一種一體化集成寬帶陣列天線設(shè)計(jì)

劉志佳 雷冀 莊建樓 韓運(yùn)忠

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，電磁兼容與天線測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

一種一體化集成寬帶陣列天線設(shè)計(jì)

劉志佳1,2雷冀1,2莊建樓1韓運(yùn)忠1,2

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094)(2 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，電磁兼容與天線測(cè)試工程技術(shù)研究中心，北京 100094)

針對(duì)新一代深空探測(cè)通信的需求，提出了一種高集成度X頻段寬帶圓極化微帶陣列天線。天線由48單元層疊微帶貼片單元和相應(yīng)的多層饋電網(wǎng)絡(luò)組成。天線通過耦合饋電技術(shù)將輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)(BFN)進(jìn)行一體化集成，采用旋轉(zhuǎn)序列饋電技術(shù)提高天線的圓極化性能。對(duì)實(shí)際設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明：該天線在19.4%的頻帶范圍內(nèi)具有較好的增益、駐波比和圓極化特性，能夠滿足新一代深空探測(cè)通信任務(wù)的需求。

航天器；一體化集成天線；寬帶；圓極化；陣列天線；多層饋電網(wǎng)絡(luò)

1 引言

深空探測(cè)領(lǐng)域尤其是月球探測(cè)著陸巡視器和火星探測(cè)著陸巡視器中，國內(nèi)外一般均配備一副高增益天線并利用X頻段作為測(cè)控通信頻段。例如我國月球探測(cè)中的嫦娥三號(hào)著陸器定向天線；美國2003年發(fā)射的用于火星探測(cè)的勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)的高增益天線，2011年發(fā)射的用于火星探測(cè)的好奇號(hào)高增益天線[1-2]。其中，嫦娥三號(hào)著陸器定向天線采用的是正饋單反射面天線形式，天線口徑約為400 mm，剖面高度約為150 mm，同時(shí)天線為窄帶天線，工作模式為單發(fā)射狀態(tài)。 美國勇氣號(hào)、機(jī)遇號(hào)的高增益天線為印制偶極子陣列，圓極化利用印制曲線極化器實(shí)現(xiàn)，天線剖面高度較常規(guī)反射面剖面高度降低約50%，但是由于偶極子單元窄帶的諧振特性，該天線在8.4 GHz發(fā)射頻段性能較好，電壓駐波比(VSWR)為1.2∶1，峰值增益為24.5 dBic；但在7.1 GHz接收工作頻段時(shí)，VSWR為2.4∶1，且該頻段下的峰值增益僅為20.6 dBic。美國好奇號(hào)的高增益天線為多層陣列天線，輻射單元采用圓環(huán)微帶形式，輻射陣面利用6個(gè)子陣的三角形網(wǎng)格形式，導(dǎo)致該天線饋電網(wǎng)絡(luò)(BFN)復(fù)雜，同時(shí)天線的剖面高度較高，約為50 mm。

近些年來，微帶平面陣列天線發(fā)展迅速，相比較于傳統(tǒng)的反射面天線，微帶陣列天線具備許多優(yōu)點(diǎn)，例如易于制造、低剖面、輕量化、易共形并且可以精確控制方向圖形狀，適于批量生產(chǎn)等[3]。但是，微帶陣列天線由于天線本身的歐姆損耗、介質(zhì)損耗和饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射等影響，微帶陣列天線一般增益、效率均較低[4-6]。

針對(duì)目前普通微帶陣列天線的效率較低、剖面尺寸較大的問題，本文介紹了一種一體化集成微帶陣列天線，頻段為7.0～8.5 GHz，覆蓋了深空探測(cè)火星著陸器高增益天線的工作頻段，使用Ansys HFSS V15.0軟件對(duì)天線進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性和可行性，可以為深空探測(cè)著陸器高增益天線提供設(shè)計(jì)參考。

2 陣列天線設(shè)計(jì)

為了滿足未來我國深空探測(cè)中火星著陸器高增益天線的需求，以及天線的小型化、輕量化、低剖面、高增益、寬帶的工作模式，本文設(shè)計(jì)的陣列天線為寬帶圓極化多層微帶陣列天線，并將饋電網(wǎng)絡(luò)同輻射陣面進(jìn)行了一體化集成設(shè)計(jì)，天線的通信模式為收發(fā)共用。

該一體化集成陣列天線由輻射陣面、BFN組成，BFN包含了三層，分別為BFN1、BFN2、BFN3，具體組成如圖1所示。共包含48個(gè)輻射單元，其中輻射陣元間距為35 mm，整陣的尺寸為260 mm×300 mm×30 mm。從上到下依次為：光面介質(zhì)陣面保護(hù)板FR4，輻射陣面(包括上層貼片，上層介質(zhì)板，泡沫，下層貼片，下層介質(zhì)板，泡沫，配備耦合縫隙的地板)、BFN1、BFN2、 BFN3組成。最后利用金屬硬鋁蒙皮將天線本體包圍，提高正向輻射性能的同時(shí)達(dá)到對(duì)天線本體的保護(hù)。

圖1 陣列結(jié)構(gòu)圖
Fig.1 Structure of the array

相比于目前常見的微帶陣列天線[3-8]，該天線主要具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)天線一體化集成設(shè)計(jì)，將饋電網(wǎng)絡(luò)集成到陣列內(nèi)部，結(jié)構(gòu)緊湊，有效地減小了天線整體尺寸；

(2)饋電網(wǎng)絡(luò)采用懸置介質(zhì)帶狀線實(shí)現(xiàn)，具有更小的損耗，從而有效提高陣列天線的增益及輻射效率；

(3)目前常見的微帶陣列天線，其饋電網(wǎng)絡(luò)同輻射單元多在同層制造，導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射較大，對(duì)正向輻射方向圖存在影響，本文設(shè)計(jì)的一體化陣列天線將饋電網(wǎng)絡(luò)同輻射陣面置于不同層，有效降低了饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射，從而提高天線的輻射效率；

(4)采用了新型六邊形布局的平行四邊形子陣網(wǎng)絡(luò)，相比于常見的矩形布局、圓形布局，有效地提高了天線圓極化軸比性能，減小陣列的布局尺寸，且該平行四邊形子陣相比較于三角形子陣在保證圓極化性能的前提下，有效地簡(jiǎn)化了饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

2.1 陣面布局設(shè)計(jì)

從國外在軌的無源陣列天線來看，圓極化陣列天線多采用圓環(huán)陣列或者三角形網(wǎng)格的六邊形陣列，其中羅塞塔(Rosetta)衛(wèi)星的中等增益天線采用了圓環(huán)陣列，國際移動(dòng)衛(wèi)星-4(INMARSAT-4)衛(wèi)星的導(dǎo)航天線、伽利略(Galileo)衛(wèi)星的導(dǎo)航天線采用了三角形網(wǎng)格的六邊形陣列形式[9-10]。

為了提高陣列天線的圓極化性能，從而提高天線增益，減小陣面布局尺寸，Galileo的導(dǎo)航天線采用了三角形網(wǎng)格的六邊形陣列形式，但是本文若利用此種輻射子陣布局，會(huì)直接導(dǎo)致饋電網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，輻射子陣內(nèi)須設(shè)計(jì)一分六功分器和一分十功分器，而且需要這兩種功分器的輸出保證良好的幅度、相位輸出特性。此種饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)難度較大且輸出的性能不好控制。綜合考慮陣面布局等因素，一體化集成陣列天線采用了整體六邊形設(shè)計(jì)，輻射子陣為平行四邊形網(wǎng)格的布局。該陣列天線由3個(gè)輻射子陣組成，每個(gè)輻射子陣由4×4共計(jì)16個(gè)輻射單元組成，輻射子陣內(nèi)僅須設(shè)計(jì)一分十六功分器即可，這種功分器的設(shè)計(jì)難度較低。此種布局可以很大程度上解決饋電網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，同時(shí)兼顧天線輻射方向圖不同切面的一致性特性，其具有以下優(yōu)點(diǎn)：①每個(gè)子陣中的相鄰單元間距、相鄰子陣的相鄰單元間距完全相同；②相鄰子陣的中心間距相同且與軸中心依次排布。

為了進(jìn)一步改善陣列的圓極化性能，將旋轉(zhuǎn)序列饋電技術(shù)應(yīng)用到陣列中[11-12]。為了簡(jiǎn)化饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)難度，將旋轉(zhuǎn)序列饋電技術(shù)在每個(gè)子陣之間實(shí)現(xiàn)，而不是采用常見的子陣內(nèi)利用旋轉(zhuǎn)序列饋電技術(shù)。考慮到實(shí)現(xiàn)的可行性和復(fù)雜性，輻射子陣內(nèi)的輻射單元完全相同，不進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，均為同向排布。其中輻射子陣1、輻射子陣2、輻射子陣3中每個(gè)輻射子陣沿坐標(biāo)原點(diǎn)(陣列中心位置，中心無陣元)旋轉(zhuǎn)120°，這樣的結(jié)構(gòu)需要激勵(lì)每個(gè)子陣的信號(hào)為幅度相同、相位相差120°，從而形成旋轉(zhuǎn)序列饋電，實(shí)現(xiàn)良好的增益、軸比特性。圖2為陣面的布局示意圖。

圖2 陣面布局Fig.2 Layout of the array

2.2 寬帶輻射單元設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)天線在7.0～8.5 GHz 頻段內(nèi)工作，采用層疊微帶天線以實(shí)現(xiàn)其寬帶特性[13]。單元天線采用加裝航天常用材料光面FR4板材的一體化設(shè)計(jì)。利用饋電網(wǎng)絡(luò)將能量饋入激勵(lì)貼片，同時(shí)能量從激勵(lì)貼片耦合到寄生貼片來展寬頻帶。這樣既保證了天線的平面尺寸不變，同時(shí)又適合于后續(xù)的陣列布陣。輻射單元由一個(gè)一分四的威爾金森功分器組成，其中一分四的威爾金森網(wǎng)絡(luò)四路輸出口每個(gè)端口的中心頻率下的輸出相位依次為0°，90°，180°，270°。四路印制帶線通過中間地板開的縫隙將能量饋入激勵(lì)貼片。

2.3 饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

常見的饋電網(wǎng)絡(luò)均為微帶電路，由于微帶電路特性，特別是X頻段以上的微帶形式的饋電網(wǎng)絡(luò)損耗一般較大，且頻帶內(nèi)的相位輸出特性不易控制。為了減小傳輸損耗、降低寄生輻射對(duì)陣列天線性能的影響，將饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了多層設(shè)計(jì)，每個(gè)功能模塊之間利用地板進(jìn)行分離，有效地減小饋電網(wǎng)絡(luò)的寄生輻射對(duì)陣列天線正向輻射的影響，同時(shí)利用懸置介質(zhì)帶狀線實(shí)現(xiàn)低損耗特性[14]。懸置介質(zhì)帶狀線最大優(yōu)點(diǎn)是利用低損耗介質(zhì)板材蝕刻出金屬帶線并懸置于兩層地板中間，這種結(jié)構(gòu)的有效介電常數(shù)接近空氣，從而保證帶狀線表面波的損耗很小。同時(shí)為了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性考慮，中間利用低損耗泡沫填充，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

多層饋電網(wǎng)絡(luò)間利用垂直的金屬化過孔實(shí)現(xiàn)，由于金屬化過孔這種垂直結(jié)構(gòu)會(huì)破壞帶狀線的對(duì)稱性，為了避免產(chǎn)生橫電波(TE)模,利用加裝短路針屏蔽效應(yīng)來截止TE模。利用Ansys HFSS V15.0軟件仿真的此種結(jié)構(gòu)的插損在X頻段不大于0.1 dB。為了解決在整個(gè)工作頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)3個(gè)輻射子陣相差120°的等幅度信號(hào)輸入，需要饋電網(wǎng)絡(luò)保證良好的幅度、相位輸出特性，同時(shí)兼顧低損耗特性，本文采用懸置介質(zhì)帶狀線形式的寬帶謝夫曼(Schiffman)移相器來實(shí)現(xiàn)此功能[15]。

圖3 懸置介質(zhì)帶狀線結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of the suspended substrate stripline

3 仿真驗(yàn)證

3.1 輻射單元仿真結(jié)果

結(jié)合2.2節(jié)設(shè)計(jì)分析，采用Ansys HFSS V15.0軟件進(jìn)行建模，設(shè)計(jì)了工作頻段在7.0～8.5 GHz的加裝FR4介質(zhì)保護(hù)板的微帶疊層圓極化單元天線，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖4所示。

圖4 輻射陣元示意圖
Fig.4 Radiating element

在Ansys HFSS V15.0軟件中，將介質(zhì)板材、泡沫的厚度固定，貼片尺寸(控制頻率諧振點(diǎn))、開槽尺寸、位置(阻抗匹配)為優(yōu)化參數(shù)，考慮到通用性，帶線優(yōu)化的參考阻抗為50 Ω，圖5給出了孤立單元的仿真增益方向圖，圖6給出了相應(yīng)的回波損耗。仿真計(jì)算結(jié)果表明：該單元天線在 7.0～8.5 GHz的帶寬范圍輻射方向圖具備較好的切面一致性，可以作為后續(xù)陣列天線組陣的陣元。

圖5 輻射單元方向圖
Fig.5 Radiating element pattern

圖6 輻射單元回波損耗Fig.6 Isolated radiating element return loss

3.2 饋電網(wǎng)絡(luò)仿真結(jié)果

結(jié)合2.3節(jié)設(shè)計(jì)分析，采用Ansys HFSS V15.0軟件建模，設(shè)計(jì)了工作頻段在7.0～8.5 GHz適用于陣面布局的多層饋電網(wǎng)絡(luò)，其中BFN2構(gòu)成如圖7所示，BFN3構(gòu)成如圖8所示。

圖7 BFN2構(gòu)成Fig.7 BFN2 specifications

圖8 BFN3構(gòu)成Fig.8 BFN3 specifications

將BFN2和BFN3的組合利用全波分析軟件Ansys HFSS V15.0進(jìn)行全波仿真分析，饋電網(wǎng)絡(luò)仿真分析的輸出幅度、相位如圖9所示。由仿真結(jié)果可知，BFN2和BFN3整體的48路輸出插損在7.0～8.5 GHz工作頻帶內(nèi)為-17.1～-17.6 dB，通帶內(nèi)幅度輸出一致性較好，整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗約為0.8 dB。同時(shí)輻射子陣1和輻射子陣2的仿真分析相位差為-118.5°～-122.1°，移向精度為±2.2°范圍內(nèi)。輻射子陣1和輻射子陣3的仿真分析相位差為-236.2°～-244.2°，移向精度為±4.5°范圍內(nèi)。仿真結(jié)果表明，此饋電網(wǎng)絡(luò)在工作頻帶內(nèi)具有較好的幅相輸出特性，可以應(yīng)用到陣列天線中。

圖9 BFN2和BFN3插損、相位差Fig.9 Insert loss and the angle of the BFN2 and BFN3

3.3 整陣仿真結(jié)果

將上述的輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集成建模，應(yīng)用Ansys HFSS V15.0軟件對(duì)整陣?yán)糜邢拊?FEM)進(jìn)行全波仿真分析工作，圖10 給出了整陣端口駐波比仿真圖。整個(gè)工作頻帶內(nèi)，駐波比小于1.43。

圖11給出了7.0 GHz、8.5 GHz仿真的增益方向圖(包含了饋電網(wǎng)絡(luò)損耗)，峰值增益分別為24.49 dBic，24.75 dBic。在7.0 GHz工作頻帶內(nèi)，軸向交叉極化抑制為-50 dB，±4°波束范圍內(nèi)的交叉極化抑制為-34 dB；在8.5 GHz工作頻帶內(nèi)，軸向交叉極化抑制為-35 dB，±4°波束范圍內(nèi)的交叉極化抑制為-25 dB。

圖10 電壓駐波比Fig.10 Array VSWR

圖11 仿真的實(shí)際增益方向圖
Fig.11 Simulation realized gain by Ansys HFSS V15.0

綜合上述仿真結(jié)果，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的X頻段一體化集成微帶陣列天線，通過利用多層結(jié)構(gòu)在實(shí)現(xiàn)天線較低剖面尺寸的同時(shí)能較好地工作于7.0～8.5 GHz頻帶范圍內(nèi)。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型一體化集成的X頻段(7.0～8.5 GHz)微帶陣列天線，具備低剖面、寬頻帶、輕量化、成本低、易于批量生產(chǎn)的特點(diǎn)。仿真結(jié)果表明：一體化集成陣列整體饋電網(wǎng)絡(luò)損耗為0.8 dB。在7.0～8.5 GHz頻帶內(nèi)最大峰值增益為24.75 dBic(包含饋電網(wǎng)絡(luò)損耗)，通帶內(nèi)的軸向交叉極化抑制大于35 dB、±4°波束范圍內(nèi)交叉極化抑制大于25 dB。綜合仿真結(jié)果，該天線能為我國火星探測(cè)著陸器高增益天線的技術(shù)實(shí)現(xiàn)提供設(shè)計(jì)參考。

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(編輯：李多)

Design of an Integrated Broadband Microstrip Array Antenna

LIU Zhijia1,2LEI Ji1,2ZHUANG Jianlou1HAN Yunzhong1,2

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)(2 Engineering Research Center of EMC and Antenna Test Technology,Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

In considering of the requirement of new generation deep space exploration communication,an X band high integration broadband circular polarization microstrip array antenna is introduced in this paper. The array antenna is composed of 48 printed stacked microstrip patch elements and multilayer beam forming network (BFN). Coupled feeding technique is appropriate for new array antenna architectures that integrates the radiating elements with the associated BFN. Sequential rotation technique has been applied on the array to obtain broad bandwidth in return axial ratio performance. The simulation results show that the antenna obtain good performance of gain, VSWR (voltage standing wave ratio) and circular polarization over a wide bandwidth (19.4%). The antenna array can meet the requirement of the new generation deep space exploration communication.

spacecraft；integrated antenna；wideband；circular polarization；array antenna；multilayer beam forming network

2016-08-03；

2016-09-05

劉志佳，男，工程師，從事陣列天線、反射面天線及微波器件設(shè)計(jì)。Email：zhijia.liu@hotmail.com。

TN82

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2016.06.015