用于Ka波段衛(wèi)星通信的雙頻段圓極化無源相控陣天線

夏橋江，蔡 瀟，2*，文舸一

(1.南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用電磁學(xué)研究中心，江蘇 南京 210044；2.南京信大安全應(yīng)急管理研究院有限公司，江蘇 南京 210044)

0 引言

隨著無線通信行業(yè)的發(fā)展,通信頻道日益擁堵的問題隨之而來,毫米波頻段由于其信道容量大、頻帶寬、傳輸質(zhì)量高、所需元器件尺寸小的特點備受關(guān)注。在Ka波段衛(wèi)星通信系統(tǒng)中,往往在上行鏈路和下行鏈路分別使用頻率為29.5～30 GHz和19.7～20.2 GHz的正交圓極化波束,通過在非相鄰頻段工作的2個不同的圓極化波束來進一步加強天線在收發(fā)頻段的隔離度。例如,用戶終端在接收頻段收到的是左旋圓極化波,則應(yīng)該在發(fā)射頻段發(fā)射右旋圓極化波,這就意味著用戶終端需要在收發(fā)頻段能夠?qū)崿F(xiàn)極化方式的切換。

當(dāng)前新型的天線設(shè)計有向高頻段、智能化和多頻段共用發(fā)展的趨勢[1-2]。至今,對圓極化可重構(gòu)的天線已經(jīng)進行了許多研究。天線單元實現(xiàn)圓極化可重構(gòu)一般通過2種方式:一是采用多個饋電端口進行切換的方式來改變天線的饋電[3-5];二是通過加載MEMS、PIN二極管等射頻開關(guān)來改變天線單元上的電流[6-9]。這些附加在天線單元上的電路結(jié)構(gòu)在一定程度上增加了結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度而且難以在有限空間內(nèi)集成。文獻[10]設(shè)計了一款雙頻雙圓極化寬角度掃描陣列天線,該設(shè)計的缺點是單元極其復(fù)雜,整個列有5層基板,同時在+/-60°掃描角度下也只能保證6 dB以下的軸比。文獻[11]提出了一種利用間隙波導(dǎo)技術(shù)的Ka波段雙圓極化陣列天線,該天線在30 GHz頻段通過切換端口的方式實現(xiàn)了圓極化的切換,圓極化波束在偏轉(zhuǎn)0°時的交叉極化水平小于-20 dB,但未實現(xiàn)圓極化波束掃描功能。文獻[12]設(shè)計了一款K/Ka頻段線圓極化柵,當(dāng)線極化沿x軸方向射入該極化柵時,會在20 GHz頻段實現(xiàn)右旋波束,在30 GHz實現(xiàn)左旋波束,通過改變?nèi)肷洳ǖ姆较蛞部蓪崿F(xiàn)圓極化狀態(tài)的改變,但是該設(shè)計的圓極化波束偏轉(zhuǎn)效果以及在2個頻段的交叉極化水平并不理想。文獻[13]提出了交叉排布的線極化發(fā)射陣列和寬帶極化轉(zhuǎn)換器結(jié)合的方案,實現(xiàn)了在29 GHz獨立的左右旋圓極化波束,并通過更換不同構(gòu)型的線極化發(fā)射陣列來實現(xiàn)圓極化波束的偏轉(zhuǎn)。該陣列在29 GHz波束偏轉(zhuǎn)0°時的交叉極化水平小于-14.5 dB,但是這個陣列太過依賴極化轉(zhuǎn)換器的性能,陣列本身并不具備圓極化重構(gòu)性能。

至今,沒有一款陣列天線可以同時滿足雙頻點、圓極化可重構(gòu)、寬圓極化掃描角度等功能,并且以往陣列設(shè)計中各個單元的激勵分布也難以達(dá)到自身增益的最大值。為了解決以上問題,本文設(shè)計了一款用于Ka波段衛(wèi)星通信的雙頻段圓極化無源相控陣天線,該天線工作在19.7～20.2 GHz(接收頻段)和29.5～30 GHz(發(fā)射頻段)兩個頻段,天線整體尺寸僅為37.18 mm×37.18 mm×0.762 mm,結(jié)構(gòu)簡單、剖面低,易于在有限空間內(nèi)集成,天線的子陣由4個線極化微帶貼片單元依次旋轉(zhuǎn)90°組成,通過空間波束的疊加來實現(xiàn)整個陣列的圓極化可重構(gòu)性能?；趲Ъs束條件的最大功率傳輸效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency with Constraints,CMMPTE),通過約束接收天線雙端口的極化條件來對極化旋向進行控制,使陣列天線滿足圓極化可重構(gòu)和寬掃描角度的同時擁有極低的交叉極化水平和軸比。

1 可重構(gòu)微帶陣列天線設(shè)計

1.1 帶約束的功率傳輸最大化理論

最大功率傳輸效率法(Method of Maximum Power Transmission Efficiency,MMPTE)源于無線能量傳輸系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計[14]。至今,該理論已成功用于多種陣列天線的設(shè)計[15-18],并且都體現(xiàn)了該方法的優(yōu)越性。為了獲得陣列天線在指定方向上的最大增益以及實現(xiàn)波束的圓極化控制,在陣列天線波束指向的遠(yuǎn)場處放置雙饋點天線作為測試接收天線。此時將極化方式作為約束條件,在此條件下將收發(fā)陣列間的傳輸效率作為優(yōu)化目標(biāo)。無線功率傳輸(Wireless Power Transmission,WPT)系統(tǒng)示意如圖1所示,待設(shè)計陣列天線作為發(fā)射天線和測試接收天線組成一個WPT系統(tǒng)。該系統(tǒng)由n端口的發(fā)射陣列天線和雙端口的接收天線組成,構(gòu)成n+2端口網(wǎng)絡(luò),用下標(biāo)“t”表示發(fā)射陣列天線,下標(biāo)“r”表示接收天線,該系統(tǒng)可用散射參數(shù)表征如下:

(1)

圖1 WPT系統(tǒng)示意Fig.1 Diagram of WPT system

發(fā)射天線和接收天線的歸一化入射波和反射波分別為:

(2)

該WPT系統(tǒng)的功率傳輸效率(Tarray)定義為測試接收天線接收到的功率與發(fā)射陣列天線的總輸入功率之比為:

(3)

由于測試接收天線為雙饋點天線,當(dāng)約束接收天線雙端口為等幅且相位φ相差90°時,所設(shè)計的陣列天線若與接收天線極化匹配,則傳輸效率會增加;反之若極化失配,傳輸效率會降低。因此,發(fā)射陣列天線合成圓極化波時傳輸系統(tǒng)效率最大。為了對雙饋點接收天線的2個正交方向電場進行約束,引入約束條件:

Srtat=br=cejφ,

(4)

式中:c是一個二維的實數(shù)向量,φ為兩端口的相位。轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型,則可以表述為線性約束二次優(yōu)化問題[19]:

(5)

通過使用拉格朗日乘子法,式(5)的解可表示為[19]:

at=A-1SH(SA-1SH)-1c。

(6)

當(dāng)WPT系統(tǒng)確定時,通過約束接收天線兩端口之間的幅值和相位差,便可算得陣列天線的最優(yōu)激勵分布。應(yīng)用CMMPTE設(shè)計陣列天線的基本步驟可歸納如下:

① 構(gòu)建WPT系統(tǒng):在發(fā)射天線的遠(yuǎn)場區(qū)域放置雙端口接收天線作為測試接收天線,發(fā)射陣列與測試接收天線構(gòu)成一個n+2端口網(wǎng)絡(luò)的功率傳輸系統(tǒng)。當(dāng)陣列需要實現(xiàn)圓極化波束的寬角度掃描時,測試接收天線需要放置在遠(yuǎn)場對應(yīng)的空間位置處。通過HFSS等電磁仿真軟件建模得到收發(fā)陣列天線之間的散射參數(shù)矩陣。

② 確立激勵分布:選取合適的復(fù)常數(shù)矩陣c,例如c=[1,±i]時,表明2個正交方向上的電場幅度相等、相位相差90°。通過求解式(6)可以確定發(fā)射陣列的最優(yōu)激勵分布。

1.2 天線單元的設(shè)計

選用同軸饋電的矩形微帶貼片作為天線單元,相鄰兩行兩列的線極化微帶貼片單元依次旋轉(zhuǎn)90°組成一個子陣。通過在貼片對角線上饋電的方式,使輻射貼片工作在2個頻率上,輻射貼片的長度和寬度分別對應(yīng)一個頻率諧振。天線單元的長L1=3.59 mm,寬W1=2.14 mm,饋電點離天線中心的距離分別為L2=0.5 mm,W2=0.67 mm,同軸過孔的半徑r=0.2 mm。所用介質(zhì)基板厚度h=0.762 mm,介質(zhì)材料為Rogers RO4350(介電常數(shù)3.66,正切損耗0.004),天線的具體尺寸參數(shù)示意如圖2所示。天線單元圍繞6 mm的幾何中心半徑依次旋轉(zhuǎn)90°組成子陣。36單元陣列天線示意如圖3所示,含有9個子陣的36單元陣列,子陣之間的間距d=12 mm,整個陣列天線的邊長W0=37.18 mm。

圖2 2×2子陣列示意Fig.2 Diagram of a 2×2 subarray

圖3 36單元陣列天線示意Fig.3 Diagram of 36-element patch antenna array

陣列單元在19.7～20.2 GHz接收頻段的反射系數(shù)如圖4所示,陣列單元在29.5～30 GHz的反射系數(shù)如圖5所示。

圖4 19.7～20.2 GHz的反射系數(shù)Fig.4 Reflection coefficient in 19.7～20.2 GHz

圖5 29.5～30 GHz的反射系數(shù)Fig.5 Reflection coefficient in 29.5～30 GHz

2 實驗結(jié)果與分析

雙頻圓極化可重構(gòu)天線的實物如圖6所示。暗室測試場景如圖7所示,天線與波束成形控制器相連。該控制器有36個端口,饋電電路由移相器和衰減器組成。通過波束成形控制器來調(diào)控天線36個單元所需的激勵,來滿足陣列天線在雙頻段實現(xiàn)圓極化可重構(gòu)以及多個方向上偏轉(zhuǎn)時的最優(yōu)激勵分布。

圖6 陣列天線實物Fig.6 Fabricated antenna array

圖7 暗室測試場景Fig.7 Experiments in microwave anechoic chamber

陣列天線結(jié)構(gòu)具有旋轉(zhuǎn)對稱性,因此在φ=0°和φ=90°時具有相近的掃描性能,本文給出了φ=90°面上偏轉(zhuǎn)至不同角度下的方向圖。陣列天線在19.7～20.2 GHz頻段的結(jié)果如圖8所示。圓極化波束偏轉(zhuǎn)方向為0°時,陣列天線左旋增益為17.6 dBi,交叉極化水平小于-43 dB;右旋增益為18.5 dBi,交叉極化水平小于-45 dB。波束偏轉(zhuǎn)至30°時,陣列天線左旋增益為16.7 dBi,交叉極化水平小于-29 dB;右旋增益為17.7 dBi,交叉極化水平小于-23 dB。波束偏轉(zhuǎn)至60°時,陣列天線左旋增益為13.7 dBi,交叉極化水平小于-15 dB;右旋增益為15.3 dBi,交叉極化水平小于-19 dB。

(a)左旋偏轉(zhuǎn)0°

(b)左旋偏轉(zhuǎn)30°

(c)左旋偏轉(zhuǎn)60°

(d)右旋偏轉(zhuǎn)0°

(e)右旋偏轉(zhuǎn)30°

(f)右旋偏轉(zhuǎn)60°

陣列天線在29.5～30 GHz頻段的結(jié)果如圖9所示。圓極化波束偏轉(zhuǎn)方向為0°時,陣列天線左旋增益為20.2 dBi,交叉極化水平小于-33 dB;右旋增益為19.4 dBi,交叉極化水平小于-31 dB。波束偏轉(zhuǎn)至30°時,陣列天線左旋增益為16 dBi,交叉極化水平小于-32 dB;右旋增益為16.8 dBi,交叉極化水平小于-22 dB。波束偏轉(zhuǎn)至60°時,陣列天線左旋增益為11.8 dBi,交叉極化水平小于-16 dB;右旋增益為13.4 dBi,其交叉極化水平小于-14 dB。

(a)左旋偏轉(zhuǎn)0°

(b)左旋偏轉(zhuǎn)30°

(c)左旋偏轉(zhuǎn)60°

(d)右旋偏轉(zhuǎn)0°

(e)右旋偏轉(zhuǎn)30°

(f)右旋偏轉(zhuǎn)60°

陣列天線在3個頻段內(nèi)左右旋圓極化波束偏轉(zhuǎn)至3個角度下的軸比如圖10和圖11所示。由圖10可以看出,當(dāng)掃描角度為0°時,19.7～20.2 GHz頻段的左旋軸比為0.1 dB,右旋軸比為0.08 dB。掃描角度為30°時,左旋軸比為0.67 dB,右旋軸比為1.14 dB。掃描角度為60°時,左旋軸比為2.98 dB,右旋軸比為2.04 dB。由圖11可以看出,當(dāng)掃描角度為0°時,29.5～30 GHz頻段的左旋軸比為0.44 dB,右旋軸比為0.45 dB。掃描角度為30°時,左旋軸比為0.39 dB,右旋軸比為1.32 dB。掃描角度為60°時,左旋軸比為2.82 dB,右旋軸比為0.89 dB。

(a)左旋波軸比

(b)右旋波軸比

(b)右旋波軸比

本文設(shè)計天線與已發(fā)表的Ka波段圓極化天線在圓極化性能參數(shù)的對比如表1所示。其中,文獻[11]中的天線為間隙波導(dǎo)結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)復(fù)雜且剖面較高,無法實現(xiàn)圓極化波束掃描功能,在偏轉(zhuǎn)0°時的交叉極化小于-20 dB。文獻[12]中的線圓極化柵的圓極化波束在20 GHz時的交叉極化電平僅小于 -11 dB,在30 GHz的交叉極化電平僅小于-7.5 dB,且未給出大角度偏轉(zhuǎn)的情況。文獻[13]中天線的圓極化性能受限于極化轉(zhuǎn)換器,并且只能通過更換不同構(gòu)型的線極化發(fā)射陣列來實現(xiàn)圓極化波束的偏轉(zhuǎn),29 GHz時左右旋圓極化波束的交叉極化小于 -14.5 dB。相較于其他文獻中的方案,本文的天線同時滿足了雙頻段、圓極化可重構(gòu)以及波束掃描功能,在收發(fā)頻段擁有極低的交叉極化特性和軸比。

表1 本文天線與已發(fā)表天線之間的性能比較Tab.1 Performance comparisons between the proposed antenna and antennas in published literature

3 結(jié)論

通過CMMPTE設(shè)計了一款用于Ka波段衛(wèi)星通信的雙頻段圓極化無源相控陣天線。該天線是一款收發(fā)共面的36單元陣列天線,工作在19.7～20.2 GHz和29.5～30 GHz雙頻段,平面微帶陣列天線的結(jié)構(gòu)更加簡單并且剖面較低,整體尺寸僅為37.18 mm×37.18 mm×0.762 mm。左右旋圓極化波束偏轉(zhuǎn)0°時,在19.95 GHz的交叉極化電平均小于-43 dB,在29.75 GHz的交叉極化電平均小于 -31 dB,同時圓極化軸比均小于0.5 dB。在收發(fā)頻段波束偏轉(zhuǎn)0°、30°、60°時的左右旋軸比均小于3 dB。仿真和實測結(jié)果驗證了CMMPTE同時控制波束掃描以及圓極化特性的可能性。陣列天線在雙頻段實現(xiàn)了圓極化可重構(gòu)以及波束掃描功能,并且擁有極低的交叉極化電平和軸比。該天線在收發(fā)頻段擁有高增益、良好的圓極化性能和波束掃描功能,在衛(wèi)星通信領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。