星載低剖面一維相掃縫隙陣天線設(shè)計(jì)

摘 要：針對(duì)星載相控陣?yán)走_(dá)應(yīng)用背景，提出一款工作于Ku頻段的低剖面輕量化一維相掃縫隙陣天線。天線基于射頻數(shù)字供電一體化設(shè)計(jì)思路，并采用系統(tǒng)級(jí)封裝（system in package， SiP）芯片實(shí)現(xiàn)高密度結(jié)構(gòu)集成。與傳統(tǒng)基于磚式或瓦片式收發(fā)（transmit/receive， T/R）組件的相控陣天線相比，所提天線設(shè)計(jì)可以有效降低天線剖面高度和重量。天線中心工作頻率為16 GHz，具有600 MHz工作帶寬，可實(shí)現(xiàn)一維方向波束掃描。此外，天線設(shè)計(jì)了自校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，可用于在軌期間射頻通道幅相特性實(shí)時(shí)檢測(cè)。樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果表明，天線掃描角度范圍可達(dá)±30°，等效全向輻射功率（effective isotropic radiated power， EIRP）與接收增益與噪聲溫度比（gain-to-noise temperature ratio， G/T）值測(cè)試結(jié)果均與理論計(jì)算值吻合。

關(guān)鍵詞： 星載; 低剖面; 縫隙陣天線; 高密度集成; 相控陣天線

中圖分類號(hào)： TN 82 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A""" DOI：10.12305/j.issn.1001-506X.2024.10.06

Design of satellite-borne low-profile one-dimensional phased scanning

slot array antenna

CHEN Bo WANG Wei LIU Juan JI Jianmin¹

（1. Beijing Institute of Remote Sensing Equipment， Beijing 100854， China;" 2. Defense Technology

Academy of China Aerospace Science and Industry Corporation， Beijing 100854， China）

Abstract： Aiming at the application of satellite-borne phased array radar， a low-profile lightweight one-dimensional phased scanning slot array antenna operating in Ku band is proposed. The antenna is based on radio frequenly-digital-power integration design， and system in package （SiP） chips are used to achieve high-density structural integration. Compared with the traditional phased array antennas based on brick or tile transmit/receive （T/R） modules， the proposed antenna design can effectively reduced the height and weight of the antenna profile. The central working frequency of the antenna is 16 GHz， with a working bandwidth of 600 MHz， which can realize one-dimensional beam scanning. In addition， a self-calibration network is designed， which can be used for real-time detection of the amplitude and phase characteristics of the radio frequency channel in orbit. The measurement results of the prototype show that the scanning angle of the antenna can reach ±30°， and the testing result of effective isotropic radiated power （EIRP） and gain-to-noise temperature ratio （G/T） values are consistent with the theoretical calculation values.

Keywords： satellite-borne; low-profile; slot array antenna; high-density integration; phased array antenna

0 引 言

與機(jī)械掃描天線相比，相控陣天線具有波束快速捷變、方向圖靈活賦形、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。在空間應(yīng)用領(lǐng)域，搭載于衛(wèi)星平臺(tái)的通信、遙感、雷達(dá)等功能載荷，越來(lái)越多地選擇將有源相控陣天線作為空間能量合成設(shè)備，以提升數(shù)據(jù)通量、觀測(cè)精度等系統(tǒng)綜合性能^［15］。近年來(lái)，以美國(guó)太空技術(shù)探索公司Space X為代表的商業(yè)航天企業(yè)，大力推進(jìn)一箭多星堆疊式發(fā)射技術(shù)迅速發(fā)展，多次刷新單次衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量記錄，大幅提高了衛(wèi)星發(fā)射效費(fèi)比^［67］。同時(shí)，堆疊式衛(wèi)星發(fā)射技術(shù)對(duì)搭載載荷的形態(tài)構(gòu)型提出更高的要求。作為載荷核心設(shè)備，高性能、輕量化、低剖面的星載相控陣天線，可有效降低整星上行發(fā)射包絡(luò)，支撐載荷具備堆疊式發(fā)射能力，已成為星載天線技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)^［813］。

有源相控陣天線通常由天線陣面、收發(fā)（transmit/receive， T/R）組件、射頻饋電網(wǎng)絡(luò)、波束控制器等組成。其中，T/R組件主要完成射頻信號(hào)的相位幅度控制、能量放大、T/R切換、功率合成等功能，是相控陣天線的核心組部件^［14］。按T/R組件結(jié)構(gòu)形態(tài)的差異，相控陣天線的集成方式一般分為磚式^［15］和瓦片式^［16］。近年來(lái)，隨著單片微波集成電路（monolithic microwave integrated circuit，MMIC）和專用集成電路（application specific integrated circuit， ASIC）技術(shù)以及微波電路組裝互聯(lián)技術(shù)的不斷發(fā)展與成熟，性能優(yōu)異且一致性良好的T/R組件得以大批量、低成本生產(chǎn)^［1720］。幅相多功能芯片就是一類集成多種T/R功能的MMIC電路，其實(shí)現(xiàn)了射頻移相、幅度控制、功率放大、T/R開(kāi)關(guān)等單元單路一片化設(shè)計(jì)，與分立器件相比，大幅提升了有源通道芯片的功能密度，已成為T(mén)/R組件的核心器件。此外，通過(guò)新型封裝技術(shù)的應(yīng)用，如晶圓級(jí)倒裝焊接（flip chip， FC）、硅通孔（through silicon via， TSV）、扇出式晶圓級(jí)封裝（fan-out wafer-level packaging， FOWLP）等，可將數(shù)字控制、射頻芯片進(jìn)行三維異質(zhì)堆疊與電氣互聯(lián)，形成系統(tǒng)級(jí)封裝（system in package， SiP）器件，進(jìn)一步提升相控陣天線的集成度、可靠性和量產(chǎn)效率，同時(shí)為相控陣天線功能與結(jié)構(gòu)高密度集成的技術(shù)形態(tài)提供重要支撐^［2123］。文獻(xiàn)［24］對(duì)星載有源相控陣天線架構(gòu)體系進(jìn)行研究分析，介紹了磚塊式、一體化式、片式等三型設(shè)計(jì)架構(gòu)的差異性和關(guān)鍵技術(shù)，并給出3種架構(gòu)典型的剖面高度和質(zhì)量面密度數(shù)據(jù)。目前，全球約有20個(gè)搭載相控陣載荷的商用衛(wèi)星雷達(dá)系統(tǒng)在軌運(yùn)行，用于開(kāi)展空間遙感、成像、測(cè)繪業(yè)務(wù)，如德國(guó)TerraSAR-X衛(wèi)星、加拿大Radarsat-2衛(wèi)星、意大利COSMO-SkyMed衛(wèi)星等。相關(guān)資料顯示，以上衛(wèi)星雷達(dá)系統(tǒng)的相控陣天線一般采用磚式或片式架構(gòu)^［2527］。

本文針對(duì)星載雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)相控陣天線的低剖面、輕量化、抗輻照需求，提出一種以波導(dǎo)縫隙陣作為輻射陣面、具有一維電掃描能力的相控陣天線高集成設(shè)計(jì)方式?？赏ㄟ^(guò)外部控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)天線的電源使能、波束控制、T/R切換、射頻自校準(zhǔn)等功能。相控陣天線在Ku頻段具有600 MHz工作帶寬。本文提出的相控陣天線系統(tǒng)架構(gòu)和集成方式較已發(fā)表文獻(xiàn)具有以下創(chuàng)新性和優(yōu)勢(shì)：① 將天線輻射陣面與有源射頻鏈路進(jìn)行融合設(shè)計(jì)，與常規(guī)相控陣天線架構(gòu)相比不再具有清晰的功能界面，有效減縮了天線剖面高度，小型化優(yōu)勢(shì)顯著;② 核心射頻器件均采用SiP系統(tǒng)級(jí)封裝器件，在單板級(jí)將射頻鏈路、饋電網(wǎng)絡(luò)、控制電路等高低頻功能混合集成，較常規(guī)磚式或瓦式相控陣天線架構(gòu)具有更高的集成密度;③ 加入射頻自校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，可支持星上開(kāi)展通道級(jí)的幅相數(shù)據(jù)自檢測(cè)與標(biāo)定，相對(duì)常規(guī)的、基于耦合的自校準(zhǔn)方法^［2829］，受空間環(huán)境影響更小。

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，加工了相控陣天線實(shí)物樣機(jī)，對(duì)天線電性能和工藝實(shí)現(xiàn)性進(jìn)行了驗(yàn)證。天線尺寸為252 mm×192 mm×14 mm，重量?jī)H為920 g，與文獻(xiàn)［24］中介紹的具有較高集成度的片式架構(gòu)相比，本文所設(shè)計(jì)的高集成架構(gòu)相控陣天線的剖面高度和質(zhì)量面密度均縮減了50%。在暗室中，對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行了電氣性能測(cè)試，方向圖、等效全向輻射功率（effective isotropic radiated power， EIRP）值、噪聲溫度比（gain-to-noise temperature ratio， G/T）值、增益等關(guān)鍵性能均與設(shè)計(jì)值具有較高的吻合度。本文提出的星載相控陣天線設(shè)計(jì)技術(shù)較當(dāng)前已有文獻(xiàn)報(bào)道的技術(shù)途徑在集成度方面優(yōu)勢(shì)顯著，在衛(wèi)星微波載荷領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

1 天線總體設(shè)計(jì)

1.1 天線系統(tǒng)架構(gòu)

無(wú)論是磚式或是瓦式架構(gòu)的星載相控陣天線，其內(nèi)部組件通常是分立的，經(jīng)由各類連接器和結(jié)構(gòu)接口實(shí)現(xiàn)功能連通。本文所提出的相控陣天線系統(tǒng)高集成架構(gòu)將輻射、供電、控制、結(jié)構(gòu)各類功能進(jìn)行融合，可有效縮減剖面高度和重量。該天線架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)途徑和采用的關(guān)鍵技術(shù)如下。

（1） 在總體電氣設(shè)計(jì)中，采用高密度多層板混壓集成技術(shù)，將大規(guī)模射頻電路、數(shù)字電路、電源電路集成在一張印制板（printed circuit board， PCB）中，實(shí)現(xiàn)多種功能電路的混合集成。這種集成方式相比于磚式或瓦式架構(gòu)的相控陣天線集成方式，功能密度大幅提升，剖面高度得到有效縮減。

（2） 應(yīng)用射頻SiP器件構(gòu)建幅度、相位調(diào)制與功率合成鏈路，器件內(nèi)部通過(guò)三維異質(zhì)異構(gòu)多芯片堆疊工藝將硅基控制芯片、GaAs、GaN等三五族化合物芯片集成在一個(gè)封裝體內(nèi)，有效提升了集成度。SiP 器件可通過(guò)成熟的回流焊工藝貼裝在 PCB 基板上。

（3） 設(shè)計(jì)多種具有低插損特性的射頻垂直互聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括波導(dǎo)微帶結(jié)構(gòu)、微帶帶狀線結(jié)構(gòu)、類同軸傳輸結(jié)構(gòu)等，替代了磚式或瓦式架構(gòu)相控陣天線中大量存在的射頻連接器，進(jìn)一步壓縮天線剖面高度。

天線由輻射陣面、射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)、散熱蓋板3部分組成。圖1所示為相控陣天線的構(gòu)成模型。

輻射陣面由16根間距為12 mm的寬邊開(kāi)縫波導(dǎo)縫天線組成，通過(guò)精密機(jī)加與真空釬焊工藝一體成形。輻射陣面兼顧電磁能量輻射與結(jié)構(gòu)承載功能。

射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)的主要功能是：射頻功率分配與合成、接收/發(fā)射狀態(tài)控制、幅度相位控制、發(fā)射功率放大、接收信號(hào)低噪聲放大等。網(wǎng)絡(luò)基板由多層高頻、數(shù)字板材混合層壓而成。

在射頻鏈路設(shè)計(jì)上，運(yùn)用幅相多功能芯片、T/R前端芯片、雙向放大芯片等多款Ku頻段SiP射頻器件，這些器件均采用陶瓷管殼封裝形式，具有良好的導(dǎo)熱性、氣密性和穩(wěn)定性。這些SiP器件基于球柵陣列（ball grid array，BGA）封裝、方形扁平無(wú)引腳（quad flat no-lead，QFN）封裝等形式，射頻、控制和電源均通過(guò)封裝底部焊盤(pán)進(jìn)行互聯(lián)引出，兼容標(biāo)準(zhǔn)回流焊工藝。

輻射陣面與射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)射頻連接器垂直互聯(lián)，特別設(shè)計(jì)了具有較低插入損耗的帶狀線波導(dǎo)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。

散熱蓋板一方面通過(guò)導(dǎo)熱墊與射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)上的有源芯片緊密貼合，疏導(dǎo)部分器件工作熱量，另一方面起到了保護(hù)電路的作用。

在電氣接口方面，天線包含供電、控制、射頻3類功能接口。天線通電后，可由外部控制信號(hào)按通信協(xié)議靈活控制天線加電、斷電、波位切換、T/R切換等功能。

1.2 天線主要性能分析

天線設(shè)計(jì)工作頻段為16 GHz±300 MHz，并可實(shí)現(xiàn)±30°的波束掃描范圍。根據(jù)上述指標(biāo)確定波導(dǎo)寬邊a的尺寸，該尺寸需同時(shí)滿足最大掃描角不出現(xiàn)柵瓣的間距條件^［30］和矩形波導(dǎo)TE10模式非截止條件，如下所示：

a+h≤λ_min1+|sin θ_max|（1）

2a＞cf_min（2）

式中：h為波導(dǎo)壁厚，為1 mm;λ_min為最小工作波長(zhǎng);θ_max為最大掃描角度;f_min為最低工作頻率;c為光速。通過(guò)計(jì)算，a取值為11 mm。

發(fā)射EIRP值和接收增益與G/T值是有源相控陣天線的重要性能參數(shù)，計(jì)算公式如下：

EIRP=Gain+N·P_single-L（3）

G/T=Gain-（（10^NF10-1）×290）-L（4）

式中：Gain為天線陣面無(wú)源增益;N為天線通道數(shù)量;P_single為發(fā)射單通道功放輸出功率;NF為接收通道噪聲系數(shù);L為插入損耗。

天線選用的T/R前端芯片發(fā)射支路通道功率為1 W，接收支路噪聲系數(shù)為4 dB。根據(jù)以上計(jì)算公式及鏈路參數(shù)，可計(jì)算得出天線工作于中心頻點(diǎn)時(shí)的EIRP和G/T，EIRP≈73.4 dBm，G/T≈4.0 dB/K。

2 天線陣面設(shè)計(jì)

圖2所示為波導(dǎo)縫隙陣面結(jié)構(gòu)，陣面設(shè)計(jì)尺寸為252 mm×192 mm。天線陣面由16根諧振式寬邊縱縫波導(dǎo)輻射器組成，每根波導(dǎo)輻射器上排布14個(gè)輻射縫隙。射頻信號(hào)通過(guò)同軸連接器由同軸波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)饋入矩形波導(dǎo)，再經(jīng)耦合縫魔T功分器進(jìn)入波導(dǎo)輻射器。輻射波導(dǎo)總長(zhǎng)度為λ_g/2的整數(shù)倍，輻射縫隙中心線位置距離輻射波導(dǎo)短路端的距離為λ_g/4的奇數(shù)倍，輻射縫隙在波導(dǎo)中心兩側(cè)交替排布，輻射縫隙單元間距為λ_g/2，保證輻射波導(dǎo)內(nèi)為駐波場(chǎng)，且所有輻射縫均為同相激勵(lì)。

對(duì)于輻射波導(dǎo)而言，輻射縫隙可等效為傳輸線上的并聯(lián)導(dǎo)納，縫隙輻射的能量等效為導(dǎo)納消耗的能量。輻射縫隙的偏移量主要影響導(dǎo)納實(shí)部，縫隙的長(zhǎng)度主要影響導(dǎo)納的虛部。在設(shè)計(jì)中，首先通過(guò)電磁仿真軟件提取縫隙參數(shù)，具體步驟如下。

步驟 1 建立單端口波導(dǎo)縫隙模型，如圖3所示。圖中dy為縫隙偏移量，lx為縫隙諧振長(zhǎng)度。

步驟 2 仿真獲取散射矩陣S₁₁。

步驟 3 計(jì)算縫隙導(dǎo)納g，對(duì)于單端口模型，縫隙導(dǎo)納為

g=-2S₁₁1+S₁₁（5）

步驟 4 計(jì)算以縫偏dy和縫長(zhǎng)lx為變量的導(dǎo)納矩陣，確定不同縫偏參數(shù)下的諧振長(zhǎng)度。選取足夠多個(gè)偏移量，并利用插值或函數(shù)擬合等方法，獲得縫隙諧振長(zhǎng)度和諧振電導(dǎo)隨縫隙偏移量的變化曲線，如圖4和圖5所示。

滿足輻射波導(dǎo)中心饋電的匹配要求是波導(dǎo)上的縫隙等效歸一化導(dǎo)納和等于2，由于14個(gè)輻射縫隙設(shè)計(jì)為等幅激勵(lì)，因此每個(gè)縫隙的導(dǎo)納值為1/7。最終確定縫隙參數(shù)為dy=1.22 mm，lx=10.03 mm。

在獲得縫隙參數(shù)后，進(jìn)一步開(kāi)展天線陣面設(shè)計(jì)。圖6給出了經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，位于陣面中間區(qū)域及邊緣區(qū)域的4條輻射波導(dǎo)電壓駐波比（voltage standing wave ratio， VSWR）仿真分析結(jié)果。由圖6可以看出，在工作頻帶內(nèi)，陣中與邊緣輻射波導(dǎo)的駐波系數(shù)均小于1.8，且具有較好的一致性。

相控陣天線單元間互耦效應(yīng)是影響陣列掃描性能的重要因素，當(dāng)陣元間尤其是相鄰陣元間的耦合強(qiáng)烈時(shí)，隨著掃描角的增大，陣元有源駐波會(huì)出現(xiàn)明顯惡化，掃描增益下降嚴(yán)重，甚至?xí)霈F(xiàn)掃描盲點(diǎn)。本文在前續(xù)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，加入金屬扼流結(jié)構(gòu)，可以對(duì)縫隙輻射場(chǎng)進(jìn)行有效約束，抑制波導(dǎo)輻射縫間E面互耦，進(jìn)而改善陣列波束掃描時(shí)的有源駐波。通過(guò)優(yōu)化扼流結(jié)構(gòu)的高度和寬度，使陣元間隔離度達(dá)到最優(yōu)。圖7給出了有無(wú)扼流結(jié)構(gòu)時(shí)，天線陣中單元有源駐波隨掃描角的變化情況。可以看出，不加載扼流結(jié)構(gòu)時(shí)，天線掃描至20°后，天線有源駐波出現(xiàn)明顯惡化;加載扼流結(jié)構(gòu)后，在工作頻段內(nèi)陣元有源駐波小于2.5。進(jìn)一步地，圖8給出了陣列掃描方向圖仿真結(jié)果對(duì)比情況。在加載扼流結(jié)構(gòu)后，在天線掃描至20°、30°時(shí)，增益分別得到0.4 dB、0.9 dB的優(yōu)化。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 有源射頻鏈路設(shè)計(jì)

射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)主要在外部控制信號(hào)的作用下完成對(duì)射頻信號(hào)的功率放大、幅相調(diào)制、T/S轉(zhuǎn)換、能量合成等功能，有源射頻鏈路是集成網(wǎng)絡(luò)的核心。在有源射頻鏈路設(shè)計(jì)中，需根據(jù)器件特性來(lái)合理設(shè)計(jì)鏈路各級(jí)參數(shù)，以保證T/S支路高性能、高效率工作。圖9所示為有源射頻鏈路的構(gòu)成原理圖。

雙向放大芯片、功分器芯片、幅相多功能芯片、射頻前端芯片是有源射頻鏈路的核心器件，均采用SiP形式，通過(guò)成熟的回流焊工藝即可與PCB板材互聯(lián)集成。圖10所示為射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)的局部組成。當(dāng)天線工作于接收態(tài)時(shí)，射頻信號(hào)由各波導(dǎo)縫天線單元進(jìn)入前端芯片，前端芯片對(duì)信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大后將信號(hào)饋入幅相多功能芯片接收端口，四通道幅相多功能芯片內(nèi)置6位移相器和6位衰減器，可根據(jù)控制信號(hào)對(duì)通道的幅度和相位進(jìn)行調(diào)制，再經(jīng)由功分器芯片對(duì)全陣16路信號(hào)進(jìn)行能量合成，并送入雙向放大芯片再次放大后輸出。天線工作于發(fā)射態(tài)時(shí)，射頻信號(hào)方向與接收時(shí)相反，雙向放大芯片首先對(duì)射頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大，再由功分器芯片將能量均分饋入四片幅相多功能芯片，對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行幅相調(diào)制，最后由前端芯片對(duì)各通道信號(hào)進(jìn)行末級(jí)放大后，將信號(hào)饋入波導(dǎo)縫天線輻射至空間。

表1和表2分別給出了射頻/數(shù)字集成網(wǎng)絡(luò)的射頻接收鏈路和發(fā)射鏈路的設(shè)計(jì)計(jì)算值。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可知，接收鏈路可以實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)26.5 dB增益的放大能力;發(fā)射鏈路在0 dBm輸入功率的激勵(lì)下，通過(guò)三級(jí)放大，可使射頻前端芯片工作于飽和區(qū)，輸出1 W功率，發(fā)射鏈路的功率增益為29.5 dB。

3.2 自檢準(zhǔn)功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

星載相控陣天線的在軌工作環(huán)境與地面測(cè)試環(huán)境存在較大差異，為確保天線在軌工作期間性能穩(wěn)定、具有較高的天地一致性，本文設(shè)計(jì)了射頻自校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)通道級(jí)幅度、相位的對(duì)比標(biāo)定。

其設(shè)計(jì)原理如下：自校準(zhǔn)線一端接載荷校準(zhǔn)源，另一端接匹配負(fù)載，自校準(zhǔn)線為一段特性阻抗為50 Ω的傳輸帶狀線，加載多個(gè)T型耦合枝節(jié)，該枝節(jié)可將射頻前端芯片與波導(dǎo)饋電端口之間的過(guò)渡帶狀線耦合至射頻鏈路。射頻自校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)如圖11所示。工作時(shí)，由自校準(zhǔn)端口饋入射頻能量，待測(cè)通道耦合一部分能量至后級(jí)鏈路，待測(cè)通道加電將耦合信號(hào)放大后，由集合口輸出至后級(jí)接收設(shè)備，對(duì)信號(hào)幅度、相位進(jìn)行測(cè)試。T型耦合枝節(jié)與射頻鏈路傳輸線的間距是耦合度的主要影響物理變量，在本設(shè)計(jì)中，將耦合度設(shè)計(jì)為-35 dB。仿真結(jié)果如圖12所示，耦合系數(shù)在工作頻帶內(nèi)具有較好的一致性。在地面試驗(yàn)時(shí)，將一組基準(zhǔn)數(shù)據(jù)裝訂至雷達(dá)系統(tǒng)，工作期間通過(guò)對(duì)比在軌測(cè)試數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，可識(shí)別目標(biāo)通道工作是否正常和通道性能較基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的變化情況，適時(shí)對(duì)通道幅相進(jìn)行補(bǔ)償修正，保證天線在軌性能良好。

4 測(cè)試結(jié)果與對(duì)比

4.1 測(cè)試結(jié)果

為驗(yàn)證所提低剖面一維相掃縫隙陣天線的設(shè)計(jì)可行性和工程可實(shí)現(xiàn)性，根據(jù)理論計(jì)算與仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，加工并集成了天線實(shí)物樣機(jī)。天線樣機(jī)通過(guò)外部直流電源供電，電腦上位機(jī)根據(jù)波束信息解碼給相控陣天線各通道發(fā)送幅度、相位、加斷電控制碼。在遠(yuǎn)場(chǎng)暗室測(cè)試系統(tǒng)中對(duì)天線樣機(jī)的方向圖、發(fā)射EIRP值、接收G/T值等性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試照片如圖13所示。

測(cè)試前，對(duì)相控陣天線單通道進(jìn)行了幅相校準(zhǔn)，獲得初始幅度與相位數(shù)據(jù)信息，并對(duì)各通道進(jìn)行了補(bǔ)償。分別測(cè)試了天線工作于15.7 GHz、16 GHz、16.3 GHz 3個(gè)頻點(diǎn)的E面和H面方向圖數(shù)據(jù)，其中E面為可掃描波束切面，H面為固定波束切面。測(cè)試E面時(shí)，通過(guò)上位機(jī)控制將天線波位分別置為0°、±10°、±20°和±30°。測(cè)試H面時(shí)，將方向圖天線波位置為0°，繪制測(cè)試方向圖曲線如圖14和圖15所示。

通過(guò)遠(yuǎn)場(chǎng)直接測(cè)試法對(duì)天線EIRP和G/T進(jìn)行了測(cè)試。天線工作于中心頻點(diǎn)時(shí)，EIRP測(cè)試結(jié)果為73.5 dBm，G/T測(cè)試結(jié)果為4.0 dB/K。

表3給出了工作于中心頻率16.0 GHz、下邊頻15.7 GHz、上邊頻16.3 GHz時(shí)，天線樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果的比較?？梢钥闯?，EIRP值、G/T值、波束寬度、掃描下降等測(cè)試數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算結(jié)果有較高的一致性。受通道間幅度差異影響，副瓣電平的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定誤差。從單通道幅度校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)看，通道間幅度不一致性約為0.4 dB，不一致性主要來(lái)源于不可避免的陣面機(jī)械加工誤差、射頻連接器焊接精度誤差等因素。

4.2 設(shè)計(jì)對(duì)比

采用電子秤、游標(biāo)卡尺等標(biāo)準(zhǔn)量具對(duì)天線樣機(jī)的重量和剖面高度進(jìn)行了測(cè)量。測(cè)量結(jié)果如下：天線整機(jī)重量為920 g，天線剖面高度為14 mm，天線等效質(zhì)量面密度為19.1 kg/m²。

表4列出了本文所提出的一維相掃縫隙陣天線與文獻(xiàn)［24］所述的磚塊式、一體化式、片式3種星載相控陣天線架構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能對(duì)比。本天線在剖面高度、質(zhì)量面密度等方面均有較大優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 論

針對(duì)衛(wèi)星雷達(dá)載荷對(duì)于低剖面、輕量化相控陣天線的應(yīng)用需求，本文研究設(shè)計(jì)了工作于Ku頻段的新型一維相掃波導(dǎo)縫隙陣天線。天線采用射頻數(shù)字供電一體化設(shè)計(jì)方法，與現(xiàn)有技術(shù)途徑相比，天線剖面高度和重量得到了有效縮減。實(shí)物樣機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明，天線輻射方向圖、發(fā)射EIRP值、接收G/T值等關(guān)鍵性能與理論計(jì)算、仿真分析結(jié)果吻合較好，天線整機(jī)剖面高度僅為14 mm，質(zhì)量面密度為19.1 kg/m²。本文提出的低剖面、輕量化相控陣天線設(shè)計(jì)方式可為星載雷達(dá)載荷技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供有力支撐。

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作者簡(jiǎn)介

陳 博（1990—），男，高級(jí)工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)橛性聪嗫仃囂炀€。

王 偉（1961—），男，研究員，博士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波。

劉 涓（1968—），女，研究員，博士，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波。

吉建民（1987—），男，高級(jí)工程師，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡姶艌?chǎng)與微波。