星載柔性圓極化薄膜天線*

李 春，朱瑞龍，謝成清，賈朝鋒，高爾遠，曹 誕

（1 深圳航天東方紅衛(wèi)星有限公司 深圳 518057 2 西安矩陣無線科技有限公司 西安 710199）

引 言

隨著商業(yè)航天的興起，商業(yè)衛(wèi)星的應用領(lǐng)域也越來越廣泛。從衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)星座到高精度星載SAR成像，星載天線作為衛(wèi)星必不可少的器件也將得到發(fā)展。商業(yè)衛(wèi)星多數(shù)為微納和皮納等小衛(wèi)星平臺，可滿足低成本、批量化的生產(chǎn)要求，以及具備一箭多星的發(fā)射能力。為了提升小衛(wèi)星平臺以及載荷的通信能力，需要天線具備高增益的特點。天線的口徑尺寸和增益密切相關(guān)，為了提升天線輻射增益，需要衛(wèi)星天線具備對應的輻射口徑[1]。為了解決星載大口徑天線包絡(luò)尺寸大的問題，高性能可收納天線是一個重要的研究領(lǐng)域，特別是薄膜天線具有很大的研究價值[2,3]。將薄膜作為天線基材，可滿足天線在發(fā)射入軌前的合理收納，以及在軌后的展開，有效解決衛(wèi)星平臺包絡(luò)較小以及對于大口徑、高增益天線功能相矛盾的問題。薄膜天線是微帶天線的一種特例，以薄膜作為介質(zhì)基板，基板的厚度尺寸約100 μm 或更小，其厚度甚至遠小于微帶線寬，其Q 值較常規(guī)微帶天線會更高，天線帶寬也更窄[4]。對于薄膜天線的寬帶特性已經(jīng)有較多的研究，2009 年，南京電子技術(shù)研究所對薄膜微帶貼片天線單元和薄膜印刷振子天線單元進行了研究[5]，主要以薄膜作為一層輻射單元的附著結(jié)構(gòu)來使用，在薄膜下方有空氣層作為介質(zhì)基板的一部分，獲得了與常規(guī)微帶貼片天線一致的帶寬。文獻[6]將薄膜（厚度為787 μm）作為基材的單層微帶天線，通過增加寄生單元也獲得15 %的相對帶寬，但該基板相對較厚。文獻[7]采用縫隙耦合的多層薄膜（單層膜厚度為127 μm）以陣列天線形式獲得較寬的帶寬。文獻[8]采用特殊的單極子形式在厚度為300 μm 的薄膜上獲得8 %帶寬。文獻[9]采用薄膜材料設(shè)計了一個可折疊天線陣面。以上所有研究中，天線單元均為線極化，無法滿足衛(wèi)星通信對于圓極化天線的需求；同時，展寬帶寬主要是通過縫隙耦合或采用單極子（偶極子）等方式，導致天線整體剖面較高，對于大口徑天線的收納和展開造成了困難。

為了有效展寬薄膜天線工作帶寬并具備可收納和展開的特點，本文采用127 μm 厚度薄膜作為基材，針對X 波段16×8 的陣列單元進行二次、三次和四次圓極化旋轉(zhuǎn)布陣以及串并聯(lián)方式饋電[10]，有效改善薄膜天線單元工作帶寬，將駐波（VSWR≤2.0）和軸比（AR≤3 dB）帶寬分別從0.5 %和0.25 %，提升至10 %和4 %，對于薄膜天線的應用推廣具有重要意義。

1 圓極化陣列天線的旋轉(zhuǎn)布陣與串并聯(lián)饋電

1.1 天線單元設(shè)計

薄膜天線是以薄膜基材為基礎(chǔ)，在薄膜表面增加一定形狀的金屬鍍層，實現(xiàn)特定的輻射特性。圓極化的產(chǎn)生需要天線在輻射口徑上構(gòu)建一組在時間和空間上相互正交、幅度相等的電場[11]。薄膜天線的圓極化單元采用切角方形貼片[12]，以使貼片表面產(chǎn)生一組簡并模電場，滿足圓極化實現(xiàn)的基本要素。如圖1 所示，薄膜介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)εr=2.2，基材厚度h=127 μm，在中心頻點為8.5 GHz時，貼片尺寸W=L=11.8 mm，切角長度Ls=0.92 mm。經(jīng)仿真，天線單元的增益約為6.5 dBi，駐波帶寬（VSWR≤2.0）約為40 MHz，軸比帶寬（AR≤3.0 dB）約為20 MHz。

圖1 天線單元模型Fig.1 Model of antenna unit

1.2 旋轉(zhuǎn)布陣原理

為了實現(xiàn)薄膜天線的寬帶圓極化輻射特性，以右旋圓極化為例，以2×2 規(guī)模的陣列天線作為一個子陣，將子陣中的每個單元依次旋轉(zhuǎn)角度θ；同時，對每個天線單元的饋電相位也依次滯后θ。其中，旋轉(zhuǎn)布陣主要包含以下兩種情況，如圖2 所示：Case1 中的天線單元依次順時針旋轉(zhuǎn)90°，表明各單元電場相位超前90°，這樣便需要饋電相位依次滯后90°，最終實現(xiàn)各天線單元輻射電場相位一致；Case2 中的天線單元旋轉(zhuǎn)方向與Case1 中的相反，通過饋電相位的補償，可實現(xiàn)同樣的效果。

1.3 串并聯(lián)饋電原理

陣列圓極化天線采用旋轉(zhuǎn)布陣形式，需對天線單元進行相位補償。如圖2所示，四個天線單元需依次采用相位超前/滯后90°的饋電形式。饋電形式大概分為兩類，一類為并聯(lián)饋電，一類為串并聯(lián)饋電，如圖3 所示。并聯(lián)饋電采用三個一分二功分器順序級聯(lián)，實現(xiàn)四端口等幅輸出，通過每個功分器輸出端口饋線的不同長度實現(xiàn)相鄰端口相位依次相差90°。串并聯(lián)饋電是每個端口都串于一條傳輸線上，傳輸線在相鄰端口之間的距離均為λg/4，以實現(xiàn)相鄰端口之間的90°相位差[13]。

圖2 旋轉(zhuǎn)布陣方式Fig.2 Structure of rotating array

圖3 并聯(lián)饋電和串并聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of parallel feeding and series-parallel feeding network

相比并聯(lián)饋電，串并聯(lián)饋電結(jié)構(gòu)簡單，布局對稱；對于多次旋轉(zhuǎn)的布陣形式，便于子陣內(nèi)部和子陣之間相互旋轉(zhuǎn)饋電。因此，本文將采用串并聯(lián)饋電形式對旋轉(zhuǎn)布陣單元進行饋電。

串并聯(lián)饋電的阻抗匹配分析如下：為了實現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)中每個端口之間的匹配，假設(shè)每個端口之間特性阻抗為Z0，饋電網(wǎng)絡(luò)每部分阻抗關(guān)系如圖4，每個天線端口都經(jīng)過λg/4 變換與串行網(wǎng)絡(luò)相連接，串行網(wǎng)絡(luò)相鄰天線之間的間距也為λg/4。從網(wǎng)絡(luò)P4 端口分析，取Z4=Z0，Zt3=Z0，Z3=Z0，在A 點的輸入阻抗Za。

圖4 串并聯(lián)饋電匹配網(wǎng)絡(luò)示意圖以及仿真模型圖Fig.4 Schematic diagram and simulation model of series-parallel feed matching network

B 點的輸入阻抗為A 經(jīng)過Zt3變換之后與P3 經(jīng)過Z3變換之后阻抗并聯(lián)，C 點的輸入阻抗為B 點的輸入阻抗經(jīng)過Zt2變換之后與P2 在C 點輸入阻抗的并聯(lián)。為了方便，取Z2=Z0，則P2 經(jīng)過Z2變換后在C 點的阻抗也為Z0。取Zt2=Z0/2，則經(jīng)過Zt2變換后阻抗為Z0/2。

從功率分配考慮，P1 占總能量的25 %，由于在D 點Z0經(jīng)Z1變換后與Zc經(jīng)Zt1變換后是并聯(lián)關(guān)系，而在總端口P_sum 處總功率為V2/Z0，則P1 在D 處分配功率為0.25V2/Z0，則P1 經(jīng)變Z1變換后的阻抗為4Z0。

同時除了P1 獲得功率外，另外75 %的V2/Z0功率被P2、P3、P4 獲得，則Zc經(jīng)過Zt1變換后的阻抗為，由此可得

2 圓極化陣列天線的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 陣列天線的旋轉(zhuǎn)方式設(shè)計

為實現(xiàn)16×8 薄膜陣列天線寬帶、高增益的輻射特性，可以將該陣列分為兩組8×8 的陣列進行并聯(lián)實現(xiàn)；每個8×8 的陣列需要將圓極化天線單元進行三次旋轉(zhuǎn)布陣。如圖5 所示：首先，將2×2 陣列中的四個單元依次旋轉(zhuǎn)90°，此形式稱為“二次圓極化”；其次，以“二次圓極化”的2×2 陣列作為子陣單元，再次進行2×2 布陣并將四個子陣單元依次旋轉(zhuǎn)90°，形成4×4 的陣列規(guī)模，此形式稱為“三次圓極化”；最后，將“三次圓極化”的4×4 陣列作為子陣單元，再次進行2×2 布陣并將四個子陣單元依次旋轉(zhuǎn)90°，形成8×8 的陣列規(guī)模，此形式稱為“四次圓極化”。通過對圓極化單元的三次旋轉(zhuǎn)布陣，最終實現(xiàn)“四次圓極化”形式的8×8 陣列。

經(jīng)仿真優(yōu)化，陣列的參數(shù)見表1。

從表1 可知，將天線單元進行三次旋轉(zhuǎn)布陣后，隨著陣列規(guī)模的增大，天線單元尺寸保持不變。

表1 陣列設(shè)計參數(shù)Table 1 Parameters of the array

經(jīng)仿真分析，如圖6 所示，2×2、4×4 和8×8天線陣的駐波帶寬（VSWR≤2.0）分別為260 MHz、360 MHz 和不小于800 MHz，相比天線單元，相對帶寬從0.5 %拓展至3 %、4.2 %和9 %；軸比帶寬（AR≤3.0 dB）分別為90 MHz、300 MHz 和400 MHz，相對帶寬從0.25 %拓展至1.1 %、3.75 %和4.7 %，隨著旋轉(zhuǎn)次數(shù)的增加，軸比帶寬改善明顯。

圖6 2×2 天線陣、4×4 天線陣和8×8 天線陣駐波和軸比仿真結(jié)果Fig.6 Simulation of 2×2 array,4×4 array and 8×8 array

2.2 陣列天線的實現(xiàn)與測試

根據(jù)以上設(shè)計思路，結(jié)合實際的工程應用中將薄膜陣列天線貼附于太陽能帆板對地面的需求[14]，天線陣列規(guī)模采用16×8 形式。將上述8×8 陣列天線旋轉(zhuǎn)180°，并采用并聯(lián)反相饋電，實現(xiàn)16×8 布陣規(guī)模，天線實際口徑為371 mm×180 mm。同時結(jié)合仿真模型及實際安裝接口，對以上模型進行加工，天線陣的仿真和實物如圖7 所示。

圖7 16×8 天線陣仿真模型和加工實物Fig.7 Simulation model and photograph of the proposed 16×8 array

在微波暗室中對天線的輻射和端口性能進行測試，如圖8 所示。由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測得天線饋電端口的VSWR 和仿真數(shù)據(jù)進行比較，如圖9（a）所示，由圖可知：實測與仿真數(shù)據(jù)一致性較好，駐波帶寬（VSWR≤2.0）達到約9.9 %。天線的軸比測試和仿真數(shù)據(jù)對比如圖9（b）所示，軸比數(shù)據(jù)隨頻率變化的規(guī)律一致，實測值相較于設(shè)計值略有抬升，軸比帶寬（AR≤3 dB）達到約4 %，符合設(shè)計要求。

圖8 16×8 陣列天線測試圖Fig.8 Photograph of the 16×8 array antenna test

圖10 中，分別對不同頻點的增益和軸比方向圖進行仿真和測試比較可以看出：天線方向圖重合度較高，增益設(shè)計值相對于實測值高約1.5 dB 左右，軸比實測值相較于設(shè)計值高1.3 dB 左右。這表明，多次旋轉(zhuǎn)布陣和串并聯(lián)順序旋轉(zhuǎn)饋電方式，可以顯著提升薄膜天線工作帶寬和輻射特性。

圖10 16×8 天線陣增益和軸比方向圖仿真和測試結(jié)果Fig.10 Simulation and measurement of the pattern and axial ratio of the 16×8 array antenna

3 結(jié)束語

從星載天線實際應用需求出發(fā)，以柔性薄膜材料（厚度為127 μm）作為天線基板。為克服薄膜材料高Q 值對天線帶寬的和圓極化軸比的制約，采用多次旋轉(zhuǎn)布陣和串并饋電網(wǎng)絡(luò)對天線陣進行饋電。通過仿真分析可得，采用多次（本文3 次）旋轉(zhuǎn)布陣，天線駐波帶寬從單元天線的不到1 %展寬到10 %，天線軸比帶寬也相應地提高到4 %。以此為基礎(chǔ)設(shè)計128 單元天線陣，通過加工測試，進一步印證了上述方法可以有效拓寬天線陣的軸比和駐波帶寬。此種布陣和饋電形式的陣列天線可以作為圓極化薄膜天線的一種，具有重要的使用價值。