Ka频段双圆极化相控阵天线设计

柏艳英



Ka频段双圆极化相控阵天线设计

柏艳英

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

设计了一个8×8的Ka频段双圆极化相控阵天线。该天线单元采用正交缝隙耦合馈电的多层贴片微带天线，并由一个小型化宽带3 dB枝节电桥实现双圆极化。为提高天线圆极化性能，依次旋转天线单元，形成2×2双圆极化天线子阵。以天线子阵为基础，扩展成8×8相控阵天线。HFSS仿真结果表明，天线在方位360°俯仰±60°范围内进行双圆极化扫描，轴比小于3 dB，且轴比带宽达30%。该研究结果可应用于卫星通信的双圆极化相控阵天线的设计。

Ka频段；相控阵天线；双圆极化；枝节电桥；旋转阵元技术；卫星通信

圆极化天线信号能够被任意极化的天线接收，且具有抗干扰、防雨雾、抗多路径效应等优点，在卫星通信等领域已得到广泛应用。相控阵天线具有波束扫描的快捷、灵活和近无惯性性能，同时具有体积小、质量小、发射功率大、传输高数据率和抵抗有害环境条件等优点，常适用于卫星通信天线。如美国防御卫星通信系统（DSGS）采用X波段双圆极化相控阵天线实现潜艇的上行和下行传输数据[1]，我国发展了基于S频段终端通过中继卫星进行运载火箭天基遥测[2]。核潜艇在航行及运载火箭、导弹在飞行的过程中姿态变化大，数据传输速率高，而X波段和S频段相控阵天线的传输速率不高，无法满足高速率数据传输的要求，将天线频段提高到Ka频段，可在很大程度上提高数据传输能力，最近意大利发展了Ka频段相控阵天线实现了通信应用[3]。

文献[3]中的Ka频段相控阵天线是由两个相距很近的左右旋圆极化相控阵天线构成，分别用于发射和接收。当天线的口径尺寸有限时，发射天线和接收天线采用阵元相互交错排列的两个左右旋圆极化相控阵天线[4]。为进一步减少天线口径尺寸，提高口径利用率，并降低天线成本，需探求双圆极化相控阵天线，同时实现发射和接收双重通信，而关于Ka频段的双圆极化相控阵天线设计很少见报道。

本文设计一个8×8的Ka频段双圆极化相控阵天线，是通信时的收发共用天线。该天线单元采用正交缝隙耦合馈电的多层贴片宽带微带天线，并由一个小型化宽带3 dB枝节电桥实现双圆极化功能。为提高相控阵天线在扫描过程中的圆极化性能，依次顺序旋转天线单元，形成2×2双圆极化天线子阵。以天线子阵为基础，扩展成8×8相控阵天线。相控阵天线在方位360°、俯仰±60°范围内进行双圆极化扫描，轴比小于3 dB，且轴比带宽达30%。该相控阵研究为类似频段卫星通信的双圆极化相控阵天线的设计提供了指导。

1 Ka频段双圆极化天线单元设计

该天线单元结构如图1所示，其中(a)为天线3D视图，(b)为天线的透视图。天线由三个部分共7个金属层和7个介质层构成，从上到下依次为天线部分、馈线部分和圆极化结构部分。天线部分包括从辐射面（圆形贴片）、主辐射面（方形贴片）、介质腔、介质层1和介质层2，介质腔用于增大天线带宽。馈线部分由两个正交矩形缝隙地板1、两个正交馈线层、介质层3、介质层4和地板2构成带状线结构，两个正交矩形缝隙地板1也作为天线部分的地板。在介质层3和介质层4上设计金属化过孔，包围两正交矩形缝隙，形成基片集成波导腔。圆极化结构由3 dB枝节电桥、地板3、介质层5、介质层6及馈线部分的地板2构成带状线结构。

两个正交馈线通过两个正交的矩形缝隙耦合能量，激励起两种正交模式，实现垂直和水平极化工作状态，当两个正交馈线馈入能量幅度相等，相位相差±90°时，天线工作于左旋圆极化或右旋圆极化状态。该天线通过带状线结构的3 dB枝节电桥实现双圆极化特性。

天线工作于Ka频段，采用HFSS软件进行仿真。介质腔和各介质层的厚度和相对介电常数分别为：cave=1 mm，rcave=3.5；1=0.254 mm，r1=2.2；2=0.381 mm，r2=2.2；3=4=0.15 mm，r3=r4=4.5；5=6=0.254 mm，r5=r6=2.2。经优化后天线的结构参数为：p=3.55 mm，=3.5 mm，1=0.2 mm，1=2.9 mm，2=0.2 mm，2=1.9 mm，3=0.4 mm，3=2.1 mm，4=0.2 mm，4=1.7 mm，5=0.4 mm，5=2.3 mm。

该天线通过带状线结构的3 dB枝节电桥实现双圆极化特性。要覆盖与天线相同带宽的3 dB枝节电桥，其一般的尺寸是多个0/4，这不利于天线在阵列中应用。为减少结构复杂性，利用0/4等效传输线法设计一个结构简单的宽带小型化枝节3 dB电桥如图2所示[5]，其仿真参数如图3所示。由图3可见，在天线工作的频带内L和H（H=L+2.5 GHz），该电桥4个端口的回波损耗小于–15 dB，端口之间的隔离度也小于–15 dB，两条通路21与31之间的相位差小于5°，幅度平衡度小于1 dB。

图2 小型化枝节3 dB电桥

图3 小型化枝节3 dB电桥S参数

图4为天线双端口驻波特性，VSWR<2时，天线的阻抗带宽大于30%，轴比AR<3的轴比带宽为25%。天线轴比方向和增益方向分别如图5和图6所示，在频点L的轴比和增益分别为2.38 dB和6.77 dBi，在频点H的轴比和增益分别为0.9 dB和6.91 dBi（图上列出了频点L左旋圆极化，频点H右旋圆极化）。

图4 双端口驻波特性

2 Ka频段双圆极化相控阵设计

为提高圆极化阵列天线的轴比性能，常采用旋转天线单元的方法。图7是2×2双圆极化天线子阵，四个天线单元依次旋转90°，在每个天线3 dB电桥的RHCP端口顺时针依次补偿–90°相位差，以实现子阵的右旋圆极化；在每个天线3 dB电桥的LHCP端口逆时针依次补偿–90°相位差，以实现子阵的左旋圆极化。

图5 天线轴比方向图

图6 天线增益方向图

图8是2×2子阵的法向增益方向图，在频点L的增益10.91 dBi，左旋圆极化轴比为 0.007 dB，在频点H的增益12.21 dBi，右旋圆极化轴比为0.005 dB。

将16个2×2子阵扩展成8×8天线阵列，并按公式（1）馈入相位，实现双圆极化相控阵扫描。公式（1）中，I、E()和Ф是第个天线单元的幅度、方向图和初始相位。在所有LHCP端口和RHCP端口分别按子阵的左旋方式和右旋方式分别补偿初始相位，实现相控阵双圆极化扫描，其扫描增益方向图如图9所示，扫描中的轴比与增益如表1所示。天线阵列在±60°范围内扫描，轴比小于3 dB，且在整个阻抗范围内轴比都小于3 dB。在最大扫描角位置，天线的低频增益下降3 dB左右，高频增益下降较大，约5.5 dB。可通过调整阵元间距，减少增益下降程度。

图8 2×2子阵的法向增益方向图

图9 8×8天线阵列扫描增益方向图（方位面）

表1 8×8相控阵天线扫描特性

Tab.1 Scanning characteristics of 8×8 phased array antenna

3 结论

设计了一个8×8的Ka频段双圆极化相控阵天线，该天线具有三个特点，一是天线单元采用小型化宽带3 dB枝节电桥实现双圆极化功能，结构紧凑；二是采用顺序旋转天线单元，形成2×2双圆极化天线子阵，提高了天线在扫描过程中的双圆极化性能；三是天线剖面低、带宽宽，阻抗和轴比带宽都能达30%。该相控阵研究为类似频段卫星通信的双圆极化相控阵天线的设计提供了指导。

[1] LEE K M, EDIE J, KRUEGER R, et al. A low profile X-band active phased array for submarine satellite communications [C]// Proceedings of 2000 IEEE International Conference on Phased Array Systems and Technology. NY, USA: IEEE, 2000: 231-234.

[2] 张劲松, 刘靖, 高祥武. 基于中继卫星的运载火箭遥测传输技术[J]. 导弹与航天运载技术, 2009(6): 11-15.

[3] TRIPODI M, DIMARCA F, CADILI T, et al. Ka band active phased array antenna system for satellite communication on the move terminal [C]//Proceedings of 2012 IEEE First AESS European Conference on Satellite Telecommunications. NY, USA: IEEE, 2012.

[4] LUO Q, ZHANG L, GAO S, et al, Interleaved dual-band circularly polarized active array antenna for satellite communications [C]//Proceedings of 2015 9th European Conference on Antennas and Propagation. NY, USA: IEEE, 2015: 1-5.

[5] TANG C W, CHEN M G. Synthesizing microstrip branch-line couplers with predetermined compact size and bandwidth [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2007, 55(9): 1926-1934.

（编辑：陈渝生）

Design of Ka-band dual circularly polarized phased array antenna

BAI Yanying

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

An 8×8 Ka-band dual circular polarization phased array antenna was designed. The antenna elements were multilayer microstrip antennas and each element was coupled fed by two orthogonal slots and consists of a miniaturized broadband 3 dB branch-line coupler (BLC) to achieve dual circular polarization. In order to improve the performance of the circular polarization of the proposed antenna, four elements were rotated in turn to form a 2×2 dual circular polarization sub-array. Based on the 2×2 sub-array, an 8×8 phased array antenna was fabricated. The HFSS simulating results show that the array antenna can scan in the range of 60° and the azimuth of 360° with dual circular polarization. The axial ratio is less than 3 dB and the axial ratio bandwidth is up to 30%. The research of this array antenna can be used for the design of dual circular polarization phased array antenna of satellite communication.

Ka-band; phased array antenna; dual circularly polarized; branch-line coupler; rotating array element technique; satellite communication

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.11.009

TN702

A

1001-2028（2017）11-0047-05

2017-08-30

柏艳英（1978－），女，湖南祁阳人，博士，主要从事相控阵天线研究，E-mail: yanying_bai@163.com。

2017-11-02 15:46

网络出版地址： http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20171102.1546.009.html