一种星载Ka频段平面反射阵列天线设计

杨 帅，杨 琳，夏龙安，刘任宸，蒋应富

（上海卫星工程研究所，上海201109）

0 引言

星载数据传输天线在卫星有效载荷系统中占有非常重要的地位，卫星数据传输系统主要是使用星载数据传输天线对地面站或其它卫星进行波束指向和无线辐射，确保数据的星地及星间可靠传输。遥感卫星领域的迅速发展，对星载数传天线提出了高增益、高频率、宽频段的使用需求。

在目前的星载数据传输系统中，应用较多的是抛物面天线和传统的微带贴片阵列天线。抛物面天线由反射面和空馈系统构成，结构简单，可以工作在很宽的频段内，但是其机身笨重、体积大，工作在毫米波波段对曲面加工精度要求高，且无法与卫星星体进行共形设计。传统的微带贴片阵列天线加工简单、体积小，但是需要复杂的功分馈电网络，在毫米波波段带来极大的功率损耗。平面反射阵列天线则综合了两者的优点，采用空间馈电的方式对阵列进行馈电，保证了天线较高的工作效率，具有质量轻、馈电简单、易于和卫星共形设计等优点，在星载领域中具有广阔的应用前景[1-4]。

平面反射阵列天线设计的关键技术是如何补偿由于馈源到各个贴片的路径不同所造成的相位差，从而实现反射面等相位分布。因此，国内外学者针对相位补偿方法和贴片单元形式开展了较多研究，提出了加载传输线单元[5]、可变尺寸单元[6]、旋转单元[7]等不同方法。但是，加载传输线单元由于开路相移线的存在，单元所占面积较大，阵列上可放置单元数量较少，天线辐射效率低下；可变尺寸单元在单元数较多、尺寸变化剧烈时，仿真结果与实际情况偏离较大，导致阵列辐射效率降低；传统的旋转单元尺寸相同且都工作在谐振频率，具有较好的增益带宽性能，但是单元尺寸易重叠，会造成实际单元间距较大，降低天线效率。

本文为适应星载数据传输的需求，提出了一种Ka频段平面反射阵列天线设计方案，采用新颖的方环形切角贴片单元和空间馈电反射阵列天线设计，减小了单元尺寸，提高了口面单元数，具有高增益、高可靠性、低成本、低功耗等优点。本文完成了该天线的方案设计及各模块实现，并给出了天线的实测结果。通过该方法可以进行大口径平面反射阵列天线设计，满足高速星载数据传输系统对天线高增益、高效率以及轻质量的需求。

1 天线设计

1.1 设计原理

根据星载数据传输的高速率、宽频段的需求，天线工作带宽要求大于400 MHz，天线法向增益要求优于23.5 dBi。同时，星体布局空间有限，这对天线提出了质量轻、尺寸小的要求。因此，本文的设计难点在于如何在天线口面受限的情况下，进行贴片单元小型化设计，从而在有限阵面中布置尽可能多的单元，实现天线的高增益性能。为了解决此问题，本文提出了新颖的方环形切角贴片单元设计。微带贴片单元通过中心旋转方式进行相位补偿，减小天线单元尺寸，缩小单元间距，避免单元间重叠。同时，合理设计每个单元的旋转方向以补偿从馈源到贴片的相位延迟，实现了良好的相移特性和较好的相位补偿效率，从而提高了天线辐射效率。通过该设计方法，实现了天线法向增益大于23.5 d Bi、半功率波束宽度大于6.5°、带内轴比优于3 dB等性能指标。

天线由平面反射阵单元、圆极化螺旋馈源和天线机构框架组成，采用平面结构代替了抛物面复杂的曲面结构，采用空间馈电方式避免了设计较为复杂的馈电网络，通过控制平面上各个微带单元的尺寸或者旋转不同角度实现不同的相移量，以达到补偿馈源照射到阵面的空间路径造成的相位延时，达到同相辐射的远场高增益特性。馈源用于发射电磁波，反射阵面包含若干微带贴片单元，用于将馈源发出的电磁波散射成平面波，或者接收平面波汇聚至馈源上，天线结构框架用于连接馈源和反射阵面，如图1所示。

图1 微带平面反射阵列原理

1.2 馈源设计

选取合适的馈源对反射阵列天线的设计尤为重要，尤其是圆极化馈源的轴比带宽会直接影响反射阵的轴比带宽。在设计时需要满足以下要求：一是尽量减小馈源口径面大小，避免遮挡；二是选择合适的焦径比以完成对阵列的能量输入，获得较好的增益方向图特性；三是馈源的工作带宽要足够宽，保证反射阵天线的工作带宽不受影响；四是具有较好的交叉极化特性及大功率容量，减小交叉极化分量对主极化波的影响从而提升阵列性能。

因此，采用了圆极化螺旋馈源形式作为反射阵列天线馈源，其辐射模式符合式（1）-（4）：

式中，L0=12.88 mm为一圈的平均周长，D=4 mm为螺旋直径，S=2.85 mm为螺距，α=12.77°为螺距角，N=10为圈数，L=28.5 mm为天线轴长。

根据阵列天线照射效率、溢出效率关系，选取馈源边缘照射电平为-10 d B，焦径比为0.85，对应的馈源天线计算的增益约为15.0 dB左右。仿真模型图如图2所示。

图2 馈源仿真模型图

采用Ansoft HFSS软件进行仿真，得到馈源的电性能如图3、图4所示。由仿真图可以看出，馈源极化方式为右旋圆极化，最大增益为14.4 d B，10 d B波束宽度为64°，符合反射阵列天线对馈源电性能的要求。

1.3 微带贴片单元设计

具有较好相移特性的单元设计是平面反射阵设计的核心所在，一般而言，为了获得较好的相位补偿效率，360°的相位调控是基本条件。本文提出的微带贴片单元采用方环形切角贴片形式，通过中心旋转方式进行相位补偿，通过合理设计每个单元的旋转方向以补偿从馈源到贴片的相位延迟。天线阵列单元仿真模型如图5所示。

图3 馈源辐射方向图

图4 馈源±30°范围内的轴比曲线

图5 天线阵列单元仿真模型图

为得到所需的圆极化性能，切角大小a设计为1.14 mm。贴片单元尺寸W选取通过经验公式（5）确定，然后再进行仿真优化，最终设计为3.9 mm。

式中，c为光速，f为工作频率，εr为基板相对介电常数。

在反射阵单元设计时，采用基于有限元的HFSS软件对单元进行特性分析研究。通过主从边界设置，并采用Floquet端口激励方法模拟单元在无限大周期排布下的电磁特性。天线单元采用矩形切角贴片形式，通过内部切槽增加天线电容，降低Q值以增加工作带宽。通过微带单元方向旋转与结构微扰实现反射相位的变化。当单元以Φ°旋转时，所能实现的反射相位为2Φ°，故单元仅需实现180°的旋转角度就能达到360°的移相调控。这种结构一定程度上减少了相邻单元的互耦，有效地增加了带宽，降低了交叉极化。通过对馈电线宽度进行调整，得到较好的天线阻抗，优化后馈电线宽度设计为1.66 mm。

1.4 阵列设计

应用上述单元，构建了一个中心馈电的平面反射阵，其直径小于134 mm、单元数为208。根据馈电螺旋的相位中心位置P及微带贴片单元阵列的位置Pi确定每个微带贴片单元需要的初始相位，如式（6）所示：

通过对微带贴片单元的旋转进行初始配相（旋转角度为φideg/2），使得天线初始波束为反射阵面的法向方向。考虑到馈源照射到阵列边缘要比照射中心能量低，故中心区域的单元对阵列贡献大于边缘位置，通过合理分配单元分布达到高效率辐射特性。由于天线阵面中心对称，将天线分为四个区。在阵列中单元所处位置不同使得馈源入射波照射到每个单元的路径有所不同，这种路径不同造成的相位差别就是空间相位延迟，这里给出四分之一阵面一区初始配相延迟数据如图6所示。

图6 天线阵面

为验证该方法的可行性，对天线阵列进行了电性能全波仿真，如图7、图8所示。由仿真数据可知，天线最大增益为25.7 dB，半功率波束宽度为7.6°，0°方向轴比为0.96 dB，仿真结果符合天线的设计要求。

图7 阵列天线辐射方向图

图8 阵列轴比曲线

2 天线性能实测结果与分析

为了进一步对该设计方法的正确性进行验证，利用天线近场测试系统对天线辐射性能进行测试。天线实物图如图9所示，测试连接框图如图10所示。

图9 天线实物图

天线在工作频段内的测试结果如图11-13所示，天线实测最大增益为25.5 d B，口径效率为37%，波束宽度7.0°，达到实际的应用需求。通过将天线仿真结果、实测结果和设计要求进行比对分析（见表1），可以证明实测结果与仿真结果基本一致，天线在工作频段内特性稳定、方向图一致性较好。因此，该设计方法提出的平面反射阵列天线具有高增益及较宽的工作频带特性，可以满足星载数据传输应用需求。

图10 天线近场测试状态图

图11 f0-200 MHz频点天线实测方向图

图12 f0频点天线实测方向图

图13 f0+200 MHz频点天线实测方向图

表1 设计指标要求与仿真、实测结果对比

3 结束语

本文为适应星载数据传输的需求，提出了一种星载Ka频段平面反射阵列天线设计方法，通过采用方环形切角贴片中心旋转方式实现相位补偿，使每个微带贴片单元在某个方向上相位达到同相，最终实现圆极化波束性能。通过对实测数据进行分析可知，天线最大增益为25.5 dBi，口径效率为37%，半功率波束宽度7.0°。分析结果表明，该天线设计合理可行，可推广应用于空间飞行器数据传输系统。未来可在该设计实例基础上引入移相器设计，实现灵活的波束扫描能力，从而进一步提高平面反射阵列天线的性能，拓展其应用范围。■