V頻段星載寬角掃描圓極化陣列天線設計

李佳美, 官正濤

(中國西南電子技術研究所， 四川 成都 610036)

V頻段星載寬角掃描圓極化陣列天線設計

李佳美, 官正濤

(中國西南電子技術研究所， 四川 成都 610036)

提出一種應用于V頻段衛(wèi)星通信的旋轉圓極化陣列天線，陣元為圓極化微帶貼片，其波束掃描狀態(tài)天線軸比利用調整陣元激勵幅度和激勵相位的方法進行優(yōu)化，從而保證該天線具備寬角掃描性能，建立8×8陣列天線模型，選取φ=0 °、φ=45 °平面進行仿真驗證.仿真結果顯示，60 °掃描范圍內優(yōu)化后，天線在給定波束指向上軸比可實現(xiàn)0 dB，波束指向60 °時天線增益、副瓣電平及后瓣電平可分別實現(xiàn)18.7、-22.3和-12.0 dB，比線極化單元形式分別提高4.0、2.4和10.1 dB.該天線在寬角掃描狀態(tài)具備優(yōu)良的圓極化天線性能，能夠較好地滿足衛(wèi)星通信應用需要.

圓極化；軸比；增益；后瓣電平

0 引 言

近年來，衛(wèi)星通信的應用日益廣泛，其工作頻段主要為L、Ka頻段，而V頻段60 GHz由于具備對地面站超強的抗干擾特性，有望成為未來衛(wèi)星通信系統(tǒng)的主流頻段[1].衛(wèi)星通信系統(tǒng)的天線通常采用圓極化天線以接收各個極化方向的電磁波，其形式包括四臂螺旋[1-2]、十字交叉振子[3-4]和微帶天線[5]等.其中，微帶平板天線構成的低剖面動中通天線應用最為廣泛[6]，但該天線形式尺寸較大，且與天線配合的伺服系統(tǒng)跟蹤速度和精度較低.

隨著衛(wèi)星通信系統(tǒng)對星載天線測距精度和數(shù)據傳輸速率的要求不斷提高，傳統(tǒng)的低剖面動中通天線難以滿足要求，而需要波束能在大范圍內快速切換的電掃描陣列天線.對此，劉娜[7]提出了一種相控陣形式動中通天線，能夠實現(xiàn)60 °掃描，但未進行掃描狀態(tài)軸比設計，陳曉潔等[8]提出了一種寬角掃描相控陣天線，但當天線掃描至60 °時軸比惡化為6 dB，Smodlers等[9]給出了一種陣元隨機旋轉布陣的圓極化陣列天線形式，可以有效控制波束掃描時陣列天線的副瓣和軸比，但其應用局限于小角度掃描.在此基礎上，本研究提出將旋轉布陣圓極化方案應用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)，同時，為進一步改善圓極化天線寬角掃描狀態(tài)天線軸比惡化問題，本研究采用文獻[10]方法，通過調整陣元激勵來優(yōu)化波束掃描狀態(tài)天線軸比.

1 方案確定與天線設計

1.1 方案確定

建立8×8陣列模型如圖1所示，天線單元為線極化單元.選取具有代表性的φ=0 °、φ=45 °時2個平面進行仿真驗證，仿真結果顯示，優(yōu)化后天線軸比在60 °掃描范圍內給定波束指向上可實現(xiàn)0 dB，然而當波束指向60 °時天線增益驟降，

并且會出現(xiàn)一

圖1 線極化單元陣列模型

個較大后瓣.該軸比優(yōu)化方法會進一步惡化增益和后瓣電平，在φ=45 °時，平面惡化現(xiàn)象尤其嚴重，優(yōu)化后天線增益僅14.7 dB，后瓣僅1.9 dB.為解決天線增益驟降和后瓣惡化問題，本研究最終確定采用圓極化陣元代替線極化陣元.仿真結果顯示，優(yōu)化后天線軸比依舊可實現(xiàn)給定波束指向0 dB的優(yōu)化效果，φ=45 °面增益、副瓣和后瓣可分別實現(xiàn)18.7、-22.3和-12.0 dB，比線極化單元形式分別提高4.0、2.4和10.1 dB，表明該天線形式在寬角掃描狀態(tài)具備更優(yōu)良的圓極化天線性能.

1.2 天線設計

圓極化電場可由一組幅度相同，相位相差90 °的正交電場合成，微帶陣列天線實現(xiàn)圓極化的常用方法是將陣元旋轉布陣.由于旋轉布陣大大降低了交叉極化電平，使陣面在法相方向具備優(yōu)良的圓極化性能[11].但是，當波束指向逐漸偏離陣面法向時，天線軸比也會惡化，線極化單元形式的旋轉圓極化陣列天線寬角掃描時增益下降，后瓣電平增大，以上缺陷限制了旋轉圓極化陣列天線形式在相控陣領域的應用.圓極化單元同樣適用于旋轉圓極化陣列天線形式，與線極化單元形式旋轉圓極化陣列天線相比，該形式在天線掃描時具備更加優(yōu)異的圓極化性能[12].為了改善波束掃描引起的天線增益下降和后瓣電平增大現(xiàn)象，本研究選用圓極化天線單元作為旋轉圓極化陣列天線陣元.

通常，旋轉圓極化陣列天線波束掃描狀態(tài)軸比惡化是由波束掃描時交叉極化電場增大引起.當陣列天線形式固定時，調整陣元激勵能夠改變陣列天線的主極化和交叉極化電場，可以改變陣列天線軸比.對此，文獻[10]給出的軸比優(yōu)化方法原理是，根據給定波束指向上陣元遠場電場數(shù)據，分別計算給定波束指向上陣列中各2×2子陣(見圖2)在滿足圓極化條件下，各陣元實際所需激勵幅度和激勵相位，進而調整陣元激勵實現(xiàn)掃描狀態(tài)陣列天線軸比優(yōu)化，即對下式中未知的陣元激勵ai(i=1,2,3,4)進行求解，

(1)

圖2 左旋圓極化2×2陣列示意圖

2 仿真驗證

在仿真驗證中，建立圓極化陣元旋轉布陣的8×8陣列天線模型(見圖3)，同時，選取具有代表性的φ=0 °、φ=45 °平面上θ=20 °/40 °/60 °3個波束指向分別進行仿真驗證.優(yōu)化前后天線方向圖及軸比仿真結果如圖4～圖11所示.仿真結果顯示：優(yōu)化后天線在60 °掃描范圍內給定波束指向上軸比均得到顯著優(yōu)化，可實現(xiàn)0 dB；隨著掃描角度的增大，優(yōu)化后天線增益和后瓣電平稍有惡化，當掃描角θ=60 °時，優(yōu)化后天線2個面的增益分別為14.8和18.7 dB，副瓣電平分別為-6.4和-22.3 dB，后瓣電平分別為-4.8和-12.0 dB.對比線極化單元形式模型仿真結果可以發(fā)現(xiàn)，φ=0 °平面上二者性能差異微小，而在φ=45 °平面上，掃描角θ=60 °時前者比后者的增益、副瓣和后瓣電平分別提高4.0、2.4和10.1 dB.結果證明，圓極化陣元形式的旋轉圓極化陣列天線在寬角掃描時具備更優(yōu)的天線性能.

圖3 圓極化單元陣列模型

圖4 優(yōu)化前天線方向圖(φ=0 °)

圖5 優(yōu)化前天線軸比(φ=0 °)

圖6 優(yōu)化前天線方向圖(φ=45 °)

圖7 優(yōu)化前天線軸比(φ=45 °)

圖8 優(yōu)化后天線方向圖(φ=0 °)

圖9 優(yōu)化后天線軸比(φ=0 °)

圖10 優(yōu)化后天線方向圖(φ=45 °)

圖11 優(yōu)化后天線軸比(φ=45 °)

3 結 論

本研究設計了一種應用于V頻段衛(wèi)星通信的旋轉圓極化陣列天線，陣元選用圓極化微帶貼片，波束掃描狀態(tài)天線軸比采用文獻[10]提出的調整陣元激勵幅度和激勵相位的方法進行優(yōu)化，以保證該天線具備寬角掃描性能.與線極化單元形式的旋轉陣列天線相比，本陣列天線在寬角掃描狀態(tài)具備更優(yōu)的增益、副瓣電平及后瓣電平.仿真結果顯示，8×8陣列天線在φ=0 °、φ=45 ° 2個平面上，θ=20 °/40 °/60 ° 3個波束指向上優(yōu)化后天線軸比可實現(xiàn)0 dB.對比線極化單元形式模型仿真結果，φ=0 °平面上二者性能差異微小，而在φ=45 °平面上，當掃描角θ=60 °時，前者比后者的增益、副瓣電平和后瓣電平分別提高4.0、2.4和10.1 dB.仿真結果表明，該天線在寬角掃描狀態(tài)下具備優(yōu)良的圓極化天線性能，能夠較好地滿足衛(wèi)星通信應用需求.

[1]張濤．一種用于星間鏈路的四臂螺旋天線研究[D].西安：西安電子科技大學，2011．

[2]白旭東，曹岸杰,唐晶晶，等．一種新型雙頻寬波束四臂螺旋天線的設計[J].中國電子科學研究院學報，2012，7(1):81-84.

[3]周進，王玉峰，常雷，等．一種寬波束圓極化十字陣子天線[J].通信對抗，2014,33(1):40-43．

[4]陳曦．相控陣天線相位中心及衛(wèi)星通信圓極化天線研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[5]陶偉，趙玉軍，王昕曄．一種具有寬角軸比特性的圓極化天線[J].電波科學學報，2015，30(3)：560-564.

[6]田曉青．低剖面動中通天線技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[7]劉娜．車載星通相控陣天線關鍵技術研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[8]陳曉潔，周海京．寬角掃描衛(wèi)星通信相控陣天線[J].微波學報，2014,30(S2)：93-96．

[9]Smodlers A B,Visser H J.Lowside-lobecircularly-polarizedphasedarraysusingarandomsequentialrotationtechnique[J].IEEE Trans Ant Prop，2014,62(12):6476-6481．

[10]Smolders A B,Johannsen U.Axialrationenhancementforcircularly-polarizedmillimeter-wavephased-arrayusingasequentialrotationtechnique[J].IEEE Trans Ant Prop，2011,59(9):3465-3469.

[11]Huang J.Atechniqueforanarraytogeneratecircularpolarizationwithlinearlypolarizedelements[J].IEEE Trans Ant Prop，1986,34(9):1113-1124.

[12]Bhattacharyya A K.Comparisonbetweenarraysofrotatinglinearlypolarizedelementsandcircularlypolarizedelements[J].IEEE Trans Ant Prop，2008,56(9):2949-2954.

Design of Circularly-polarized Antenna with Wide Scan Angle in V-band for Satellite Communication

LIJiamei，GUANZhengtao

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A circularly-polarized antenna array composed of sequential rotated circularly-polarized patches is presented,which can be used in satellite communication in V-band.The axial ratio under beam scanning can be optimized by adjusting excitations of elements,which guarantees the availability of the antenna in wide scan angle.The design is verified using an 8×8 antenna array in the planes of φ=0°and φ=45°.Simulation results show that within 60° the optimized axial ratio of given scan angle can be 0 dB.When the scan angle is 60°,the realized gain, side lobe and back lobe achieve 18.7，-22.3 and -12.0 dB separately,with 4.0,2.4 and 10.1 dB higher respectively than the results of antenna composed of sequential rotated linearly-polarized patches.The excellent antenna performance in wide scan angle makes the antenna a good choice for satellite communication.

circularly-polarized;axial ratio;gain;back lobe

1004-5422(2016)04-0387-04

2016-09-09.

李佳美(1986 — )， 女， 碩士， 工程師， 從事波導裂縫陣天線與微帶天線研究.

TN820.1+5

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