楊 帥，楊 琳，夏龍安，劉任宸，蔣應(yīng)富

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海201109）

0 引言

星載數(shù)據(jù)傳輸天線在衛(wèi)星有效載荷系統(tǒng)中占有非常重要的地位，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是使用星載數(shù)據(jù)傳輸天線對地面站或其它衛(wèi)星進(jìn)行波束指向和無線輻射，確保數(shù)據(jù)的星地及星間可靠傳輸。遙感衛(wèi)星領(lǐng)域的迅速發(fā)展，對星載數(shù)傳天線提出了高增益、高頻率、寬頻段的使用需求。

在目前的星載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，應(yīng)用較多的是拋物面天線和傳統(tǒng)的微帶貼片陣列天線。拋物面天線由反射面和空饋系統(tǒng)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單，可以工作在很寬的頻段內(nèi)，但是其機(jī)身笨重、體積大，工作在毫米波波段對曲面加工精度要求高，且無法與衛(wèi)星星體進(jìn)行共形設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的微帶貼片陣列天線加工簡單、體積小，但是需要復(fù)雜的功分饋電網(wǎng)絡(luò)，在毫米波波段帶來極大的功率損耗。平面反射陣列天線則綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，采用空間饋電的方式對陣列進(jìn)行饋電，保證了天線較高的工作效率，具有質(zhì)量輕、饋電簡單、易于和衛(wèi)星共形設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在星載領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

平面反射陣列天線設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)是如何補(bǔ)償由于饋源到各個貼片的路徑不同所造成的相位差，從而實(shí)現(xiàn)反射面等相位分布。因此，國內(nèi)外學(xué)者針對相位補(bǔ)償方法和貼片單元形式開展了較多研究，提出了加載傳輸線單元[5]、可變尺寸單元[6]、旋轉(zhuǎn)單元[7]等不同方法。但是，加載傳輸線單元由于開路相移線的存在，單元所占面積較大，陣列上可放置單元數(shù)量較少，天線輻射效率低下；可變尺寸單元在單元數(shù)較多、尺寸變化劇烈時，仿真結(jié)果與實(shí)際情況偏離較大，導(dǎo)致陣列輻射效率降低；傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)單元尺寸相同且都工作在諧振頻率，具有較好的增益帶寬性能，但是單元尺寸易重疊，會造成實(shí)際單元間距較大，降低天線效率。

本文為適應(yīng)星載數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅岢隽艘环NKa頻段平面反射陣列天線設(shè)計(jì)方案，采用新穎的方環(huán)形切角貼片單元和空間饋電反射陣列天線設(shè)計(jì)，減小了單元尺寸，提高了口面單元數(shù)，具有高增益、高可靠性、低成本、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。本文完成了該天線的方案設(shè)計(jì)及各模塊實(shí)現(xiàn)，并給出了天線的實(shí)測結(jié)果。通過該方法可以進(jìn)行大口徑平面反射陣列天線設(shè)計(jì)，滿足高速星載數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)對天線高增益、高效率以及輕質(zhì)量的需求。

1 天線設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)星載數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾省掝l段的需求，天線工作帶寬要求大于400 MHz，天線法向增益要求優(yōu)于23.5 dBi。同時，星體布局空間有限，這對天線提出了質(zhì)量輕、尺寸小的要求。因此，本文的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何在天線口面受限的情況下，進(jìn)行貼片單元小型化設(shè)計(jì)，從而在有限陣面中布置盡可能多的單元，實(shí)現(xiàn)天線的高增益性能。為了解決此問題，本文提出了新穎的方環(huán)形切角貼片單元設(shè)計(jì)。微帶貼片單元通過中心旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行相位補(bǔ)償，減小天線單元尺寸，縮小單元間距，避免單元間重疊。同時，合理設(shè)計(jì)每個單元的旋轉(zhuǎn)方向以補(bǔ)償從饋源到貼片的相位延遲，實(shí)現(xiàn)了良好的相移特性和較好的相位補(bǔ)償效率，從而提高了天線輻射效率。通過該設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了天線法向增益大于23.5 d Bi、半功率波束寬度大于6.5°、帶內(nèi)軸比優(yōu)于3 dB等性能指標(biāo)。

天線由平面反射陣單元、圓極化螺旋饋源和天線機(jī)構(gòu)框架組成，采用平面結(jié)構(gòu)代替了拋物面復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)，采用空間饋電方式避免了設(shè)計(jì)較為復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，通過控制平面上各個微帶單元的尺寸或者旋轉(zhuǎn)不同角度實(shí)現(xiàn)不同的相移量，以達(dá)到補(bǔ)償饋源照射到陣面的空間路徑造成的相位延時，達(dá)到同相輻射的遠(yuǎn)場高增益特性。饋源用于發(fā)射電磁波，反射陣面包含若干微帶貼片單元，用于將饋源發(fā)出的電磁波散射成平面波，或者接收平面波匯聚至饋源上，天線結(jié)構(gòu)框架用于連接饋源和反射陣面，如圖1所示。

圖1 微帶平面反射陣列原理

1.2 饋源設(shè)計(jì)

選取合適的饋源對反射陣列天線的設(shè)計(jì)尤為重要，尤其是圓極化饋源的軸比帶寬會直接影響反射陣的軸比帶寬。在設(shè)計(jì)時需要滿足以下要求：一是盡量減小饋源口徑面大小，避免遮擋；二是選擇合適的焦徑比以完成對陣列的能量輸入，獲得較好的增益方向圖特性；三是饋源的工作帶寬要足夠?qū)挘ＷC反射陣天線的工作帶寬不受影響；四是具有較好的交叉極化特性及大功率容量，減小交叉極化分量對主極化波的影響從而提升陣列性能。

因此，采用了圓極化螺旋饋源形式作為反射陣列天線饋源，其輻射模式符合式（1）-（4）：

式中，L0=12.88 mm為一圈的平均周長，D=4 mm為螺旋直徑，S=2.85 mm為螺距，α=12.77°為螺距角，N=10為圈數(shù)，L=28.5 mm為天線軸長。

根據(jù)陣列天線照射效率、溢出效率關(guān)系，選取饋源邊緣照射電平為-10 d B，焦徑比為0.85，對應(yīng)的饋源天線計(jì)算的增益約為15.0 dB左右。仿真模型圖如圖2所示。

圖2 饋源仿真模型圖

采用Ansoft HFSS軟件進(jìn)行仿真，得到饋源的電性能如圖3、圖4所示。由仿真圖可以看出，饋源極化方式為右旋圓極化，最大增益為14.4 d B，10 d B波束寬度為64°，符合反射陣列天線對饋源電性能的要求。

1.3 微帶貼片單元設(shè)計(jì)

具有較好相移特性的單元設(shè)計(jì)是平面反射陣設(shè)計(jì)的核心所在，一般而言，為了獲得較好的相位補(bǔ)償效率，360°的相位調(diào)控是基本條件。本文提出的微帶貼片單元采用方環(huán)形切角貼片形式，通過中心旋轉(zhuǎn)方式進(jìn)行相位補(bǔ)償，通過合理設(shè)計(jì)每個單元的旋轉(zhuǎn)方向以補(bǔ)償從饋源到貼片的相位延遲。天線陣列單元仿真模型如圖5所示。

圖3 饋源輻射方向圖

圖4 饋源±30°范圍內(nèi)的軸比曲線

圖5 天線陣列單元仿真模型圖

為得到所需的圓極化性能，切角大小a設(shè)計(jì)為1.14 mm。貼片單元尺寸W選取通過經(jīng)驗(yàn)公式（5）確定，然后再進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)為3.9 mm。

式中，c為光速，f為工作頻率，εr為基板相對介電常數(shù)。

在反射陣單元設(shè)計(jì)時，采用基于有限元的HFSS軟件對單元進(jìn)行特性分析研究。通過主從邊界設(shè)置，并采用Floquet端口激勵方法模擬單元在無限大周期排布下的電磁特性。天線單元采用矩形切角貼片形式，通過內(nèi)部切槽增加天線電容，降低Q值以增加工作帶寬。通過微帶單元方向旋轉(zhuǎn)與結(jié)構(gòu)微擾實(shí)現(xiàn)反射相位的變化。當(dāng)單元以Φ°旋轉(zhuǎn)時，所能實(shí)現(xiàn)的反射相位為2Φ°，故單元僅需實(shí)現(xiàn)180°的旋轉(zhuǎn)角度就能達(dá)到360°的移相調(diào)控。這種結(jié)構(gòu)一定程度上減少了相鄰單元的互耦，有效地增加了帶寬，降低了交叉極化。通過對饋電線寬度進(jìn)行調(diào)整，得到較好的天線阻抗，優(yōu)化后饋電線寬度設(shè)計(jì)為1.66 mm。

1.4 陣列設(shè)計(jì)

應(yīng)用上述單元，構(gòu)建了一個中心饋電的平面反射陣，其直徑小于134 mm、單元數(shù)為208。根據(jù)饋電螺旋的相位中心位置P及微帶貼片單元陣列的位置Pi確定每個微帶貼片單元需要的初始相位，如式（6）所示：

通過對微帶貼片單元的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行初始配相（旋轉(zhuǎn)角度為φideg/2），使得天線初始波束為反射陣面的法向方向?？紤]到饋源照射到陣列邊緣要比照射中心能量低，故中心區(qū)域的單元對陣列貢獻(xiàn)大于邊緣位置，通過合理分配單元分布達(dá)到高效率輻射特性。由于天線陣面中心對稱，將天線分為四個區(qū)。在陣列中單元所處位置不同使得饋源入射波照射到每個單元的路徑有所不同，這種路徑不同造成的相位差別就是空間相位延遲，這里給出四分之一陣面一區(qū)初始配相延遲數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 天線陣面

為驗(yàn)證該方法的可行性，對天線陣列進(jìn)行了電性能全波仿真，如圖7、圖8所示。由仿真數(shù)據(jù)可知，天線最大增益為25.7 dB，半功率波束寬度為7.6°，0°方向軸比為0.96 dB，仿真結(jié)果符合天線的設(shè)計(jì)要求。

圖7 陣列天線輻射方向圖

圖8 陣列軸比曲線

2 天線性能實(shí)測結(jié)果與分析

為了進(jìn)一步對該設(shè)計(jì)方法的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，利用天線近場測試系統(tǒng)對天線輻射性能進(jìn)行測試。天線實(shí)物圖如圖9所示，測試連接框圖如圖10所示。

圖9 天線實(shí)物圖

天線在工作頻段內(nèi)的測試結(jié)果如圖11-13所示，天線實(shí)測最大增益為25.5 d B，口徑效率為37%，波束寬度7.0°，達(dá)到實(shí)際的應(yīng)用需求。通過將天線仿真結(jié)果、實(shí)測結(jié)果和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行比對分析（見表1），可以證明實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，天線在工作頻段內(nèi)特性穩(wěn)定、方向圖一致性較好。因此，該設(shè)計(jì)方法提出的平面反射陣列天線具有高增益及較寬的工作頻帶特性，可以滿足星載數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用需求。

圖10 天線近場測試狀態(tài)圖

圖11 f0-200 MHz頻點(diǎn)天線實(shí)測方向圖

圖12 f0頻點(diǎn)天線實(shí)測方向圖

圖13 f0+200 MHz頻點(diǎn)天線實(shí)測方向圖

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)要求與仿真、實(shí)測結(jié)果對比

3 結(jié)束語

本文為適應(yīng)星載數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅岢隽艘环N星載Ka頻段平面反射陣列天線設(shè)計(jì)方法，通過采用方環(huán)形切角貼片中心旋轉(zhuǎn)方式實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，使每個微帶貼片單元在某個方向上相位達(dá)到同相，最終實(shí)現(xiàn)圓極化波束性能。通過對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，天線最大增益為25.5 dBi，口徑效率為37%，半功率波束寬度7.0°。分析結(jié)果表明，該天線設(shè)計(jì)合理可行，可推廣應(yīng)用于空間飛行器數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。未來可在該設(shè)計(jì)實(shí)例基礎(chǔ)上引入移相器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)靈活的波束掃描能力，從而進(jìn)一步提高平面反射陣列天線的性能，拓展其應(yīng)用范圍?！?/p>