常俊德， 邢斯瑞， 易 進

(長光衛(wèi)星技術有限公司， 吉林 長春 130000)

0 引 言

現(xiàn)代化的科技進步使得無線通信無處不在， 天線的應用范圍越來越廣， 在無線通信領域幾乎都能看到天線的身影. 天線的發(fā)展過程也是由單個天線的使用到很多天線組成陣列來增強天線的性能[1-2]. 陣列天線的應用很廣， 目前不僅應用于單一的增強性能， 還主要應用于電子掃描、 合成孔徑雷達、 相控陣天線等等. 此外， 天線的頻段使用范圍也已經(jīng)由低頻段在向高頻段發(fā)展， 目前， 星載陣列天線的頻段已由X頻段逐漸向Ka頻段改變[3-5].

常用星載毫米波天線主要有微帶天線、 振子天線及波導天線3種形式. 微帶天線具有寬帶、 輕質、 易于加工和成本低等優(yōu)勢， 但是微帶天線陣面的防護設計比較復雜， 而且對電性能影響較大[6]； 波導天線具有電性能高效、 結構強度高， 低頻段加工工藝成熟， 單元互耦較小等優(yōu)點， 但在Ka頻段， 其加工難度大， 內部的圓極化形成結構相對精細， 不便于將天線進行單獨加工[7]； 振子天線具有高效、 加載聚酰亞胺介質材料后的耐空間環(huán)境適應性強、 可以單獨加工、 采用旋轉饋電后容易實現(xiàn)良好的軸比等特性[8-9]. 鑒于以上3種天線單元的優(yōu)缺點， 本設計選擇耐輻照加載聚酰亞胺材料的振子天線作為天線陣列的基本輻射單元.

針對目前衛(wèi)星通信系統(tǒng)高頻段、 寬帶寬、 寬波束的需求[10-11]， 本文設計了一種星載Ka頻段圓極化振子天線發(fā)射陣列. 天線單元采用非對稱雙臂振子單元形式， 選擇耐輻照加載聚酰亞胺材料， 十字交叉振子采用自相移結構來實現(xiàn)圓極化. 天線陣列采用三角形排布的方式， 通過調整布陣時天線單元旋轉相位來實現(xiàn)陣列的右旋圓極化. 設計的振子陣列天線可實現(xiàn)較好的圓極化、 寬波束， 適合組陣， 并且性能可靠、 結構簡單.

1 天線單元設計與仿真

天線單元采用非對稱雙臂振子單元形式， 選擇耐輻照加載聚酰亞胺材料， 接口為SMP接口形式， 天線極化形式為右旋圓極化， 天線單元尺寸為6.7 mm×6.7 mm×6.5 mm， 天線單元結構如圖 1 所示.

圖 1 天線單元三維結構圖

十字交叉振子通過兩個在空間上相互正交的幅度相等、 相位相差90° 的電流形成圓極化輻射. 實現(xiàn)相位相差90° 可以通過雙饋電結構實現(xiàn)， 也可以通過單饋電自相移結構實現(xiàn). 雙饋電方式需要90° 移相器或者饋電巴倫來實現(xiàn)圓極化， 如采用此種方式組陣， 會增加饋電結構復雜度. 因此， 本案采用單饋電自相移方式實現(xiàn)十字交叉振子的圓極化. 輻射振子本身取不同電長度時， 其上電流會變現(xiàn)出不同相位. 當對稱振子電長度接近半個波長時， 其輸入阻抗近似純電阻， 加激勵電壓時， 饋電處電流的初始相位可認為是0°； 若振子長度小于半個波長時， 其輸入阻抗程容性， 饋電處電流相位相對于0° 表現(xiàn)出超前性； 若振子電長度大于半個波長時， 其輸入阻抗會呈現(xiàn)感性， 其饋電處電流相位相對于0° 表現(xiàn)出滯后性.

如圖 2 所示， 正交放置的振子同時饋電時， 適當調節(jié)兩對振子的長度， 可使其上電流相位差正好滿足90°， 兩對振子相對于饋電點的擺放位置不同， 可產(chǎn)生左旋或者右旋圓極化輻射. 設計中， 將兩振子諧振頻率調節(jié)到發(fā)射頻段附近， 并將長臂和短臂位置互換， 則輻射右旋圓極化波.

圖 2 十字交叉振子產(chǎn)生圓極化饋電方式

利用HFSS仿真軟件對天線單元進行性能仿真， 仿真結果如圖 3～圖 5 所示， 在工作頻段 19.2 GHz～21.2 GHz內， 駐波比小于1.21， 增益大于6 dB， 帶內軸比最低為0.187 dB， 在41.5%的頻率帶寬內, 右圓極化的軸比均在2 dB 以下， 表征了天線單元具有很好的極化效率和極化純度.

圖 3 天線單元駐波比曲線

圖 4 天線單元軸比曲線

圖 5 天線單元方向圖

天線單元實物加工出來后， 對天線單元的方向圖進行實測， 結果如圖 6 所示.

圖 6 天線單元實測方向圖

通過圖 5 和圖 6 的仿真方向圖和天線實測方向圖可以看出， 天線單元實現(xiàn)效果較好， 天線單元實測增益和仿真結果相近， 并且， 天線單元在波束邊緣具有更好的增益效果.

2 天線陣列設計與仿真

2.1 天線陣列設計

天線陣列設計采用三角形排布的方式， 如圖 7 所示， 在不出現(xiàn)柵瓣的情況下， 盡可能地將單元的間距拉大， 以實現(xiàn)較大的陣面增益， 天線陣面設計實現(xiàn)寬角(60°)掃描范圍. 其不出現(xiàn)柵瓣時的陣元間距可以用下式估算選取[12]

式中：λ是最高工作頻率所對應的自由空間波長；θ為最大掃描角度.

圖 7 陣面排布示意圖

本文設計采用旋轉饋電方式組成16單元發(fā)射天線陣列， 陣列結構如圖 8 所示， 實物圖如圖 9 所示. 經(jīng)計算得到陣列單元間距dx=8.8 mm，dy=15.2 mm. 天線陣列選擇多元法實現(xiàn)圓極化， 具體采用4個天線單元為一組， 作為陣列基礎單元來實現(xiàn)寬角掃描圓極化陣列. 對于發(fā)射右旋天線， 每個單元的右旋極化相位(以左下角單元相位為基準)為90°， 0°， 270°， 180°.

圖 8 天線陣列結構圖

圖 9 天線陣列實物圖

2.2 天線陣列仿真

通過HFSS仿真軟件對16單元發(fā)射天線陣列進行性能仿真， 仿真結果如圖 10～圖 15 所示.

圖 10 陣列法向駐波比曲線

圖 11 陣列法向軸比曲線

圖 12 陣列法相方向圖

圖 13 陣列掃描60°駐波比曲線

圖 14 陣列掃描60°軸比曲線

圖 15 陣列掃描60°方向圖

通過仿真結果可知， 陣列駐波比除了陣面四周由于邊緣效應引起的駐波比偏大外， 其余都小于1.5. 在整個掃描空域內， 天線陣列的軸比小于2.3 dB， 表明天線具有很好的圓極化特性. 通過方向圖仿真結果可以看出， 掃描60°時， 天線增益下降小于5dB， 表明天線陣列具有較高的輻射功率.

天線陣列實物加工出來后， 對天線陣列的方向圖進行實測， 結果如圖 16、 圖 17 所示.

圖 16 陣列法向實測方向圖

圖 17 陣列掃描60°實測方向圖

通過圖 16 和圖 17 的天線實測和仿真方向圖可以看出， 天線方向圖中天線的增益實測和仿真值相比， 波束范圍內誤差在4 dB內， 波速邊緣誤差在7 dB內. 結果表明， 天線陣列的實現(xiàn)效果較好， 天線陣列實測增益和仿真結果相近， 并且天線陣列在波束邊緣具有更好的增益效果.

3 結 論

本文針對Ka頻段衛(wèi)星通信系統(tǒng)的需求， 設計了一種星載Ka頻段圓極化振子天線發(fā)射陣列， 天線陣列極化方式為右旋圓極化. 除了陣面四周由于邊緣效應引起的天線陣列駐波比偏大外， 其余都小于1.5. 天線陣列具有良好的圓極化特性和較高的輻射功率. 該振子陣列天線可實現(xiàn)較好的圓極化、 寬波束， 適合組陣， 并且性能可靠、 結構簡單， 在衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有良好的應用前景.