一种星载Ka频段圆极化振子天线阵列设计

常俊德， 邢斯瑞， 易 进

(长光卫星技术有限公司， 吉林 长春 130000)

0 引 言

现代化的科技进步使得无线通信无处不在， 天线的应用范围越来越广， 在无线通信领域几乎都能看到天线的身影. 天线的发展过程也是由单个天线的使用到很多天线组成阵列来增强天线的性能[1-2]. 阵列天线的应用很广， 目前不仅应用于单一的增强性能， 还主要应用于电子扫描、 合成孔径雷达、 相控阵天线等等. 此外， 天线的频段使用范围也已经由低频段在向高频段发展， 目前， 星载阵列天线的频段已由X频段逐渐向Ka频段改变[3-5].

常用星载毫米波天线主要有微带天线、 振子天线及波导天线3种形式. 微带天线具有宽带、 轻质、 易于加工和成本低等优势， 但是微带天线阵面的防护设计比较复杂， 而且对电性能影响较大[6]； 波导天线具有电性能高效、 结构强度高， 低频段加工工艺成熟， 单元互耦较小等优点， 但在Ka频段， 其加工难度大， 内部的圆极化形成结构相对精细， 不便于将天线进行单独加工[7]； 振子天线具有高效、 加载聚酰亚胺介质材料后的耐空间环境适应性强、 可以单独加工、 采用旋转馈电后容易实现良好的轴比等特性[8-9]. 鉴于以上3种天线单元的优缺点， 本设计选择耐辐照加载聚酰亚胺材料的振子天线作为天线阵列的基本辐射单元.

针对目前卫星通信系统高频段、 宽带宽、 宽波束的需求[10-11]， 本文设计了一种星载Ka频段圆极化振子天线发射阵列. 天线单元采用非对称双臂振子单元形式， 选择耐辐照加载聚酰亚胺材料， 十字交叉振子采用自相移结构来实现圆极化. 天线阵列采用三角形排布的方式， 通过调整布阵时天线单元旋转相位来实现阵列的右旋圆极化. 设计的振子阵列天线可实现较好的圆极化、 宽波束， 适合组阵， 并且性能可靠、 结构简单.

1 天线单元设计与仿真

天线单元采用非对称双臂振子单元形式， 选择耐辐照加载聚酰亚胺材料， 接口为SMP接口形式， 天线极化形式为右旋圆极化， 天线单元尺寸为6.7 mm×6.7 mm×6.5 mm， 天线单元结构如图 1 所示.

图 1 天线单元三维结构图

十字交叉振子通过两个在空间上相互正交的幅度相等、 相位相差90° 的电流形成圆极化辐射. 实现相位相差90° 可以通过双馈电结构实现， 也可以通过单馈电自相移结构实现. 双馈电方式需要90° 移相器或者馈电巴伦来实现圆极化， 如采用此种方式组阵， 会增加馈电结构复杂度. 因此， 本案采用单馈电自相移方式实现十字交叉振子的圆极化. 辐射振子本身取不同电长度时， 其上电流会变现出不同相位. 当对称振子电长度接近半个波长时， 其输入阻抗近似纯电阻， 加激励电压时， 馈电处电流的初始相位可认为是0°； 若振子长度小于半个波长时， 其输入阻抗程容性， 馈电处电流相位相对于0° 表现出超前性； 若振子电长度大于半个波长时， 其输入阻抗会呈现感性， 其馈电处电流相位相对于0° 表现出滞后性.

如图 2 所示， 正交放置的振子同时馈电时， 适当调节两对振子的长度， 可使其上电流相位差正好满足90°， 两对振子相对于馈电点的摆放位置不同， 可产生左旋或者右旋圆极化辐射. 设计中， 将两振子谐振频率调节到发射频段附近， 并将长臂和短臂位置互换， 则辐射右旋圆极化波.

图 2 十字交叉振子产生圆极化馈电方式

利用HFSS仿真软件对天线单元进行性能仿真， 仿真结果如图 3～图 5 所示， 在工作频段 19.2 GHz～21.2 GHz内， 驻波比小于1.21， 增益大于6 dB， 带内轴比最低为0.187 dB， 在41.5%的频率带宽内, 右圆极化的轴比均在2 dB 以下， 表征了天线单元具有很好的极化效率和极化纯度.

图 3 天线单元驻波比曲线

图 4 天线单元轴比曲线

图 5 天线单元方向图

天线单元实物加工出来后， 对天线单元的方向图进行实测， 结果如图 6 所示.

图 6 天线单元实测方向图

通过图 5 和图 6 的仿真方向图和天线实测方向图可以看出， 天线单元实现效果较好， 天线单元实测增益和仿真结果相近， 并且， 天线单元在波束边缘具有更好的增益效果.

2 天线阵列设计与仿真

2.1 天线阵列设计

天线阵列设计采用三角形排布的方式， 如图 7 所示， 在不出现栅瓣的情况下， 尽可能地将单元的间距拉大， 以实现较大的阵面增益， 天线阵面设计实现宽角(60°)扫描范围. 其不出现栅瓣时的阵元间距可以用下式估算选取[12]

式中：λ是最高工作频率所对应的自由空间波长；θ为最大扫描角度.

图 7 阵面排布示意图

本文设计采用旋转馈电方式组成16单元发射天线阵列， 阵列结构如图 8 所示， 实物图如图 9 所示. 经计算得到阵列单元间距dx=8.8 mm，dy=15.2 mm. 天线阵列选择多元法实现圆极化， 具体采用4个天线单元为一组， 作为阵列基础单元来实现宽角扫描圆极化阵列. 对于发射右旋天线， 每个单元的右旋极化相位(以左下角单元相位为基准)为90°， 0°， 270°， 180°.

图 8 天线阵列结构图

图 9 天线阵列实物图

2.2 天线阵列仿真

通过HFSS仿真软件对16单元发射天线阵列进行性能仿真， 仿真结果如图 10～图 15 所示.

图 10 阵列法向驻波比曲线

图 11 阵列法向轴比曲线

图 12 阵列法相方向图

图 13 阵列扫描60°驻波比曲线

图 14 阵列扫描60°轴比曲线

图 15 阵列扫描60°方向图

通过仿真结果可知， 阵列驻波比除了阵面四周由于边缘效应引起的驻波比偏大外， 其余都小于1.5. 在整个扫描空域内， 天线阵列的轴比小于2.3 dB， 表明天线具有很好的圆极化特性. 通过方向图仿真结果可以看出， 扫描60°时， 天线增益下降小于5dB， 表明天线阵列具有较高的辐射功率.

天线阵列实物加工出来后， 对天线阵列的方向图进行实测， 结果如图 16、 图 17 所示.

图 16 阵列法向实测方向图

图 17 阵列扫描60°实测方向图

通过图 16 和图 17 的天线实测和仿真方向图可以看出， 天线方向图中天线的增益实测和仿真值相比， 波束范围内误差在4 dB内， 波速边缘误差在7 dB内. 结果表明， 天线阵列的实现效果较好， 天线阵列实测增益和仿真结果相近， 并且天线阵列在波束边缘具有更好的增益效果.

3 结 论

本文针对Ka频段卫星通信系统的需求， 设计了一种星载Ka频段圆极化振子天线发射阵列， 天线阵列极化方式为右旋圆极化. 除了阵面四周由于边缘效应引起的天线阵列驻波比偏大外， 其余都小于1.5. 天线阵列具有良好的圆极化特性和较高的辐射功率. 该振子阵列天线可实现较好的圆极化、 宽波束， 适合组阵， 并且性能可靠、 结构简单， 在卫星通信系统具有良好的应用前景.