K 频段双极化卫星通信接收相控阵天线

时立锋, 金世超,2, 刘敦歌,2, 吴 冰, 袁 野, 龚志红

（1. 北京卫星信息工程研究所, 北京 100094; 2. 天地一体化信息技术国家重点实验室,北京 100094; 3. 中国人民解放军93160部队, 北京 100071）

0 引言

近年来, 国外以Starlink、OneWeb 为代表的低轨宽带通信卫星星座建设迅速推进, Starlink 已完成近2000 颗星链卫星部署, OneWeb 已完成394 颗卫星部署［1-4］。 国内先后发射了相关试验卫星［2,4］,持续开展在轨验证工作。

高低轨宽带通信卫星数量和容量的快速提升给卫星通信终端天线提出了新的应用需求［5-9］: 第一, 终端天线支持跨星跨波束快速切换; 第二,不同场景特别是未来消费级应用场景低剖面、轻量化需求; 第三, 规模化应用低成本。

传统终端天线采用伺服平板天线或伺服抛物面天线架构, 伺服响应速度慢、剖面高、质量大［2,4,9］。 而相控阵天线的波束切换可达到微秒（μs）量级, 具有增益高、旁瓣低、可支持波束赋形等优势。 相控阵天线根据其物理架构可以分为砖式相控阵和瓦式相控阵两种: 砖式相控阵发展较早,集成度较低, 整体尺寸大; 瓦式相控阵采用层间垂直互联技术, 具有更高集成度、低剖面、小体积、小质量等优势, 特别是近年硅基毫米波芯片低成本优势和高密度射频PCB 工艺技术发展为低成本卫通相控阵应用奠定了基础［5-6］。

针对低轨宽带卫星通信终端相控阵天线应用需求, 本文提出了一种K 频段圆极化可切换接收相控阵天线, 天线采用叠层十字缝隙耦合形式,工作在18.5GHz～20.0GHz 频段。 与传统的圆极化阵列天线相比, 该瓦式相控阵天线采用双线极化合成圆极化, 采用旋转馈电实现二次圆极化, 进一步展宽了带宽。 天线以2 ×2 阵列为模块扩展为8 ×8 阵列, 采用多层PCB 叠层架构, 集成天线层、电源层、控制层、功合网络层和芯片层等, 实现了天线网络芯片一体化低剖面集成, 可实现快速波束扫描以及左右旋圆极化切换功能。

1 系统设计

1.1 架构设计

K 频段极化可切换64 阵元接收相控阵天线架构如图1 所示。 单个天线单元输出水平极化和垂直极化两个馈电端口, 与多功能射频芯片的两个射频接收通道相连, 通过控制两个线极化端口的馈电相位差, 实现天线圆极化合成与左右旋圆极化切换。 同时, 以2 ×2 阵列为主体进行旋转排布以实现二次圆极化设计, 进一步提高相控阵天线圆极化轴比性能。

图1 K 频段64 阵元接收相控阵天线架构Fig.1 Architecture of K-band 64 element receiving phased array antenna

采用单个8 通道多功能射频接收芯片可实现对2×2 接收天线模块的相位控制与功率合成, 通过功合网络可实现对16 个芯片射频输出信号的再次功率合成, 实现64 阵元相控阵天线的射频信号接收。

1.2 G/T 值设计

G/T 值是相控阵天线的一项关键指标, 为天线增益和天线噪声温度的比值。 天线的G/T 值越大,代表接收系统的性能越好。 相控阵天线接收前端噪声链路如图2 所示, 空间信号经天线接收后, 通过金属化过孔与共面波导线连接至芯片, 经过芯片进行第一级功率合成, 再经功合网络进行第二级功率合成。

图2 相控阵接收前端噪声链路Fig.2 Noise link of phased array receiving front end

式（1）中, 天线噪声温度TA为150K, 传输线损耗LT为0.5dB, 传输线物理温度Tp为290K, 射频芯片噪声系数NF为2.4dB, 增益G0为20dB,功合网络损耗（含测试线缆损耗）LN为6.3dB。 经计算, 系统等效噪声温度Tsys为436.2K。

式（2）中,G为天线增益。 64 阵元接收天线阵列增益在频点18.5GHz、19.2GHz 和20.0GHz 处分别为19.3dB、20.6dB 和18.8dB, 经计算对应的G/T值分别为 - 7.1dB/K、- 5.8dB/K 和-7.6dB/K。

1.3 叠层设计

相控阵为瓦式层叠架构, 采用多层PCB 混压工艺实现。 天线印刷在多层PCB 的Top 层, 多功能射频接收芯片经工艺封装后表贴在多层PCB 的Bottom 层, 合成网络、控制和馈电网络在多层PCB内部通过基板走线实现, 天线与射频芯片、射频芯片与合成网络、电源、控制网络均通过金属化过孔实现电连接。 具体叠层结构如图3 所示, 天线整体厚度为3.3mm, 与传统砖式相控阵架构相比,本文采用瓦式层间垂直互联的叠层架构, 降低了天线整体剖面高度, 减少了射频连接器数量, 具有低成本、低剖面、小质量等优点。

图3 多层PCB 叠层架构Fig.3 Diagram of multi-layer PCB stacking architecture

2 相控阵单元天线与阵列设计

为实现圆极化可切换功能, 相控阵天线单元设计为双线极化天线单元, 天线单元输出水平极化（H 端口）和垂直极化（V 端口）两个馈电端口。 对比了文献结果, 采用叠层十字缝隙耦合天线, 同时以2 ×2 阵列为主体, 如图4 所示, 进行旋转排布以实现二次圆极化设计, 进一步提高相控阵天线圆极化轴比性能。 若天线两个端口到射频芯片通道的电长度相等, 则二次圆极化旋转馈电相位示意如图5 所示。 若电长度不相同, 则需要进行相应的相位补偿。 采用二次圆极化与非二次圆极化对轴比的改善仿真结果对比如图6 所示。

图4 2 ×2 阵列整体结构Fig.4 Overall structure of 2 ×2 array

图5 2 ×2 阵列二次圆极化馈电相位示意Fig.5 Schematic diagram of secondary circular polarization feeding phase for 2 ×2 array

图6 二次圆极化对轴比的改善（2 ×2 阵列）Fig.6 Improvement of axial ratio by secondary circular polarization（2 ×2 array）

以2×2 阵列为模块扩展为8 ×8 阵列, 利用电磁仿真软件进行全波仿真, 其归一化方向图如图7、图8 所示, 相控阵天线可实现±60°扫描以及圆极化切换。 由于采用“双线极化天线+移相控制” 实现双圆极化功能切换, 左旋与右旋分时共用同一天线,因而左旋和右旋天线性能具有良好的一致性。

图8 右旋圆极化归一化方向图@19.2GHzFig.8 Normalized pattern of right-handed circular polarization@19.2GHz

3 相控阵测试与分析

64 阵元接收相控阵天线样机如图9 所示, 整体尺寸为66mm ×160mm ×10mm, 集成了16 个多功能射频接收芯片（共128 路衰减移相器）以及供电芯片、FPGA、Flash 等, 整板对外输出1 个接收射频信号的射频连接器以及1 个供电及控制数据下发的低频连接器。

图9 64 阵元接收相控阵天线样机Fig.9 Diagram of 64 element receiving phased array antenna prototype

在微波暗室对64 阵元接收相控阵天线进行平面近场扫描测试, 由于左旋与右旋具有较好的一致性, 本文仅展示左旋方向图测试结果。 天线测试方向图与轴比如图10、图11 和图12 所示, 其法向轴比小于2dB, 扫描轴比小于4.5dB。

图10 平面近场扫描测试三维方向图-左旋@19.2GHzFig.10 3D pattern of plane near-field scanning test-left rotation@19.2GHz

图11 左旋圆极化测试归一化方向图@19.2GHzFig.11 Normalized pattern of left-handed circular polarization test@19.2GHz

图12 左旋圆极化测试轴比@19.2GHzFig.12 Diagram of left-handed circular polarization test axis ratio@19.2GHz

在微波暗室对64 阵元接收相控阵天线进行远场法向G/T 值测试, 测试公式如下

式（3） 中,P为到达待测天线口径面电平,C为测试信号电平,N0为噪声功率谱密度,k为玻尔兹曼常量。 G/T 值测试结果如表1 所示。

表1 64 阵元接收相控阵天线G/T 值测试结果Table 1 Test results of G/T values for 64 element receiving phased array antenna

表1 所示为暗室实测G/T 值, 将其修正为对天G/T 值后, 天线在18.5GHz、19.2GHz 和20.0GHz 处对应的G/T 值分别为- 8.30dB/K、-7.00dB/K 和-8.80dB/K。 与理论值相比, 误差分别为0.89dB/K、0.82dB/K 和1.12dB/K。 考虑到多层PCB 加工误差、高低频电磁干扰、芯片焊接误差、测试误差等, 1dB/K 误差满足设计使用要求。

4 结论

针对卫星互联网对终端天线跨星波束切换、低成本、低剖面需求, 本文提出了一种K 频段圆极化可切换卫星通信接收相控阵天线整体瓦式层叠相控阵架构, 设计了双馈口的叠层十字缝隙耦合天线, 采用“双线极化天线+旋转馈电+移相控制” 模式, 基于多层PCB 混压工艺技术, 将天线层、电源层、控制层、功合网络层和芯片层等实现一体化集成, 研制出64 阵元的相控阵接收天线。 测试结果表明: 该相控阵天线工作频段为18.5GHz～20.0GHz, 可实现±60°扫描, 左右旋圆极化可切换, G/T 值可达- 7.82dB/K, 厚度为3.3mm。 相比传统砖式相控阵天线, 该相控阵天线可大幅减小剖面和质量, 扩展性好, 对相控阵天线通用化、卫通终端应用具有重要意义。