陳曠達，孫 竹，張繼浩

（上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109）

箭載寬角掃描圓極化共形相控陣天線

陳曠達，孫 竹，張繼浩

（上海航天電子通訊設備研究所，上海 201109）

箭載中繼用戶終端對發(fā)射天線指向的掃描速率、波束覆蓋范圍均提出了很高的要求。相控陣天線的快速無慣性掃描能力適合上述應用要求。介紹了一副箭載寬角掃描圓極化相控陣天線的設計方法，設計并加工了一副天線樣陣，設計中采用了圓極化微帶單元、共形陣列結(jié)構(gòu)和順序旋轉(zhuǎn)排列饋電。測試結(jié)果表明：天線可以實現(xiàn)方位±60°、俯仰±45°內(nèi)的二維電掃描。在上述覆蓋空域內(nèi)，天線增益的變化為13．2～17．2 dBi，主波束軸比小于5．8 dB，半功率波束寬度為20°～40°。天線的各項指標滿足中繼發(fā)射天線的要求。

寬角掃描；共形相控陣天線；圓極化陣列天線

0 引言

隨著中繼衛(wèi)星的部署，基于中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的天基測控技術(shù)將在航天器的飛行測控中發(fā)揮愈加重要的作用。中繼用戶終端安裝在運載火箭上，將火箭的各種數(shù)據(jù)通過發(fā)射天線傳向中繼衛(wèi)星［1，2］。

由于火箭的飛行速度很快，且飛行過程中的位置坐標、偏航角和滾動角參數(shù)的變化范圍較大，因此對發(fā)射天線指向的掃描速率、波束覆蓋范圍提出了相當高的要求。理論研究表明：天線波束應有效覆蓋方位±60°、俯仰±40°［3，4］、天線波束寬度大于20°，才能確?；鸺w行過程中覆蓋中繼衛(wèi)星。相控陣天線具備快速無慣性掃描能力，適合上述應用要求。文獻［5，6］介紹了一副箭載共形相控陣天線的陣列和波控系統(tǒng)設計，仿真和測試結(jié)果顯示：天線在方位面的掃描范圍為±60°。

為了實現(xiàn)二維寬角掃描覆蓋，本文介紹了一副寬角掃描共形圓極化相控陣天線的設計方法。針對箭載中繼發(fā)射天線對共形安裝、寬角掃描覆蓋以及主波束內(nèi)的軸比指標要求，對陣列結(jié)構(gòu)設計、陣列單元方向圖設計及饋電方式進行了研究。

1 箭載相控陣天線的設計

在火箭全部或部分飛行段，中繼發(fā)射天線的主波束必須覆蓋中繼衛(wèi)星。因此，天線必須實現(xiàn)寬角掃描覆蓋。根據(jù)文獻研究，波束應能掃描覆蓋方位±60°、俯仰±45°的空域［3］?？紤]到天線安裝精度、火箭姿態(tài)角偏差和波束指向偏差造成的影響，天線半功率波束應大于10°［4］。同時，必須保證主波束內(nèi)的圓極化純度，減小因極化失配造成的鏈路損耗。

1.1 天線陣列設計

因空氣動力學原因，箭載陣列天線應具備低剖面并且和火箭艙體共形。因此，天線陣面設計成一個正多邊體，其外接圓半徑與火箭半徑相同。陣列結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。與平面相控陣相比，曲面相控陣的掃描范圍有所增加［7］。

圖1 共形柱面陣列結(jié)構(gòu)示意

根據(jù)天線陣列理論，一個分布在任意曲面上的N元陣列的陣因子可表示為：

式中，pi（θ，φ）為第i個陣列單元的方向圖；ψi為第i個陣列單元的激勵相位。

如圖1所示，第n行m列的單元坐標為：

式中，R為柱面內(nèi)接圓半徑；ds為單元弧間距；dz為單元行間距。

對于一個陣面尺寸為L1×L2的天線陣列，其增益可表示為：

式中，α為方位掃描角；β為俯仰掃描角。設天線的尺寸為L1＝2．8λ0，L2＝1．8λ0，η＝0．9。波束掃描角為α＝60°、β＝45°時，天線增益約為13 dBi。

1.2 天線單元設計

微帶天線剖面低、重量輕、易于產(chǎn)生圓極化，是共形天線的常用單元形式。微帶天線實現(xiàn)圓極化的常見方法有單饋點和雙饋點2種。單饋點設計在微帶貼片上引入微擾，通過調(diào)整微擾的尺寸，可以產(chǎn)生2個幅度相等、相位相差90°的正交場分量，在較窄的頻帶上產(chǎn)生圓極化波。單饋點圓極化貼片的帶寬為1%～3%，足以滿足中繼終端對天線帶寬的要求［8］。

設計的微帶貼片單元（1組4個單元）如圖2所示。圓周上蝕刻出2個對稱的矩形槽作為微擾元。貼片圓周上還刻有2條隙縫，用于抵消輸入阻抗在諧振頻率附近的感抗，改善天線駐波比。

圖2 圓極化微帶貼片示意

陣列單元的波束寬度對寬角掃描時增益和旁瓣電平有一定影響［7］。陣列口徑較小時，影響更加顯著。假設單元方向圖按照cos（αθ）變化（參數(shù)a由3 dB波束寬度確定），通過式（1）對一個6行×4列的天線掃描方向圖進行計算。方位掃描角為＋60°時，使用不同波束寬度的單元方向圖計算得到的陣列方向圖如圖3所示，陣列列間距為0．47λ0，行間距為0．45λ0。

圖3 方位面掃描方向圖（計算）

從計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)：寬角掃描時，如果單元波束較窄，方向圖的旁瓣電平會抬高，由此減小主瓣的輻射功率，＋60°覆蓋角上的方向系數(shù)會減小。因此，為了滿足寬角掃描要求，單元的波束寬度應與掃描角大小接近。

微帶貼片的3 dB波束寬度通常為80°～90°，接地板的尺寸對其方向圖會產(chǎn)生很大的影響。對于箭載天線，火箭艙段作為延伸的接地板，可以顯著展寬單元波束。6行×4列陣列中心單元的實測歸一化方向圖如圖4所示。測試時，陣列安裝在模擬艙段上，艙段尺寸為9λ0×5λ0。2個主切面的波束寬度為120°×97°，與方位、俯仰面的掃描范圍接近，可以作為寬角掃描相控陣天線的單元。

圖4 陣列中心單元歸一化方向圖

1.3 陣列單元的排列和饋電

單饋點圓極化貼片在±30°的波束內(nèi)軸比小于3 dB［8，9］，而當掃描角大于30°時，軸比會變差。單元間互耦也會嚴重惡化單元軸比。為了改善主瓣內(nèi)的軸比，可以將4個單元作為一組，采用順序旋轉(zhuǎn)法進行饋電［10］。如圖2所示，同一組的單元逐個按順時針旋轉(zhuǎn)90°，并在賦相時在原相位上逐個增加90°，形成右旋圓極化波。采用順序旋轉(zhuǎn)法饋電，可以有效地改善波束掃描時主瓣內(nèi)的軸比。波束掃描覆蓋＋60°時，使用順序旋轉(zhuǎn)法前后主瓣內(nèi)軸比的仿真曲線如圖5所示。

圖5 方位掃描覆蓋＋60°時主瓣內(nèi)的仿真軸比

采用順序旋轉(zhuǎn)法后，3 dB波束內(nèi)的軸比小于3 dB，且優(yōu)于不使用順序旋轉(zhuǎn)法時的軸比。

2 箭載共形相控陣天線的仿真設計

按圖1所示的陣列結(jié)構(gòu)，設計了一個6行×4列的柱面陣列，ds＝0．47λ0，dz＝0．45λ0。

使用HFSS13．0建立天線陣列模型進行仿真設計。模型中包含9λ0×5λ0的模擬艙段。天線在方位、俯仰向一維掃描時仿真和實測的歸一化方向圖如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，天線波束掃描覆蓋＋60°時，＋60°處的增益下降4 dB。波束掃描時，半功率波束內(nèi)仿真的軸比如表1所示。天線在方位向掃描覆蓋＋60°時，半功率波束內(nèi)的軸比小于3 dB；天線在俯仰向掃描覆蓋＋45°時，半功率波束內(nèi)的軸比小于3．8 dB。

圖6 方位面掃描方向圖

圖7 俯仰面掃描方向圖

表1 半功率波束內(nèi)的軸比

3 箭載共形相控陣天線的測試

為了驗證設計方案，研制了一部天線樣機，包含天線陣面、饋電網(wǎng)絡、電源、波控器和T組件。天線陣列本體尺寸為3．3λ0×2．1λ0。每個T組件的輸出功率為1 W。天線方向圖使用NSI公司的近場測試系統(tǒng)進行測量。測試時，天線安裝在模擬艙段上。從圖6和圖7可以看出，實測和仿真方向圖吻合得很好，證明仿真設計的準確性。測試結(jié)果表明，波束方位掃描覆蓋±60°時，半功率波束內(nèi)的軸比不超過3 dB；波束俯仰掃描覆蓋±45°時，半功率波束內(nèi)的軸比不超過5 dB。實測軸比和仿真軸比存在差別，主要是天線單元的激勵幅相和理論值有差別，形成的電磁波的圓極化純度受到影響。

測試時，對天線在方位±60°、俯仰±45°內(nèi)二維掃描的方向圖做了較完整的測試，并對天線增益進行了標定。測試結(jié)果表明，天線波束在上述空域內(nèi)掃描時，增益變化范圍為13．2～17．2 dBi；半功率波束范圍內(nèi)的軸比最大值為5．8 dB；半功率波束寬度為20°～40°。天線指標可滿足中繼發(fā)射天線的要求。

4 結(jié)束語

介紹了一副寬角掃描共形圓極化相控陣天線的設計方法，研究了單元波束寬度對寬角掃描增益的影響，以及采用順序旋轉(zhuǎn)法饋電對寬角掃描時軸比的改善情況。通過樣機的測試，驗證了設計方法的正確性。上述方法設計方法可以推廣應用于更大尺寸的寬角掃描共形相控陣天線。例如，采用順序旋轉(zhuǎn)法饋電時，可以使用更多的單元作為一組，獲得更好的軸比指標。

［1］張 強，裴 胤，王小輝，等．基于中繼衛(wèi)星的運載火箭天基測控系統(tǒng)研究［J］．遙測遙控，2014，35（1）：18－22．

［2］李艷華，盧滿宏．天基測控系統(tǒng)應用發(fā)展趨勢探討［J］．飛行器測控學報，2012，31（4）：1－5．

［3］張勁松，劉 靖，高祥武．基于中繼衛(wèi)星的運載火箭遙測傳輸技術(shù)［J］．導彈與航天運載技術(shù)，2009（6）：11－15．

［4］劉 靖，宋岳鵬．運載火箭天基測控天線覆蓋性能分析［J］，遙測遙控，2012，33（5）：51－55．

［5］康德地，吳 斌，王紹山．箭載共形相控陣天線波控系統(tǒng)設計分析［J］．無線電工程，2010，40（7）：32－39．

［6］康德地，吳 斌．箭載共形相控陣天線設計仿真與測試［J］．飛行器測控學報，2010，29（2）：1－6．

［7］HUANG M D，M．HERBEN H A J．Effects of Bending a Planar Antenna on Its Scanning Performance［C］∥2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Anten-nas and Propagation，Publication Year，2010：1－5．

［8］MAK Ka Ming，LUK Kwai Man．A Circularly-Polarized Antenna with Wide Axial Ratio Beamwidth［J］．Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2010，57（10）：3 309－3 312．

［9］劉 洋，王 昕，董 濤．一種新型Ka頻段圓極化微帶天線設計［J］．無線電工程，2012，42（5）：40－41．

［10］HALL P S．Design Principles of Sequentially Fed，Wide Bandwidth，CircularlyPolarizedMicrostripAntennas［C］∥Microwaves，Antennas and Propagation，IEE Pro-ceedings H，1989，136（5）：381－389．

A Design of Rocket-Borne Conformal Circularly-polarized Phased Array with Wide Scan Range

CHEN Kuang-da，SUN Zhu，ZHANG Ji-hao
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

The rocket-borne relay terminal has high requirements on transmitting antenna in terms of scanning speed and beam coverage．Phased array is a suitable alternative for that application due to its rapid and inertia-free beam steering ability．The paper intro-duces a design of rocket-borne circularly-polarized phased array with wide scan range．In the design of the array，circularly-polarized microstrip patch is selected as the radiating element and a conformal structure is used．The sequential rotation feeding is also implemen-ted．A prototype phased array is designed and fabricated following the procedure proposed．The test results show the antenna is able to cover±60°in azimuth and±45°in elevation．The antenna gain varies from 13．2 dBi to 17．2 dBi in the above scan range．The axial ratio in the main beam is better than 5．8 dB and HPBW is 20°to 40°。The specifications of the prototype satisfy the requirements on the transmitting antenna of relay terminal．

wide-angle scan range；conformal phased array；circularly polarized array

TN015

A

1003－3106（2015）07－0071－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．19

陳曠達，孫 竹，張繼浩．箭載寬角掃描圓極化共形相控陣天線［J］．無線電工程，2015，45（7）：71－74．

陳曠達男，（1983—），碩士研究生，工程師。主要研究方向：天饋線設計。

2015-04-07

孫 竹男，（1982—），博士研究生，工程師。主要研究方向：天饋線設計。