K 頻段雙極化衛(wèi)星通信接收相控陣天線

時(shí)立鋒, 金世超,2, 劉敦歌,2, 吳 冰, 袁 野, 龔志紅

（1. 北京衛(wèi)星信息工程研究所, 北京 100094; 2. 天地一體化信息技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100094; 3. 中國(guó)人民解放軍93160部隊(duì), 北京 100071）

0 引言

近年來(lái), 國(guó)外以Starlink、OneWeb 為代表的低軌寬帶通信衛(wèi)星星座建設(shè)迅速推進(jìn), Starlink 已完成近2000 顆星鏈衛(wèi)星部署, OneWeb 已完成394 顆衛(wèi)星部署［1-4］。 國(guó)內(nèi)先后發(fā)射了相關(guān)試驗(yàn)衛(wèi)星［2,4］,持續(xù)開(kāi)展在軌驗(yàn)證工作。

高低軌寬帶通信衛(wèi)星數(shù)量和容量的快速提升給衛(wèi)星通信終端天線提出了新的應(yīng)用需求［5-9］: 第一, 終端天線支持跨星跨波束快速切換; 第二,不同場(chǎng)景特別是未來(lái)消費(fèi)級(jí)應(yīng)用場(chǎng)景低剖面、輕量化需求; 第三, 規(guī)?；瘧?yīng)用低成本。

傳統(tǒng)終端天線采用伺服平板天線或伺服拋物面天線架構(gòu), 伺服響應(yīng)速度慢、剖面高、質(zhì)量大［2,4,9］。 而相控陣天線的波束切換可達(dá)到微秒（μs）量級(jí), 具有增益高、旁瓣低、可支持波束賦形等優(yōu)勢(shì)。 相控陣天線根據(jù)其物理架構(gòu)可以分為磚式相控陣和瓦式相控陣兩種: 磚式相控陣發(fā)展較早,集成度較低, 整體尺寸大; 瓦式相控陣采用層間垂直互聯(lián)技術(shù), 具有更高集成度、低剖面、小體積、小質(zhì)量等優(yōu)勢(shì), 特別是近年硅基毫米波芯片低成本優(yōu)勢(shì)和高密度射頻PCB 工藝技術(shù)發(fā)展為低成本衛(wèi)通相控陣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)［5-6］。

針對(duì)低軌寬帶衛(wèi)星通信終端相控陣天線應(yīng)用需求, 本文提出了一種K 頻段圓極化可切換接收相控陣天線, 天線采用疊層十字縫隙耦合形式,工作在18.5GHz～20.0GHz 頻段。 與傳統(tǒng)的圓極化陣列天線相比, 該瓦式相控陣天線采用雙線極化合成圓極化, 采用旋轉(zhuǎn)饋電實(shí)現(xiàn)二次圓極化, 進(jìn)一步展寬了帶寬。 天線以2 ×2 陣列為模塊擴(kuò)展為8 ×8 陣列, 采用多層PCB 疊層架構(gòu), 集成天線層、電源層、控制層、功合網(wǎng)絡(luò)層和芯片層等, 實(shí)現(xiàn)了天線網(wǎng)絡(luò)芯片一體化低剖面集成, 可實(shí)現(xiàn)快速波束掃描以及左右旋圓極化切換功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

K 頻段極化可切換64 陣元接收相控陣天線架構(gòu)如圖1 所示。 單個(gè)天線單元輸出水平極化和垂直極化兩個(gè)饋電端口, 與多功能射頻芯片的兩個(gè)射頻接收通道相連, 通過(guò)控制兩個(gè)線極化端口的饋電相位差, 實(shí)現(xiàn)天線圓極化合成與左右旋圓極化切換。 同時(shí), 以2 ×2 陣列為主體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排布以實(shí)現(xiàn)二次圓極化設(shè)計(jì), 進(jìn)一步提高相控陣天線圓極化軸比性能。

圖1 K 頻段64 陣元接收相控陣天線架構(gòu)Fig.1 Architecture of K-band 64 element receiving phased array antenna

采用單個(gè)8 通道多功能射頻接收芯片可實(shí)現(xiàn)對(duì)2×2 接收天線模塊的相位控制與功率合成, 通過(guò)功合網(wǎng)絡(luò)可實(shí)現(xiàn)對(duì)16 個(gè)芯片射頻輸出信號(hào)的再次功率合成, 實(shí)現(xiàn)64 陣元相控陣天線的射頻信號(hào)接收。

1.2 G/T 值設(shè)計(jì)

G/T 值是相控陣天線的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo), 為天線增益和天線噪聲溫度的比值。 天線的G/T 值越大,代表接收系統(tǒng)的性能越好。 相控陣天線接收前端噪聲鏈路如圖2 所示, 空間信號(hào)經(jīng)天線接收后, 通過(guò)金屬化過(guò)孔與共面波導(dǎo)線連接至芯片, 經(jīng)過(guò)芯片進(jìn)行第一級(jí)功率合成, 再經(jīng)功合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行第二級(jí)功率合成。

圖2 相控陣接收前端噪聲鏈路Fig.2 Noise link of phased array receiving front end

式（1）中, 天線噪聲溫度TA為150K, 傳輸線損耗LT為0.5dB, 傳輸線物理溫度Tp為290K, 射頻芯片噪聲系數(shù)NF為2.4dB, 增益G0為20dB,功合網(wǎng)絡(luò)損耗（含測(cè)試線纜損耗）LN為6.3dB。 經(jīng)計(jì)算, 系統(tǒng)等效噪聲溫度Tsys為436.2K。

式（2）中,G為天線增益。 64 陣元接收天線陣列增益在頻點(diǎn)18.5GHz、19.2GHz 和20.0GHz 處分別為19.3dB、20.6dB 和18.8dB, 經(jīng)計(jì)算對(duì)應(yīng)的G/T值分別為 - 7.1dB/K、- 5.8dB/K 和-7.6dB/K。

1.3 疊層設(shè)計(jì)

相控陣為瓦式層疊架構(gòu), 采用多層PCB 混壓工藝實(shí)現(xiàn)。 天線印刷在多層PCB 的Top 層, 多功能射頻接收芯片經(jīng)工藝封裝后表貼在多層PCB 的Bottom 層, 合成網(wǎng)絡(luò)、控制和饋電網(wǎng)絡(luò)在多層PCB內(nèi)部通過(guò)基板走線實(shí)現(xiàn), 天線與射頻芯片、射頻芯片與合成網(wǎng)絡(luò)、電源、控制網(wǎng)絡(luò)均通過(guò)金屬化過(guò)孔實(shí)現(xiàn)電連接。 具體疊層結(jié)構(gòu)如圖3 所示, 天線整體厚度為3.3mm, 與傳統(tǒng)磚式相控陣架構(gòu)相比,本文采用瓦式層間垂直互聯(lián)的疊層架構(gòu), 降低了天線整體剖面高度, 減少了射頻連接器數(shù)量, 具有低成本、低剖面、小質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 多層PCB 疊層架構(gòu)Fig.3 Diagram of multi-layer PCB stacking architecture

2 相控陣單元天線與陣列設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)圓極化可切換功能, 相控陣天線單元設(shè)計(jì)為雙線極化天線單元, 天線單元輸出水平極化（H 端口）和垂直極化（V 端口）兩個(gè)饋電端口。 對(duì)比了文獻(xiàn)結(jié)果, 采用疊層十字縫隙耦合天線, 同時(shí)以2 ×2 陣列為主體, 如圖4 所示, 進(jìn)行旋轉(zhuǎn)排布以實(shí)現(xiàn)二次圓極化設(shè)計(jì), 進(jìn)一步提高相控陣天線圓極化軸比性能。 若天線兩個(gè)端口到射頻芯片通道的電長(zhǎng)度相等, 則二次圓極化旋轉(zhuǎn)饋電相位示意如圖5 所示。 若電長(zhǎng)度不相同, 則需要進(jìn)行相應(yīng)的相位補(bǔ)償。 采用二次圓極化與非二次圓極化對(duì)軸比的改善仿真結(jié)果對(duì)比如圖6 所示。

圖4 2 ×2 陣列整體結(jié)構(gòu)Fig.4 Overall structure of 2 ×2 array

圖5 2 ×2 陣列二次圓極化饋電相位示意Fig.5 Schematic diagram of secondary circular polarization feeding phase for 2 ×2 array

圖6 二次圓極化對(duì)軸比的改善（2 ×2 陣列）Fig.6 Improvement of axial ratio by secondary circular polarization（2 ×2 array）

以2×2 陣列為模塊擴(kuò)展為8 ×8 陣列, 利用電磁仿真軟件進(jìn)行全波仿真, 其歸一化方向圖如圖7、圖8 所示, 相控陣天線可實(shí)現(xiàn)±60°掃描以及圓極化切換。 由于采用“雙線極化天線+移相控制” 實(shí)現(xiàn)雙圓極化功能切換, 左旋與右旋分時(shí)共用同一天線,因而左旋和右旋天線性能具有良好的一致性。

圖8 右旋圓極化歸一化方向圖@19.2GHzFig.8 Normalized pattern of right-handed circular polarization@19.2GHz

3 相控陣測(cè)試與分析

64 陣元接收相控陣天線樣機(jī)如圖9 所示, 整體尺寸為66mm ×160mm ×10mm, 集成了16 個(gè)多功能射頻接收芯片（共128 路衰減移相器）以及供電芯片、FPGA、Flash 等, 整板對(duì)外輸出1 個(gè)接收射頻信號(hào)的射頻連接器以及1 個(gè)供電及控制數(shù)據(jù)下發(fā)的低頻連接器。

圖9 64 陣元接收相控陣天線樣機(jī)Fig.9 Diagram of 64 element receiving phased array antenna prototype

在微波暗室對(duì)64 陣元接收相控陣天線進(jìn)行平面近場(chǎng)掃描測(cè)試, 由于左旋與右旋具有較好的一致性, 本文僅展示左旋方向圖測(cè)試結(jié)果。 天線測(cè)試方向圖與軸比如圖10、圖11 和圖12 所示, 其法向軸比小于2dB, 掃描軸比小于4.5dB。

圖10 平面近場(chǎng)掃描測(cè)試三維方向圖-左旋@19.2GHzFig.10 3D pattern of plane near-field scanning test-left rotation@19.2GHz

圖11 左旋圓極化測(cè)試歸一化方向圖@19.2GHzFig.11 Normalized pattern of left-handed circular polarization test@19.2GHz

圖12 左旋圓極化測(cè)試軸比@19.2GHzFig.12 Diagram of left-handed circular polarization test axis ratio@19.2GHz

在微波暗室對(duì)64 陣元接收相控陣天線進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)法向G/T 值測(cè)試, 測(cè)試公式如下

式（3） 中,P為到達(dá)待測(cè)天線口徑面電平,C為測(cè)試信號(hào)電平,N0為噪聲功率譜密度,k為玻爾茲曼常量。 G/T 值測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 64 陣元接收相控陣天線G/T 值測(cè)試結(jié)果Table 1 Test results of G/T values for 64 element receiving phased array antenna

表1 所示為暗室實(shí)測(cè)G/T 值, 將其修正為對(duì)天G/T 值后, 天線在18.5GHz、19.2GHz 和20.0GHz 處對(duì)應(yīng)的G/T 值分別為- 8.30dB/K、-7.00dB/K 和-8.80dB/K。 與理論值相比, 誤差分別為0.89dB/K、0.82dB/K 和1.12dB/K。 考慮到多層PCB 加工誤差、高低頻電磁干擾、芯片焊接誤差、測(cè)試誤差等, 1dB/K 誤差滿足設(shè)計(jì)使用要求。

4 結(jié)論

針對(duì)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)對(duì)終端天線跨星波束切換、低成本、低剖面需求, 本文提出了一種K 頻段圓極化可切換衛(wèi)星通信接收相控陣天線整體瓦式層疊相控陣架構(gòu), 設(shè)計(jì)了雙饋口的疊層十字縫隙耦合天線, 采用“雙線極化天線+旋轉(zhuǎn)饋電+移相控制” 模式, 基于多層PCB 混壓工藝技術(shù), 將天線層、電源層、控制層、功合網(wǎng)絡(luò)層和芯片層等實(shí)現(xiàn)一體化集成, 研制出64 陣元的相控陣接收天線。 測(cè)試結(jié)果表明: 該相控陣天線工作頻段為18.5GHz～20.0GHz, 可實(shí)現(xiàn)±60°掃描, 左右旋圓極化可切換, G/T 值可達(dá)- 7.82dB/K, 厚度為3.3mm。 相比傳統(tǒng)磚式相控陣天線, 該相控陣天線可大幅減小剖面和質(zhì)量, 擴(kuò)展性好, 對(duì)相控陣天線通用化、衛(wèi)通終端應(yīng)用具有重要意義。