè)陣列單元的激勵(lì)相位。

如圖1所示，第n行m列的單元坐標(biāo)為：

式中，R為柱面內(nèi)接圓半徑；ds為單元弧間距；dz為單元行間距。

對于一個(gè)陣面尺寸為L1×L2的天線陣列，其增益可表示為：

式中，α為方位掃描角；β為俯仰掃描角。設(shè)天線的尺寸為L1＝2．8λ0，L2＝1．8λ0，η＝0．9。波束掃描角為α＝60°、β＝45°時(shí)，天線增益約為13 dBi。

1.2 天線單元設(shè)計(jì)

微帶天線剖面低、重量輕、易于產(chǎn)生圓極化，是共形天線的常用單元形式。微帶天線實(shí)現(xiàn)圓極化的常見方法有單饋點(diǎn)和雙饋點(diǎn)2種。單饋點(diǎn)設(shè)計(jì)在微帶貼片上引入微擾，通過調(diào)整微擾的尺寸，可以產(chǎn)生2個(gè)幅度相等、相位相差90°的正交場分量，在較窄的頻帶上產(chǎn)生圓極化波。單饋點(diǎn)圓極化貼片的帶寬為1%～3%，足以滿足中繼終端對天線帶寬的要求［8］。

設(shè)計(jì)的微帶貼片單元（1組4個(gè)單元）如圖2所示。圓周上蝕刻出2個(gè)對稱的矩形槽作為微擾元。貼片圓周上還刻有2條隙縫，用于抵消輸入阻抗在諧振頻率附近的感抗，改善天線駐波比。

圖2 圓極化微帶貼片示意

陣列單元的波束寬度對寬角掃描時(shí)增益和旁瓣電平有一定影響［7］。陣列口徑較小時(shí)，影響更加顯著。假設(shè)單元方向圖按照cos（αθ）變化（參數(shù)a由3 dB波束寬度確定），通過式（1）對一個(gè)6行×4列的天線掃描方向圖進(jìn)行計(jì)算。方位掃描角為＋60°時(shí)，使用不同波束寬度的單元方向圖計(jì)算得到的陣列方向圖如圖3所示，陣列列間距為0．47λ0，行間距為0．45λ0。

圖3 方位面掃描方向圖（計(jì)算）

從計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：寬角掃描時(shí)，如果單元波束較窄，方向圖的旁瓣電平會抬高，由此減小主瓣的輻射功率，＋60°覆蓋角上的方向系數(shù)會減小。因此，為了滿足寬角掃描要求，單元的波束寬度應(yīng)與掃描角大小接近。

微帶貼片的3 dB波束寬度通常為80°～90°，接地板的尺寸對其方向圖會產(chǎn)生很大的影響。對于箭載天線，火箭艙段作為延伸的接地板，可以顯著展寬單元波束。6行×4列陣列中心單元的實(shí)測歸一化方向圖如圖4所示。測試時(shí)，陣列安裝在模擬艙段上，艙段尺寸為9λ0×5λ0。2個(gè)主切面的波束寬度為120°×97°，與方位、俯仰面的掃描范圍接近，可以作為寬角掃描相控陣天線的單元。

圖4 陣列中心單元?dú)w一化方向圖

1.3 陣列單元的排列和饋電

單饋點(diǎn)圓極化貼片在±30°的波束內(nèi)軸比小于3 dB［8，9］，而當(dāng)掃描角大于30°時(shí)，軸比會變差。單元間互耦也會嚴(yán)重惡化單元軸比。為了改善主瓣內(nèi)的軸比，可以將4個(gè)單元作為一組，采用順序旋轉(zhuǎn)法進(jìn)行饋電［10］。如圖2所示，同一組的單元逐個(gè)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，并在賦相時(shí)在原相位上逐個(gè)增加90°，形成右旋圓極化波。采用順序旋轉(zhuǎn)法饋電，可以有效地改善波束掃描時(shí)主瓣內(nèi)的軸比。波束掃描覆蓋＋60°時(shí)，使用順序旋轉(zhuǎn)法前后主瓣內(nèi)軸比的仿真曲線如圖5所示。

圖5 方位掃描覆蓋＋60°時(shí)主瓣內(nèi)的仿真軸比

采用順序旋轉(zhuǎn)法后，3 dB波束內(nèi)的軸比小于3 dB，且優(yōu)于不使用順序旋轉(zhuǎn)法時(shí)的軸比。

2 箭載共形相控陣天線的仿真設(shè)計(jì)

按圖1所示的陣列結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一個(gè)6行×4列的柱面陣列，ds＝0．47λ0，dz＝0．45λ0。

使用HFSS13．0建立天線陣列模型進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)。模型中包含9λ0×5λ0的模擬艙段。天線在方位、俯仰向一維掃描時(shí)仿真和實(shí)測的歸一化方向圖如圖6和圖7所示。可以看出，天線波束掃描覆蓋＋60°時(shí)，＋60°處的增益下降4 dB。波束掃描時(shí)，半功率波束內(nèi)仿真的軸比如表1所示。天線在方位向掃描覆蓋＋60°時(shí)，半功率波束內(nèi)的軸比小于3 dB；天線在俯仰向掃描覆蓋＋45°時(shí)，半功率波束內(nèi)的軸比小于3．8 dB。

圖6 方位面掃描方向圖

圖7 俯仰面掃描方向圖

表1 半功率波束內(nèi)的軸比

3 箭載共形相控陣天線的測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，研制了一部天線樣機(jī)，包含天線陣面、饋電網(wǎng)絡(luò)、電源、波控器和T組件。天線陣列本體尺寸為3．3λ0×2．1λ0。每個(gè)T組件的輸出功率為1 W。天線方向圖使用NSI公司的近場測試系統(tǒng)進(jìn)行測量。測試時(shí)，天線安裝在模擬艙段上。從圖6和圖7可以看出，實(shí)測和仿真方向圖吻合得很好，證明仿真設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。測試結(jié)果表明，波束方位掃描覆蓋±60°時(shí)，半功率波束內(nèi)的軸比不超過3 dB；波束俯仰掃描覆蓋±45°時(shí)，半功率波束內(nèi)的軸比不超過5 dB。實(shí)測軸比和仿真軸比存在差別，主要是天線單元的激勵(lì)幅相和理論值有差別，形成的電磁波的圓極化純度受到影響。

測試時(shí)，對天線在方位±60°、俯仰±45°內(nèi)二維掃描的方向圖做了較完整的測試，并對天線增益進(jìn)行了標(biāo)定。測試結(jié)果表明，天線波束在上述空域內(nèi)掃描時(shí)，增益變化范圍為13．2～17．2 dBi；半功率波束范圍內(nèi)的軸比最大值為5．8 dB；半功率波束寬度為20°～40°。天線指標(biāo)可滿足中繼發(fā)射天線的要求。

4 結(jié)束語

介紹了一副寬角掃描共形圓極化相控陣天線的設(shè)計(jì)方法，研究了單元波束寬度對寬角掃描增益的影響，以及采用順序旋轉(zhuǎn)法饋電對寬角掃描時(shí)軸比的改善情況。通過樣機(jī)的測試，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性。上述方法設(shè)計(jì)方法可以推廣應(yīng)用于更大尺寸的寬角掃描共形相控陣天線。例如，采用順序旋轉(zhuǎn)法饋電時(shí)，可以使用更多的單元作為一組，獲得更好的軸比指標(biāo)。

［1］張 強(qiáng)，裴 胤，王小輝，等．基于中繼衛(wèi)星的運(yùn)載火箭天基測控系統(tǒng)研究［J］．遙測遙控，2014，35（1）：18－22．

［2］李艷華，盧滿宏．天基測控系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展趨勢探討［J］．飛行器測控學(xué)報(bào)，2012，31（4）：1－5．

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

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［5］康德地，吳 斌，王紹山．箭載共形相控陣天線波控系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析［J］．無線電工程，2010，40（7）：32－39．

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［9］劉 洋，王 昕，董 濤．一種新型Ka頻段圓極化微帶天線設(shè)計(jì)［J］．無線電工程，2012，42（5）：40－41．

［10］HALL P S．Design Principles of Sequentially Fed，Wide Bandwidth，CircularlyPolarizedMicrostripAntennas［C］∥Microwaves，Antennas and Propagation，IEE Pro-ceedings H，1989，136（5）：381－389．

A Design of Rocket-Borne Conformal Circularly-polarized Phased Array with Wide Scan Range

CHEN Kuang-da，SUN Zhu，ZHANG Ji-hao
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

The rocket-borne relay terminal has high requirements on transmitting antenna in terms of scanning speed and beam coverage．Phased array is a suitable alternative for that application due to its rapid and inertia-free beam steering ability．The paper intro-duces a design of rocket-borne circularly-polarized phased array with wide scan range．In the design of the array，circularly-polarized microstrip patch is selected as the radiating element and a conformal structure is used．The sequential rotation feeding is also implemen-ted．A prototype phased array is designed and fabricated following the procedure proposed．The test results show the antenna is able to cover±60°in azimuth and±45°in elevation．The antenna gain varies from 13．2 dBi to 17．2 dBi in the above scan range．The axial ratio in the main beam is better than 5．8 dB and HPBW is 20°to 40°。The specifications of the prototype satisfy the requirements on the transmitting antenna of relay terminal．

wide-angle scan range；conformal phased array；circularly polarized array

TN015

A

1003－3106（2015）07－0071－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．19

陳曠達(dá)，孫 竹，張繼浩．箭載寬角掃描圓極化共形相控陣天線［J］．無線電工程，2015，45（7）：71－74．

陳曠達(dá)男，（1983—），碩士研究生，工程師。主要研究方向：天饋線設(shè)計(jì)。

2015-04-07

孫 竹男，（1982—），博士研究生，工程師。主要研究方向：天饋線設(shè)計(jì)。