一种S频段卫星通信相控阵天线设计

郭 超， 赵春柳， 鄢泽洪， 张天龄

(1. 西安电子科技大学 天线与微波技术重点实验室，陕西 西安 710071；2. 国防科技工业局军工项目审核中心，北京 100000)

S波段主要应用在中继、无线通信和雷达等领域．现代的卫星通信手段具有普通通信方式所不具有的明显优点，例如覆盖范围广、受环境影响小、通信容量大和通信质量高等，是解决机载平台远程作战通信问题的最佳途径．相控阵天线相比于传统的机械扫描天线，其优点为波束扫描更加灵活、波束切换更快和波束扫描空间广，能够满足现代卫星通信的要求，因而相控阵的发展有很广阔的前景[1-3]．

相控阵的主要优点为波束扫描速度快和跟踪精度高，能够适应载体的高速机动性能；而相控阵的不足之处主要是在相控阵规模有限的情况下，扫描到低仰角时增益较低，因此扫描范围有限．其主要原因为相控阵天线单元的波束宽度有限，单元低仰角时增益较低．为了改善相控阵天线的低仰角性能，要求单元设计时具有较宽的波束宽度，较大的低仰角增益．同时为了减小整个相控阵天线的风阻，天线单元需要使用低剖面且小型化的单元类型．综上所述，相控阵天线若满足宽角扫描、低剖面、小型化以及圆极化等特性，则天线单元就要满足较宽的波束宽度以及较好的圆极化特性．

为了解决目前相控阵所存在的这些问题，笔者采用单馈双层微带结构，通过加载圆形金属腔体，设计了一个工作在S频段的宽波束圆极化相控阵单元，以提高相控阵低仰角增益．在此基础上用24个单元按照水滴状形式排布组成相控阵阵列，以减小风阻．并对相控阵在收发频段中心频点处的仿真和实测增益进行了对比分析，文中相控阵天线性能满足了设计指标．

图1 3种单元结构仿真方向图

1 天线单元及阵列结构

1.1 天线单元结构

为了实现低剖面、宽波束和小型化的特性，这里选取微带天线作为相控阵的单元形式[4-5]．微带天线具有非常多的种类，文献[6-7]给出了形成圆极化的多种方法，例如双极化合成圆极化、切角、表面开槽、双馈和平面螺旋天线等多种形式，文献[8-9]提出通过加载结构可以展宽波束宽度．图1为平面螺旋、双层微带以及加载金属腔体的双层微带3种单元结构中心频点处的仿真方向图．可以看出，加载腔体的双层微带结构 3 dB 波束宽度最宽，仰角为25°时 (θ=65°) 增益最高．这里选择加载腔体的双层微带结构作为文中相控阵的天线单元．

文中设计的天线单元由上下介质层、中间空气层以及外围金属腔体组成，其结构如图2所示．上下介质层均为圆形，其半径分别为ru和rd，高度分别为h1和h3，介电常数εr= 2.65，上下介质层的金属贴片半径分别为r1和r2，中间为空气层，高度为h2；上层金属贴片为引向贴片，用于提高天线增益，下层金属贴片有两个对称的大小为w×l的矩形开槽，用以实现左旋圆极化，馈电位置在斜45°方向，到贴片圆心距离为px，馈电点后面的矩形大小为w1×l1，用来调节天线的驻波；金属腔体厚度为t，外径为ru，总高度为t+h1+h2+h3，用于展宽波束宽度，提高单元低仰角增益，减小单元之间的互耦．利用电磁软件高频结构仿真(High Frequency Structure Simulation，HFSS)进行优化后，单元的结构尺寸如表1所示．

图2 天线单元结构示意图

变量名称数值变量名称数值变量名称数值ru/mm35.00h2/mm15.60w/mm4.36rd/mm30.00h3/mm3.00l/mm17.00r1/mm24.00px/mm24.15w1/mm7.00r2/mm25.90t/mm5.00l1/mm3.53h1/mm1.50εr2.65

1.2 天线阵列结构

按照相控阵的要求和设计指标，以及考虑到天线安装在运动速度较快的载体表面，整体采用椭圆柱水滴流线型结构来减少风阻，最终设计的相控阵单元排布俯视图以及坐标系统如图3所示．天线坐标系统中，φ为方位角，θ为阵列扫描角，与阵列俯仰角互余．天线阵列按照椭圆形进行布局，从内到外一共分为3层，分别有2个、8个和14个天线单元．每个天线单元分别接一个同轴线进行馈电，单元间距为0.55λ0左右．同时，单元之间在空间具有一定的角度旋转，形成连续旋转馈电阵列．在远场方向，所有相控阵单元有一定的空间旋转，并补偿相应的旋转相位，所有单元的主极化电场相位相同，同相叠加，交叉极化电场方向相反；反向相消，整个天线阵列的交叉极化降低，从而改善阵列的轴比特性．

图3 相控阵天线阵列排布及其坐标系统

2 天线单元及阵列仿真结果

2.1 天线单元在阵列中的方向图

由前面的分析可知，相控阵的扫描角度与天线单元的波束宽度相关，天线的波束宽度越宽，阵列的低仰角增益越高，阵列扫描角度就越宽．

文中设计的天线频段范围为f1-f2，中心频点为f0，低频发射频段的中心频点为fL，高频接收频段的中心频点为fH，相对带宽约为14.3%．图4为1号天线单元在阵列中的仿真结果．可以看出，单元在整个频率范围的电压驻波比均小于1.3，收发频段内其轴比均小于 3 dB，圆极化性能较好．频率在fL处，单元1的最大增益为 4.5 dB，3 dB 波束宽度约为120°; 频率在fH处，单元1的最大增益为 5.3 dB，3 dB 波束宽度约为120°，天线单元在阵列中波束角度很宽． 当θ=65° 时，天线单元增益为 1.5 dB 左右，低仰角增益较高，可以满足天线阵列较宽扫描角度的要求．

图4 单元在阵中仿真结果示意图

2.2 天线阵列的波束扫描

经过HFSS软件仿真，可以得到相控阵的增益覆盖特性．

图5为天线在方位角φ为0°、90°、180°和270°时，天线在扫描角度θ为0°以及15°、25°、35°、45°、55°、65°(也即仰角为75°、65°、55°、45°、35°、25°)时的增益变化曲线．天线天顶方向增益为 18 dB，天线效率为81%，随着扫描角度的增大，低高频中心频点处的增益则随之降低．

图5 阵列在不同方位面内波束扫描时俯仰面的增益变化仿真曲线

图6 θ=65°时方位面的阵列增益仿真曲线

图6为相控阵列在扫描角度θ最大65°时，天线在方位角360°范围内的低高频中心频点处的增益变化曲线．可以看出，在同一扫描角面上，阵列天线增益随方位角φ的变化趋势基本一致．在要求的扫描范围内 (0°≤φ≤ 360°，0°≤θ≤ 65°)，24元阵列天线在低高频中心频点处的增益均大于 13.5 dB，此时方位面的不圆度小于 2 dB．

3 相控阵的测试结果

图7为相控阵天线加工组装的样机以及测试环境．整个天线系统包括天线阵列、6个四通道三位数字移相器、一分24功分器、电源模块和控制模块．其中天线单元连接移相器，移相器和功分器相连，移相器通过电源模块供电，并经波束控制模块控制每一个单元的馈电相位．

图7 相控阵天线样机实物图及测试环境

图8为天线在方位角φ为0°、90°、180°和270°时，天线在扫描角度θ为0°以及15°、25°、35°、45°、55°、65°(也即仰角为75°、65°、55°、45°、35°、25°)时的增益实测变化曲线．可以看出，随着扫描角度的逐步增大，低高频中心频点处的增益则随之逐步降低．

图8 阵列在不同方位面内波束扫描时俯仰面的增益变化实测曲线

图9为相控阵列在θ=65°(也即仰角为25°)时，天线在方位角范围内的低高频中心频点实测增益变化．可以看出，天线在此方位面的增益总体趋势和仿真结果类似，方位面上的不圆度为 2.5 dB，与仿真结果基本一致．

相控阵列在扫描范围内(方位角0°≤φ≤360°，扫描角0°≤θ≤65°)，高低频中心频点处的增益均在 9.8 dB 以上．图10为功分器总端口到天线馈电端口24个通道的损耗实测曲线，通道损耗不超过 3 dB．天线实测增益与仿真增益基本一致，其误差在于:相控阵的输入相位是仿真得到的理论相位，实际增益比仿真增益低;受测试系统及环境的影响，测量会有实验误差，实际测量值会偏低．最终的测量结果在误差范围之内，完全满足设计指标要求．

图9 θ=65°时方位面的阵列增益实测曲线图10 低高频中心频点处通道损耗实测曲线

4 结 束 语

文中针对目前卫星通信对于终端相控阵的要求，设计了一种S频段的宽波束、低剖面、小型化的圆极化相控阵天线．相控阵天线单元为双层微带结构，使用单馈和表面开槽的形式在频带内实现了较好的阻抗匹配和圆极化性能，并增加了外围腔体展宽波束、减小单元互耦，单元总高度为 21.6 mm，总直径为 70 mm，阵中 3 dB 波束宽度约为120°．天线阵列总高度为 40 mm，大小为 640 mm× 640 mm，实测在扫描范围内(方位角 0°≤φ≤ 360°，扫描角 0°≤θ≤ 65°)的增益均在 9.8 dB 以上，有较宽的扫描角范围，阵列整体采用旋转馈电结构，也有比较好的圆极化性能，满足了相控阵的宽角扫描、低剖面、小型化和圆极化等设计要求．

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