Ka頻段雙圓極化相控陣天線設(shè)計

柏艷英

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Ka頻段雙圓極化相控陣天線設(shè)計

柏艷英

（中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610036）

設(shè)計了一個8×8的Ka頻段雙圓極化相控陣天線。該天線單元采用正交縫隙耦合饋電的多層貼片微帶天線，并由一個小型化寬帶3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化。為提高天線圓極化性能，依次旋轉(zhuǎn)天線單元，形成2×2雙圓極化天線子陣。以天線子陣為基礎(chǔ)，擴展成8×8相控陣天線。HFSS仿真結(jié)果表明，天線在方位360°俯仰±60°范圍內(nèi)進行雙圓極化掃描，軸比小于3 dB，且軸比帶寬達30%。該研究結(jié)果可應用于衛(wèi)星通信的雙圓極化相控陣天線的設(shè)計。

Ka頻段；相控陣天線；雙圓極化；枝節(jié)電橋；旋轉(zhuǎn)陣元技術(shù)；衛(wèi)星通信

圓極化天線信號能夠被任意極化的天線接收，且具有抗干擾、防雨霧、抗多路徑效應等優(yōu)點，在衛(wèi)星通信等領(lǐng)域已得到廣泛應用。相控陣天線具有波束掃描的快捷、靈活和近無慣性性能，同時具有體積小、質(zhì)量小、發(fā)射功率大、傳輸高數(shù)據(jù)率和抵抗有害環(huán)境條件等優(yōu)點，常適用于衛(wèi)星通信天線。如美國防御衛(wèi)星通信系統(tǒng)（DSGS）采用X波段雙圓極化相控陣天線實現(xiàn)潛艇的上行和下行傳輸數(shù)據(jù)[1]，我國發(fā)展了基于S頻段終端通過中繼衛(wèi)星進行運載火箭天基遙測[2]。核潛艇在航行及運載火箭、導彈在飛行的過程中姿態(tài)變化大，數(shù)據(jù)傳輸速率高，而X波段和S頻段相控陣天線的傳輸速率不高，無法滿足高速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑢⑻炀€頻段提高到Ka頻段，可在很大程度上提高數(shù)據(jù)傳輸能力，最近意大利發(fā)展了Ka頻段相控陣天線實現(xiàn)了通信應用[3]。

文獻[3]中的Ka頻段相控陣天線是由兩個相距很近的左右旋圓極化相控陣天線構(gòu)成，分別用于發(fā)射和接收。當天線的口徑尺寸有限時，發(fā)射天線和接收天線采用陣元相互交錯排列的兩個左右旋圓極化相控陣天線[4]。為進一步減少天線口徑尺寸，提高口徑利用率，并降低天線成本，需探求雙圓極化相控陣天線，同時實現(xiàn)發(fā)射和接收雙重通信，而關(guān)于Ka頻段的雙圓極化相控陣天線設(shè)計很少見報道。

本文設(shè)計一個8×8的Ka頻段雙圓極化相控陣天線，是通信時的收發(fā)共用天線。該天線單元采用正交縫隙耦合饋電的多層貼片寬帶微帶天線，并由一個小型化寬帶3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化功能。為提高相控陣天線在掃描過程中的圓極化性能，依次順序旋轉(zhuǎn)天線單元，形成2×2雙圓極化天線子陣。以天線子陣為基礎(chǔ)，擴展成8×8相控陣天線。相控陣天線在方位360°、俯仰±60°范圍內(nèi)進行雙圓極化掃描，軸比小于3 dB，且軸比帶寬達30%。該相控陣研究為類似頻段衛(wèi)星通信的雙圓極化相控陣天線的設(shè)計提供了指導。

1 Ka頻段雙圓極化天線單元設(shè)計

該天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中(a)為天線3D視圖，(b)為天線的透視圖。天線由三個部分共7個金屬層和7個介質(zhì)層構(gòu)成，從上到下依次為天線部分、饋線部分和圓極化結(jié)構(gòu)部分。天線部分包括從輻射面（圓形貼片）、主輻射面（方形貼片）、介質(zhì)腔、介質(zhì)層1和介質(zhì)層2，介質(zhì)腔用于增大天線帶寬。饋線部分由兩個正交矩形縫隙地板1、兩個正交饋線層、介質(zhì)層3、介質(zhì)層4和地板2構(gòu)成帶狀線結(jié)構(gòu)，兩個正交矩形縫隙地板1也作為天線部分的地板。在介質(zhì)層3和介質(zhì)層4上設(shè)計金屬化過孔，包圍兩正交矩形縫隙，形成基片集成波導腔。圓極化結(jié)構(gòu)由3 dB枝節(jié)電橋、地板3、介質(zhì)層5、介質(zhì)層6及饋線部分的地板2構(gòu)成帶狀線結(jié)構(gòu)。

兩個正交饋線通過兩個正交的矩形縫隙耦合能量，激勵起兩種正交模式，實現(xiàn)垂直和水平極化工作狀態(tài)，當兩個正交饋線饋入能量幅度相等，相位相差±90°時，天線工作于左旋圓極化或右旋圓極化狀態(tài)。該天線通過帶狀線結(jié)構(gòu)的3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化特性。

天線工作于Ka頻段，采用HFSS軟件進行仿真。介質(zhì)腔和各介質(zhì)層的厚度和相對介電常數(shù)分別為：cave=1 mm，rcave=3.5；1=0.254 mm，r1=2.2；2=0.381 mm，r2=2.2；3=4=0.15 mm，r3=r4=4.5；5=6=0.254 mm，r5=r6=2.2。經(jīng)優(yōu)化后天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：p=3.55 mm，=3.5 mm，1=0.2 mm，1=2.9 mm，2=0.2 mm，2=1.9 mm，3=0.4 mm，3=2.1 mm，4=0.2 mm，4=1.7 mm，5=0.4 mm，5=2.3 mm。

該天線通過帶狀線結(jié)構(gòu)的3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化特性。要覆蓋與天線相同帶寬的3 dB枝節(jié)電橋，其一般的尺寸是多個0/4，這不利于天線在陣列中應用。為減少結(jié)構(gòu)復雜性，利用0/4等效傳輸線法設(shè)計一個結(jié)構(gòu)簡單的寬帶小型化枝節(jié)3 dB電橋如圖2所示[5]，其仿真參數(shù)如圖3所示。由圖3可見，在天線工作的頻帶內(nèi)L和H（H=L+2.5 GHz），該電橋4個端口的回波損耗小于–15 dB，端口之間的隔離度也小于–15 dB，兩條通路21與31之間的相位差小于5°，幅度平衡度小于1 dB。

圖2 小型化枝節(jié)3 dB電橋

圖3 小型化枝節(jié)3 dB電橋S參數(shù)

圖4為天線雙端口駐波特性，VSWR<2時，天線的阻抗帶寬大于30%，軸比AR<3的軸比帶寬為25%。天線軸比方向和增益方向分別如圖5和圖6所示，在頻點L的軸比和增益分別為2.38 dB和6.77 dBi，在頻點H的軸比和增益分別為0.9 dB和6.91 dBi（圖上列出了頻點L左旋圓極化，頻點H右旋圓極化）。

圖4 雙端口駐波特性

2 Ka頻段雙圓極化相控陣設(shè)計

為提高圓極化陣列天線的軸比性能，常采用旋轉(zhuǎn)天線單元的方法。圖7是2×2雙圓極化天線子陣，四個天線單元依次旋轉(zhuǎn)90°，在每個天線3 dB電橋的RHCP端口順時針依次補償–90°相位差，以實現(xiàn)子陣的右旋圓極化；在每個天線3 dB電橋的LHCP端口逆時針依次補償–90°相位差，以實現(xiàn)子陣的左旋圓極化。

圖5 天線軸比方向圖

圖6 天線增益方向圖

圖8是2×2子陣的法向增益方向圖，在頻點L的增益10.91 dBi，左旋圓極化軸比為 0.007 dB，在頻點H的增益12.21 dBi，右旋圓極化軸比為0.005 dB。

將16個2×2子陣擴展成8×8天線陣列，并按公式（1）饋入相位，實現(xiàn)雙圓極化相控陣掃描。公式（1）中，I、E()和Ф是第個天線單元的幅度、方向圖和初始相位。在所有LHCP端口和RHCP端口分別按子陣的左旋方式和右旋方式分別補償初始相位，實現(xiàn)相控陣雙圓極化掃描，其掃描增益方向圖如圖9所示，掃描中的軸比與增益如表1所示。天線陣列在±60°范圍內(nèi)掃描，軸比小于3 dB，且在整個阻抗范圍內(nèi)軸比都小于3 dB。在最大掃描角位置，天線的低頻增益下降3 dB左右，高頻增益下降較大，約5.5 dB?？赏ㄟ^調(diào)整陣元間距，減少增益下降程度。

圖8 2×2子陣的法向增益方向圖

圖9 8×8天線陣列掃描增益方向圖（方位面）

表1 8×8相控陣天線掃描特性

Tab.1 Scanning characteristics of 8×8 phased array antenna

3 結(jié)論

設(shè)計了一個8×8的Ka頻段雙圓極化相控陣天線，該天線具有三個特點，一是天線單元采用小型化寬帶3 dB枝節(jié)電橋?qū)崿F(xiàn)雙圓極化功能，結(jié)構(gòu)緊湊；二是采用順序旋轉(zhuǎn)天線單元，形成2×2雙圓極化天線子陣，提高了天線在掃描過程中的雙圓極化性能；三是天線剖面低、帶寬寬，阻抗和軸比帶寬都能達30%。該相控陣研究為類似頻段衛(wèi)星通信的雙圓極化相控陣天線的設(shè)計提供了指導。

[1] LEE K M, EDIE J, KRUEGER R, et al. A low profile X-band active phased array for submarine satellite communications [C]// Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. NY, USA: IEEE, 2000: 231-234.

[2] 張勁松, 劉靖, 高祥武. 基于中繼衛(wèi)星的運載火箭遙測傳輸技術(shù)[J]. 導彈與航天運載技術(shù), 2009(6): 11-15.

[3] TRIPODI M, DIMARCA F, CADILI T, et al. Ka band active phased array antenna system for satellite communication on the move terminal [C]//Proceedings of 2012 IEEE First AESS European Conference on Satellite Telecommunications. NY, USA: IEEE, 2012.

[4] LUO Q, ZHANG L, GAO S, et al, Interleaved dual-band circularly polarized active array antenna for satellite communications [C]//Proceedings of 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation. NY, USA: IEEE, 2015: 1-5.

[5] TANG C W, CHEN M G. Synthesizing microstrip branch-line couplers with predetermined compact size and bandwidth [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(9): 1926-1934.

（編輯：陳渝生）

Design of Ka-band dual circularly polarized phased array antenna

BAI Yanying

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

An 8×8 Ka-band dual circular polarization phased array antenna was designed. The antenna elements were multilayer microstrip antennas and each element was coupled fed by two orthogonal slots and consists of a miniaturized broadband 3 dB branch-line coupler (BLC) to achieve dual circular polarization. In order to improve the performance of the circular polarization of the proposed antenna, four elements were rotated in turn to form a 2×2 dual circular polarization sub-array. Based on the 2×2 sub-array, an 8×8 phased array antenna was fabricated. The HFSS simulating results show that the array antenna can scan in the range of 60° and the azimuth of 360° with dual circular polarization. The axial ratio is less than 3 dB and the axial ratio bandwidth is up to 30%. The research of this array antenna can be used for the design of dual circular polarization phased array antenna of satellite communication.

Ka-band; phased array antenna; dual circularly polarized; branch-line coupler; rotating array element technique; satellite communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.009

TN702

A

1001-2028（2017）11-0047-05

2017-08-30

柏艷英（1978－），女，湖南祁陽人，博士，主要從事相控陣天線研究，E-mail: yanying_bai@163.com。

2017-11-02 15:46

網(wǎng)絡出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1546.009.html