一種星載Ka頻段圓極化振子天線陣列設(shè)計(jì)

常俊德， 邢斯瑞， 易 進(jìn)

(長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司， 吉林 長(zhǎng)春 130000)

0 引 言

現(xiàn)代化的科技進(jìn)步使得無(wú)線通信無(wú)處不在， 天線的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣， 在無(wú)線通信領(lǐng)域幾乎都能看到天線的身影. 天線的發(fā)展過(guò)程也是由單個(gè)天線的使用到很多天線組成陣列來(lái)增強(qiáng)天線的性能[1-2]. 陣列天線的應(yīng)用很廣， 目前不僅應(yīng)用于單一的增強(qiáng)性能， 還主要應(yīng)用于電子掃描、 合成孔徑雷達(dá)、 相控陣天線等等. 此外， 天線的頻段使用范圍也已經(jīng)由低頻段在向高頻段發(fā)展， 目前， 星載陣列天線的頻段已由X頻段逐漸向Ka頻段改變[3-5].

常用星載毫米波天線主要有微帶天線、 振子天線及波導(dǎo)天線3種形式. 微帶天線具有寬帶、 輕質(zhì)、 易于加工和成本低等優(yōu)勢(shì)， 但是微帶天線陣面的防護(hù)設(shè)計(jì)比較復(fù)雜， 而且對(duì)電性能影響較大[6]； 波導(dǎo)天線具有電性能高效、 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高， 低頻段加工工藝成熟， 單元互耦較小等優(yōu)點(diǎn)， 但在Ka頻段， 其加工難度大， 內(nèi)部的圓極化形成結(jié)構(gòu)相對(duì)精細(xì)， 不便于將天線進(jìn)行單獨(dú)加工[7]； 振子天線具有高效、 加載聚酰亞胺介質(zhì)材料后的耐空間環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、 可以單獨(dú)加工、 采用旋轉(zhuǎn)饋電后容易實(shí)現(xiàn)良好的軸比等特性[8-9]. 鑒于以上3種天線單元的優(yōu)缺點(diǎn)， 本設(shè)計(jì)選擇耐輻照加載聚酰亞胺材料的振子天線作為天線陣列的基本輻射單元.

針對(duì)目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)高頻段、 寬帶寬、 寬波束的需求[10-11]， 本文設(shè)計(jì)了一種星載Ka頻段圓極化振子天線發(fā)射陣列. 天線單元采用非對(duì)稱雙臂振子單元形式， 選擇耐輻照加載聚酰亞胺材料， 十字交叉振子采用自相移結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化. 天線陣列采用三角形排布的方式， 通過(guò)調(diào)整布陣時(shí)天線單元旋轉(zhuǎn)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)陣列的右旋圓極化. 設(shè)計(jì)的振子陣列天線可實(shí)現(xiàn)較好的圓極化、 寬波束， 適合組陣， 并且性能可靠、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單.

1 天線單元設(shè)計(jì)與仿真

天線單元采用非對(duì)稱雙臂振子單元形式， 選擇耐輻照加載聚酰亞胺材料， 接口為SMP接口形式， 天線極化形式為右旋圓極化， 天線單元尺寸為6.7 mm×6.7 mm×6.5 mm， 天線單元結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

圖 1 天線單元三維結(jié)構(gòu)圖

十字交叉振子通過(guò)兩個(gè)在空間上相互正交的幅度相等、 相位相差90° 的電流形成圓極化輻射. 實(shí)現(xiàn)相位相差90° 可以通過(guò)雙饋電結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)， 也可以通過(guò)單饋電自相移結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn). 雙饋電方式需要90° 移相器或者饋電巴倫來(lái)實(shí)現(xiàn)圓極化， 如采用此種方式組陣， 會(huì)增加饋電結(jié)構(gòu)復(fù)雜度. 因此， 本案采用單饋電自相移方式實(shí)現(xiàn)十字交叉振子的圓極化. 輻射振子本身取不同電長(zhǎng)度時(shí)， 其上電流會(huì)變現(xiàn)出不同相位. 當(dāng)對(duì)稱振子電長(zhǎng)度接近半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)， 其輸入阻抗近似純電阻， 加激勵(lì)電壓時(shí)， 饋電處電流的初始相位可認(rèn)為是0°； 若振子長(zhǎng)度小于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)， 其輸入阻抗程容性， 饋電處電流相位相對(duì)于0° 表現(xiàn)出超前性； 若振子電長(zhǎng)度大于半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)， 其輸入阻抗會(huì)呈現(xiàn)感性， 其饋電處電流相位相對(duì)于0° 表現(xiàn)出滯后性.

如圖 2 所示， 正交放置的振子同時(shí)饋電時(shí)， 適當(dāng)調(diào)節(jié)兩對(duì)振子的長(zhǎng)度， 可使其上電流相位差正好滿足90°， 兩對(duì)振子相對(duì)于饋電點(diǎn)的擺放位置不同， 可產(chǎn)生左旋或者右旋圓極化輻射. 設(shè)計(jì)中， 將兩振子諧振頻率調(diào)節(jié)到發(fā)射頻段附近， 并將長(zhǎng)臂和短臂位置互換， 則輻射右旋圓極化波.

圖 2 十字交叉振子產(chǎn)生圓極化饋電方式

利用HFSS仿真軟件對(duì)天線單元進(jìn)行性能仿真， 仿真結(jié)果如圖 3～圖 5 所示， 在工作頻段 19.2 GHz～21.2 GHz內(nèi)， 駐波比小于1.21， 增益大于6 dB， 帶內(nèi)軸比最低為0.187 dB， 在41.5%的頻率帶寬內(nèi), 右圓極化的軸比均在2 dB 以下， 表征了天線單元具有很好的極化效率和極化純度.

圖 3 天線單元駐波比曲線

圖 4 天線單元軸比曲線

圖 5 天線單元方向圖

天線單元實(shí)物加工出來(lái)后， 對(duì)天線單元的方向圖進(jìn)行實(shí)測(cè)， 結(jié)果如圖 6 所示.

圖 6 天線單元實(shí)測(cè)方向圖

通過(guò)圖 5 和圖 6 的仿真方向圖和天線實(shí)測(cè)方向圖可以看出， 天線單元實(shí)現(xiàn)效果較好， 天線單元實(shí)測(cè)增益和仿真結(jié)果相近， 并且， 天線單元在波束邊緣具有更好的增益效果.

2 天線陣列設(shè)計(jì)與仿真

2.1 天線陣列設(shè)計(jì)

天線陣列設(shè)計(jì)采用三角形排布的方式， 如圖 7 所示， 在不出現(xiàn)柵瓣的情況下， 盡可能地將單元的間距拉大， 以實(shí)現(xiàn)較大的陣面增益， 天線陣面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬角(60°)掃描范圍. 其不出現(xiàn)柵瓣時(shí)的陣元間距可以用下式估算選取[12]

式中：λ是最高工作頻率所對(duì)應(yīng)的自由空間波長(zhǎng)；θ為最大掃描角度.

圖 7 陣面排布示意圖

本文設(shè)計(jì)采用旋轉(zhuǎn)饋電方式組成16單元發(fā)射天線陣列， 陣列結(jié)構(gòu)如圖 8 所示， 實(shí)物圖如圖 9 所示. 經(jīng)計(jì)算得到陣列單元間距dx=8.8 mm，dy=15.2 mm. 天線陣列選擇多元法實(shí)現(xiàn)圓極化， 具體采用4個(gè)天線單元為一組， 作為陣列基礎(chǔ)單元來(lái)實(shí)現(xiàn)寬角掃描圓極化陣列. 對(duì)于發(fā)射右旋天線， 每個(gè)單元的右旋極化相位(以左下角單元相位為基準(zhǔn))為90°， 0°， 270°， 180°.

圖 8 天線陣列結(jié)構(gòu)圖

圖 9 天線陣列實(shí)物圖

2.2 天線陣列仿真

通過(guò)HFSS仿真軟件對(duì)16單元發(fā)射天線陣列進(jìn)行性能仿真， 仿真結(jié)果如圖 10～圖 15 所示.

圖 10 陣列法向駐波比曲線

圖 11 陣列法向軸比曲線

圖 12 陣列法相方向圖

圖 13 陣列掃描60°駐波比曲線

圖 14 陣列掃描60°軸比曲線

圖 15 陣列掃描60°方向圖

通過(guò)仿真結(jié)果可知， 陣列駐波比除了陣面四周由于邊緣效應(yīng)引起的駐波比偏大外， 其余都小于1.5. 在整個(gè)掃描空域內(nèi)， 天線陣列的軸比小于2.3 dB， 表明天線具有很好的圓極化特性. 通過(guò)方向圖仿真結(jié)果可以看出， 掃描60°時(shí)， 天線增益下降小于5dB， 表明天線陣列具有較高的輻射功率.

天線陣列實(shí)物加工出來(lái)后， 對(duì)天線陣列的方向圖進(jìn)行實(shí)測(cè)， 結(jié)果如圖 16、 圖 17 所示.

圖 16 陣列法向?qū)崪y(cè)方向圖

圖 17 陣列掃描60°實(shí)測(cè)方向圖

通過(guò)圖 16 和圖 17 的天線實(shí)測(cè)和仿真方向圖可以看出， 天線方向圖中天線的增益實(shí)測(cè)和仿真值相比， 波束范圍內(nèi)誤差在4 dB內(nèi)， 波速邊緣誤差在7 dB內(nèi). 結(jié)果表明， 天線陣列的實(shí)現(xiàn)效果較好， 天線陣列實(shí)測(cè)增益和仿真結(jié)果相近， 并且天線陣列在波束邊緣具有更好的增益效果.

3 結(jié) 論

本文針對(duì)Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求， 設(shè)計(jì)了一種星載Ka頻段圓極化振子天線發(fā)射陣列， 天線陣列極化方式為右旋圓極化. 除了陣面四周由于邊緣效應(yīng)引起的天線陣列駐波比偏大外， 其余都小于1.5. 天線陣列具有良好的圓極化特性和較高的輻射功率. 該振子陣列天線可實(shí)現(xiàn)較好的圓極化、 寬波束， 適合組陣， 并且性能可靠、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景.