星载柔性圆极化薄膜天线*

李 春，朱瑞龙，谢成清，贾朝锋，高尔远，曹 诞

（1 深圳航天东方红卫星有限公司 深圳 518057 2 西安矩阵无线科技有限公司 西安 710199）

引 言

随着商业航天的兴起，商业卫星的应用领域也越来越广泛。从卫星物联网星座到高精度星载SAR成像，星载天线作为卫星必不可少的器件也将得到发展。商业卫星多数为微纳和皮纳等小卫星平台，可满足低成本、批量化的生产要求，以及具备一箭多星的发射能力。为了提升小卫星平台以及载荷的通信能力，需要天线具备高增益的特点。天线的口径尺寸和增益密切相关，为了提升天线辐射增益，需要卫星天线具备对应的辐射口径[1]。为了解决星载大口径天线包络尺寸大的问题，高性能可收纳天线是一个重要的研究领域，特别是薄膜天线具有很大的研究价值[2,3]。将薄膜作为天线基材，可满足天线在发射入轨前的合理收纳，以及在轨后的展开，有效解决卫星平台包络较小以及对于大口径、高增益天线功能相矛盾的问题。薄膜天线是微带天线的一种特例，以薄膜作为介质基板，基板的厚度尺寸约100 μm 或更小，其厚度甚至远小于微带线宽，其Q 值较常规微带天线会更高，天线带宽也更窄[4]。对于薄膜天线的宽带特性已经有较多的研究，2009 年，南京电子技术研究所对薄膜微带贴片天线单元和薄膜印刷振子天线单元进行了研究[5]，主要以薄膜作为一层辐射单元的附着结构来使用，在薄膜下方有空气层作为介质基板的一部分，获得了与常规微带贴片天线一致的带宽。文献[6]将薄膜（厚度为787 μm）作为基材的单层微带天线，通过增加寄生单元也获得15 %的相对带宽，但该基板相对较厚。文献[7]采用缝隙耦合的多层薄膜（单层膜厚度为127 μm）以阵列天线形式获得较宽的带宽。文献[8]采用特殊的单极子形式在厚度为300 μm 的薄膜上获得8 %带宽。文献[9]采用薄膜材料设计了一个可折叠天线阵面。以上所有研究中，天线单元均为线极化，无法满足卫星通信对于圆极化天线的需求；同时，展宽带宽主要是通过缝隙耦合或采用单极子（偶极子）等方式，导致天线整体剖面较高，对于大口径天线的收纳和展开造成了困难。

为了有效展宽薄膜天线工作带宽并具备可收纳和展开的特点，本文采用127 μm 厚度薄膜作为基材，针对X 波段16×8 的阵列单元进行二次、三次和四次圆极化旋转布阵以及串并联方式馈电[10]，有效改善薄膜天线单元工作带宽，将驻波（VSWR≤2.0）和轴比（AR≤3 dB）带宽分别从0.5 %和0.25 %，提升至10 %和4 %，对于薄膜天线的应用推广具有重要意义。

1 圆极化阵列天线的旋转布阵与串并联馈电

1.1 天线单元设计

薄膜天线是以薄膜基材为基础，在薄膜表面增加一定形状的金属镀层，实现特定的辐射特性。圆极化的产生需要天线在辐射口径上构建一组在时间和空间上相互正交、幅度相等的电场[11]。薄膜天线的圆极化单元采用切角方形贴片[12]，以使贴片表面产生一组简并模电场，满足圆极化实现的基本要素。如图1 所示，薄膜介质基板的相对介电常数εr=2.2，基材厚度h=127 μm，在中心频点为8.5 GHz时，贴片尺寸W=L=11.8 mm，切角长度Ls=0.92 mm。经仿真，天线单元的增益约为6.5 dBi，驻波带宽（VSWR≤2.0）约为40 MHz，轴比带宽（AR≤3.0 dB）约为20 MHz。

图1 天线单元模型Fig.1 Model of antenna unit

1.2 旋转布阵原理

为了实现薄膜天线的宽带圆极化辐射特性，以右旋圆极化为例，以2×2 规模的阵列天线作为一个子阵，将子阵中的每个单元依次旋转角度θ；同时，对每个天线单元的馈电相位也依次滞后θ。其中，旋转布阵主要包含以下两种情况，如图2 所示：Case1 中的天线单元依次顺时针旋转90°，表明各单元电场相位超前90°，这样便需要馈电相位依次滞后90°，最终实现各天线单元辐射电场相位一致；Case2 中的天线单元旋转方向与Case1 中的相反，通过馈电相位的补偿，可实现同样的效果。

1.3 串并联馈电原理

阵列圆极化天线采用旋转布阵形式，需对天线单元进行相位补偿。如图2所示，四个天线单元需依次采用相位超前/滞后90°的馈电形式。馈电形式大概分为两类，一类为并联馈电，一类为串并联馈电，如图3 所示。并联馈电采用三个一分二功分器顺序级联，实现四端口等幅输出，通过每个功分器输出端口馈线的不同长度实现相邻端口相位依次相差90°。串并联馈电是每个端口都串于一条传输线上，传输线在相邻端口之间的距离均为λg/4，以实现相邻端口之间的90°相位差[13]。

图2 旋转布阵方式Fig.2 Structure of rotating array

图3 并联馈电和串并联馈电结构图Fig.3 Structure of parallel feeding and series-parallel feeding network

相比并联馈电，串并联馈电结构简单，布局对称；对于多次旋转的布阵形式，便于子阵内部和子阵之间相互旋转馈电。因此，本文将采用串并联馈电形式对旋转布阵单元进行馈电。

串并联馈电的阻抗匹配分析如下：为了实现馈电网络中每个端口之间的匹配，假设每个端口之间特性阻抗为Z0，馈电网络每部分阻抗关系如图4，每个天线端口都经过λg/4 变换与串行网络相连接，串行网络相邻天线之间的间距也为λg/4。从网络P4 端口分析，取Z4=Z0，Zt3=Z0，Z3=Z0，在A 点的输入阻抗Za。

图4 串并联馈电匹配网络示意图以及仿真模型图Fig.4 Schematic diagram and simulation model of series-parallel feed matching network

B 点的输入阻抗为A 经过Zt3变换之后与P3 经过Z3变换之后阻抗并联，C 点的输入阻抗为B 点的输入阻抗经过Zt2变换之后与P2 在C 点输入阻抗的并联。为了方便，取Z2=Z0，则P2 经过Z2变换后在C 点的阻抗也为Z0。取Zt2=Z0/2，则经过Zt2变换后阻抗为Z0/2。

从功率分配考虑，P1 占总能量的25 %，由于在D 点Z0经Z1变换后与Zc经Zt1变换后是并联关系，而在总端口P_sum 处总功率为V2/Z0，则P1 在D 处分配功率为0.25V2/Z0，则P1 经变Z1变换后的阻抗为4Z0。

同时除了P1 获得功率外，另外75 %的V2/Z0功率被P2、P3、P4 获得，则Zc经过Zt1变换后的阻抗为，由此可得

2 圆极化阵列天线的设计与实现

2.1 阵列天线的旋转方式设计

为实现16×8 薄膜阵列天线宽带、高增益的辐射特性，可以将该阵列分为两组8×8 的阵列进行并联实现；每个8×8 的阵列需要将圆极化天线单元进行三次旋转布阵。如图5 所示：首先，将2×2 阵列中的四个单元依次旋转90°，此形式称为“二次圆极化”；其次，以“二次圆极化”的2×2 阵列作为子阵单元，再次进行2×2 布阵并将四个子阵单元依次旋转90°，形成4×4 的阵列规模，此形式称为“三次圆极化”；最后，将“三次圆极化”的4×4 阵列作为子阵单元，再次进行2×2 布阵并将四个子阵单元依次旋转90°，形成8×8 的阵列规模，此形式称为“四次圆极化”。通过对圆极化单元的三次旋转布阵，最终实现“四次圆极化”形式的8×8 阵列。

经仿真优化，阵列的参数见表1。

从表1 可知，将天线单元进行三次旋转布阵后，随着阵列规模的增大，天线单元尺寸保持不变。

表1 阵列设计参数Table 1 Parameters of the array

经仿真分析，如图6 所示，2×2、4×4 和8×8天线阵的驻波带宽（VSWR≤2.0）分别为260 MHz、360 MHz 和不小于800 MHz，相比天线单元，相对带宽从0.5 %拓展至3 %、4.2 %和9 %；轴比带宽（AR≤3.0 dB）分别为90 MHz、300 MHz 和400 MHz，相对带宽从0.25 %拓展至1.1 %、3.75 %和4.7 %，随着旋转次数的增加，轴比带宽改善明显。

图6 2×2 天线阵、4×4 天线阵和8×8 天线阵驻波和轴比仿真结果Fig.6 Simulation of 2×2 array,4×4 array and 8×8 array

2.2 阵列天线的实现与测试

根据以上设计思路，结合实际的工程应用中将薄膜阵列天线贴附于太阳能帆板对地面的需求[14]，天线阵列规模采用16×8 形式。将上述8×8 阵列天线旋转180°，并采用并联反相馈电，实现16×8 布阵规模，天线实际口径为371 mm×180 mm。同时结合仿真模型及实际安装接口，对以上模型进行加工，天线阵的仿真和实物如图7 所示。

图7 16×8 天线阵仿真模型和加工实物Fig.7 Simulation model and photograph of the proposed 16×8 array

在微波暗室中对天线的辐射和端口性能进行测试，如图8 所示。由矢量网络分析仪测得天线馈电端口的VSWR 和仿真数据进行比较，如图9（a）所示，由图可知：实测与仿真数据一致性较好，驻波带宽（VSWR≤2.0）达到约9.9 %。天线的轴比测试和仿真数据对比如图9（b）所示，轴比数据随频率变化的规律一致，实测值相较于设计值略有抬升，轴比带宽（AR≤3 dB）达到约4 %，符合设计要求。

图8 16×8 阵列天线测试图Fig.8 Photograph of the 16×8 array antenna test

图10 中，分别对不同频点的增益和轴比方向图进行仿真和测试比较可以看出：天线方向图重合度较高，增益设计值相对于实测值高约1.5 dB 左右，轴比实测值相较于设计值高1.3 dB 左右。这表明，多次旋转布阵和串并联顺序旋转馈电方式，可以显著提升薄膜天线工作带宽和辐射特性。

图10 16×8 天线阵增益和轴比方向图仿真和测试结果Fig.10 Simulation and measurement of the pattern and axial ratio of the 16×8 array antenna

3 结束语

从星载天线实际应用需求出发，以柔性薄膜材料（厚度为127 μm）作为天线基板。为克服薄膜材料高Q 值对天线带宽的和圆极化轴比的制约，采用多次旋转布阵和串并馈电网络对天线阵进行馈电。通过仿真分析可得，采用多次（本文3 次）旋转布阵，天线驻波带宽从单元天线的不到1 %展宽到10 %，天线轴比带宽也相应地提高到4 %。以此为基础设计128 单元天线阵，通过加工测试，进一步印证了上述方法可以有效拓宽天线阵的轴比和驻波带宽。此种布阵和馈电形式的阵列天线可以作为圆极化薄膜天线的一种，具有重要的使用价值。