季帥，張慧鋒

（中國電子科技集團公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

衛(wèi)通系統(tǒng)主要實現(xiàn)移動載體與同步衛(wèi)星的動中通通信過程，具有覆蓋范圍廣泛、鏈路穩(wěn)定、不受地形限制等有優(yōu)點，其核心在于衛(wèi)通天線的設計。傳統(tǒng)衛(wèi)通天線主要基于拋物反射面天線，但隨著現(xiàn)代信息化的發(fā)展，對衛(wèi)通系統(tǒng)的靈活機動要求愈發(fā)迫切，傳統(tǒng)的拋物反射面天線無法實現(xiàn)無人機、微小衛(wèi)星等輕小型飛行器的特殊平臺應用需求。為實現(xiàn)新一代衛(wèi)通天線的應用需求，亟需實現(xiàn)小型化、通用化、低剖面的輕型衛(wèi)通天線系統(tǒng)設計[1-3]。

近年來，大力發(fā)展的相控陣電掃描天線陣列為新一代衛(wèi)通天線的發(fā)展指引了方向，但其自身的不足嚴重的制約了衛(wèi)通相控陣天線的發(fā)展，主要缺陷在于：

（1）相控陣天線昂貴的成本使得其在衛(wèi)通天線的應用方向受限；

（2）傳統(tǒng)的平面相控陣天線無法實現(xiàn)衛(wèi)通應用下的全空域掃描范圍，亟須研發(fā)出相關的技術手段解決此類問題[4-7]。此外，目前多功能、多任務雷達系統(tǒng)，包含了偵、干、探、通乃至導航等多個功能領域的應用，相控陣未來的發(fā)展將擴展至軍品、民用、航天等市場的方方面面，低成本相控陣將成為未來科技發(fā)展的重點。

1 衛(wèi)通天線發(fā)展趨勢

新一代衛(wèi)通天線的應用需求，亟需實現(xiàn)小型化、通用化、低剖面的輕型衛(wèi)通天線系統(tǒng)設計，衛(wèi)通天線發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：

（1）衛(wèi)通天線頻段要求更寬：隨著信號傳輸距離和通信數(shù)據(jù)率的增加，傳統(tǒng)的天線帶寬已不能滿足系統(tǒng)需要，系統(tǒng)設計要求衛(wèi)通天線具有更寬的頻帶范圍[8]；

（2）Ka/Ku雙頻雙極化天線：伴隨著Ka頻段同步衛(wèi)星的發(fā)射，衛(wèi)通的頻段需要覆蓋傳統(tǒng)的 Ku波段和新開發(fā)的Ka波段，主要的研究內(nèi)容包括：Ka/Ku雙頻雙極化天線、饋電網(wǎng)絡、微波器件等方面。

（3）相控陣衛(wèi)通天線：相控陣電掃描天線陣列為新一代衛(wèi)通天線的發(fā)展指引了方向，使小型化、通用化、低剖面的高性能相控陣衛(wèi)通天線成為可能，但但其自身的不足嚴重的制約了衛(wèi)通相控陣天線的發(fā)展，亟需突破以下關鍵技術：

天線共形技術：為展寬天線的掃描角度，實現(xiàn)天線與載體平臺的完美共形；

移相器技術：利用MEMS、光電、壓控電介質(zhì)等新興技術實現(xiàn)高性能電掃描相控陣衛(wèi)通天線的設計；

稀布陣技術：利用一定的規(guī)律，在陣列天線孔徑中去掉部分單元，實現(xiàn)陣列天線的稀疏柵格排布，稀布陣相對于滿陣具有低成本、擴大天線虛擬孔徑的優(yōu)點；

數(shù)字化陣列：全數(shù)字陣列可以對波束、波形等天線參數(shù)實現(xiàn)靈活控制，簡化衛(wèi)通相控陣天線的模擬電路設計，實現(xiàn)衛(wèi)通天線的小型化和高性能[15]。

2 基于四面陣的相控陣衛(wèi)通天線方案

為實現(xiàn)小型化、通用化、低剖面的輕型衛(wèi)通天線設計，本文擬采用基于四面陣的天線陣列稀疏柵格排布方式，以實現(xiàn)低成本全空域覆蓋的高性能衛(wèi)通天線，該衛(wèi)通天線工作于Ku頻段，通過切換四個面的稀疏柵格排布的天線陣列，實現(xiàn)分時 360°的全空域覆蓋。該天線為降低相控陣的成本，利用不同方位陣面的波束覆蓋不同的空域，在工作時，采用開關切換的工作方式，選擇不同的陣面工作。此工作方式可保證在低成本的前提下實現(xiàn)相控陣的全空域覆蓋。

本天線陣列具體組成包括：四組N個有源天線子陣（對應于衛(wèi)通天線的四個面），公共路的開關組、發(fā)射組件、收發(fā)公共通道、變頻組件、數(shù)字組件、信號處理組件、頻率合成模塊和電源組件。其中，有源天線子陣主要實現(xiàn)了通信上行信號的放大輻射和下行信號的低噪聲放大接收；開關組主要實現(xiàn)四個面的工作切換；發(fā)射組件主要實現(xiàn)通信上行信號的放大；收發(fā)公共通道主要實現(xiàn)上/下行射頻信號的放大；變頻組件主要實現(xiàn)上行基帶信號的上變頻和下行通信信號的下變頻；數(shù)字組件中主要用于實現(xiàn)上行基帶信號的產(chǎn)生和下行中頻信號的AD采樣，AD采樣實現(xiàn)中頻的信號特征提取，提取的信號特征經(jīng)預處理后傳輸至信號處理單元進一步處理；頻率合成模塊主要用于產(chǎn)生變頻組件所需的本振信號、數(shù)字組件的參考信號和定時信號；信號處理組件主要實現(xiàn)對上行通信信號的編碼和下行通信信號的解析，有源天線子陣的移相衰減及各開關的控制信息、開關組的狀態(tài)信息、頻率合成模塊的頻率控制信息等均由信號處理單元提供。

有源天線子陣包含：天線單元和功分饋電網(wǎng)路組成的陣列天線、開關、低噪放、多功能芯片，如圖1所示，所有的有源器件：開關、低噪放和多功能芯片直接與陣列天線的印制板集成設計為有源天線子陣，利用有源天線子陣替代了傳統(tǒng)的天線加TR組件的組合方式，該方式有效降低了系統(tǒng)成本、安裝復雜度、結構尺寸及重量，所應用的多功能芯片包含雙向放大、數(shù)控移相、數(shù)控衰減功能，其中，數(shù)控移相可完成 180°、90°、45°、22.5°、11.25°、6.125°的移相過程，移相精度須保證在±5°內(nèi)；數(shù)控衰減由6位數(shù)字信號控制，可完成0.5～31.5dB的衰減；放大增益及輸出P-1需滿足子陣系統(tǒng)的鏈路接收增益及發(fā)射功率需要。

圖1 低成本有源天線子陣示意圖

基于四面陣的低成本相控陣天線處于發(fā)射狀態(tài)時，首先由數(shù)字組件產(chǎn)生N路中頻信號（信號波形包含：連續(xù)波、線性調(diào)頻、編碼信號），經(jīng)變頻組件的N路變頻通道的上變頻作用產(chǎn)生高頻發(fā)射信號，發(fā)射信號經(jīng)發(fā)射組件放大、收發(fā)公共通道的放大后，由N個單刀四擲開關組成的開關組，傳輸至有源天線子陣經(jīng)多功能芯片的放大、移相衰減作用后，輻射至空間中，N個單刀四擲開關對應4組分別由N個有源天線子陣組成的天線輻射陣面。

基于四面陣的低成本相控陣天線處于接收狀態(tài)時，回波信號輻射至各有源天線子陣的各天線單元后，經(jīng)有源天線子陣的功分器合成后，由開關傳輸至有源天線子陣的接收通道，經(jīng)低噪放放大作用后，經(jīng)多功能芯片的放大、移相衰減作用，傳輸至有源天線子陣的輸出端口。N個有源天線子陣的輸出信號傳輸至開關組，經(jīng)開關組的選通作用后，傳輸至收發(fā)公共通道實現(xiàn)放大，N路完成移相衰減的回波信號經(jīng)變頻通道實現(xiàn)下變頻，變?yōu)镹路中頻信號，傳輸至數(shù)字組件，實現(xiàn)中頻采樣和預處理，系統(tǒng)工作過程如圖2所示。

圖2 基于四面陣的衛(wèi)通相控陣天線原理示意圖

圖3 有源天線陣面載體平臺安裝示意圖

在棱臺的四周梯形面實現(xiàn)有源天線子陣的陣列布置，有源子陣通過4*N只射頻短電纜與開關組實現(xiàn)互通，開關組、發(fā)射組件、收發(fā)通道、變頻組件、數(shù)字組件、電源組件實現(xiàn)層疊式的集成化設計，之間的信號互聯(lián)利用射頻接頭、多芯接頭的垂直互聯(lián)實現(xiàn)信號互通，如圖3所示。該方式的優(yōu)勢在于，可實現(xiàn)傳感器的前端（有源天線子陣）與載體平臺的完美共形，不受空間限制。

所述的變頻組件為發(fā)射、接收公用的變頻通道，其本振信號由頻率合成模塊提供；所述的數(shù)字組件功能包含：AD采樣實現(xiàn)中頻的信號特征提取，提取的信號特征經(jīng)預處理后傳輸至信號處理單元進一步處理；FPGA+DA的任意波形產(chǎn)生，其控制信息由信號處理單元產(chǎn)生；有源天線子陣的移相衰減及各開關的控制信息、開關組的狀態(tài)信息、頻率合成模塊的頻率控制信息均由信號處理單元提供。

基于四面陣的低成本相控陣天線為降低相控陣的成本，利用不同方位陣面的波束覆蓋不同的空域，在工作時，采用開關切換的工作方式，選擇不同的陣面工作；所述的有源天線子陣包含：天線單元和功分饋電網(wǎng)路組成的陣列天線、開關、低噪放、多功能芯片，有源器件：開關、低噪放和多功能芯片直接與陣列天線的印制板集成設計為有源天線子陣，利用有源天線子陣替代了傳統(tǒng)的天線加 TR組件的組合方式，該方式有效降低了系統(tǒng)成本、安裝復雜度、結構尺寸及重量。

該相控陣天線具有天線增益高、波束切換快等優(yōu)點，無需伺服系統(tǒng)和穩(wěn)定平臺。該陣列天線在極化控制、副瓣和交叉極化抑制方面具有優(yōu)越性。利用基于天線單元輻射功率排序方法的功率分級方法，針對由開關矩陣選擇天線單元組成的陣列天線，可以解決其輻射功率控制的問題。

3 Ku波段天線設計

子陣天線主要考慮采用Ku波段寬帶天線陣列覆蓋Ku波段11.7～12.2GHz、14～14.5GHz，以滿足載體平臺系統(tǒng)與Ku波段衛(wèi)星的通信。

采用漸變結構實現(xiàn)對微帶天線帶寬的拓展，實現(xiàn)Ku波段同軸饋電矩形貼片天線如圖5所示，其主要尺寸如表1所示（單位為mm）。該天線反射參數(shù)如圖6所示，其工作頻帶為12～17GHz，相對帶寬超過30%；天線在帶內(nèi)增益均大于6dB，如圖7所示；圖8給出了本天線單元在12～17GHz的輻射方向圖。

為避免波束在空間內(nèi)出現(xiàn)柵瓣，單元間距主要受限于最高工作頻率的最大掃描角度，需滿足：

圖4 Ku波段超寬帶天線結構示意圖

表1 Ku波段超寬帶天線尺寸

圖5 Ku波段超寬帶天線反射參數(shù)仿真圖

考慮到雷達陣面空域掃描的要求，并兼顧單個天線單元所占的面積最小，確定單元間距為10.5×10.5mm，按此參數(shù)設計，可得到陣面在不同頻點的波束掃描范圍（方位、俯仰一致）：

圖6 Ku波段超寬帶天線帶內(nèi)方向圖仿真圖

圖7 Ku波段超寬帶陣列天線示意圖

故 4*4的 16元陣如圖 9所示，尺寸僅為42*42mm，天線輻射方向圖如圖 11所示，可見天線在12～17GHz范圍內(nèi)增益均優(yōu)于15dB，如圖10所示；該陣列天線在各頻點主副比如表2所示。

表2 Ku波段超寬帶陣列天線增益及主副比

圖8 Ku波段超寬帶天線帶內(nèi)方向圖仿真圖