1、Ka频段双极化低剖面卫通相控阵天线

摘 要:当前国内外低轨通信互联网星座发展迅猛,面向卫通天线跨星跨波束快速切换、低剖面应用需求,提出了一种 Ka 频段层叠式缝隙合双圆极化发射相控阵天线。基于多层 PCB 叠层瓦式架构,将天线层、电源与控制层、功分网络层和芯片层一体化集成。基于“双线极化天线 +移相控制”设计实现左右旋圆极化及其极化切换,采用子阵相位旋转排布实现天线整阵二次圆极化。测试结果表明:天线工作频段为 27.5 ~31CHz,29.2CHz 处法向等效各向同性辐射功率值为 165dBW,可实现 +-60°扫描,法向轴比<2dB,左右旋圆极化可切换,天线子阵厚度3mm。相比传统砖式相控阵天线。大幅降低了剖面和重量。对卫通天线低剖面、波束快速切换等具有重要应用意义。

关键词:相控阵天线;Ka 频段:双圆极化;等效各向同性辐射功率

1、引言

近年来$国内外低轨通信互联网星座发展迅 猛' 美国 &-(.,10` 已部署近 $%%% 颗星链卫星$英国 Z0*W*Q 完成近 U%% 颗卫星部署*! AU+ !国内已发射 (鸿雁)(虹云)试验星$并将卫星互联网已纳入(新 基建)*! A?+ $成立中国卫星网络集团公司$极大促进 了我国的(卫星互联网星座)体系建设' 低轨卫星通信具有低时延,大带宽,全球覆盖 等优势*# A<+ $随着低轨宽带通信卫星数量和通信容 量的快速提升$对卫通天线提出了新的应用需求" !%支持星地覆盖区跨星跨波束快速切换*"+ !$%满足 低剖面,轻量化,高集成应用需求*! AU+ !=%规模化应 用或批量化应用低成本*$ A=+ ' 传统卫通天线多采用伺服平板天线或伺服抛 物面天线$响应速度慢$剖面高$重量大*U A<+ 难以满 足应用需求' 相控阵天线的波束切换可达到微秒 #$L%量级$通常具有厘米#)O%级较低轮廓*"+ $而且 长期工作具有可靠性高$可支持极化切换与灵活赋 形等优势*" A!%+ ' 针对低轨宽带互联网天线低剖面,跨星跨波束 快速切换应用需求*!! A!=+ $本文提出了一种 J(频段 圆极化可切换发射相控阵天线$天线整体采用多层 d\c层叠瓦式架构$集成天线层,电源层,控制层, 功分网络层和芯片层等一体$实现天线网络芯片一 体化低剖面集成' 天线采用十字缝隙耦合形式$双 线极化合成圆极化$并采用旋转馈电实现二次圆极 化$可实现 #%b扫描$快速波束切换以及左右旋双圆 极化等功能。

2、相控阵系统设计

1.1架构设计 本文设计的 J(频段双圆极化可切换发射#U 阵 元相控阵天线架构$如图 ! 所示$整阵系统由 #U#< q<%个辐射微带天线单元$!# 个 < 通道多功能射频 发射芯片,馈电网络和波束控制模块等组成' 多功 能芯片的公共端通过威尔金斯电桥网络实现合路 互联$波束控制模块主要由 edIH和 eDH&G等组 成$整板对内输入一个发射射频信号的射频连接器 以及一个供电及控制数据下发低频连接器' 天线阵列每个阵元具有 $ 个馈电过孔$分别对应(水平)#G端口% 和(垂直) #6端口% 馈电端口$ 与多功能射频幅相芯片的两个射频发射通道相连' 每个多功能射频发射芯片可实现对 $ q$ 接收天线 模块的相位控制与功率分配$控制天线单元端口的 馈电相位差$实现天线圆极化合成与左右旋圆极化 切换' 同时以 $ q$ 阵列为子阵$进行相位旋转排布 实现整阵二次圆极化$进一步提高天线整阵圆极化 轴比$如图 $ 所示'。

 

1.2 天线叠层设计

本文研究的 Ka频段双圆极化可切换发射64阵 元相控阵天线采用多层板 PCB混压工艺，使用盲 孔,表贴,埋孔背钻等工艺实现馈电带线的垂直互 联' 微带天线设计在多层板的顶层及紧邻内层，通 过馈电金属化过孔与底层的多功能发射射频芯片 输出管脚相连!多功能射频发射芯片的射频输入管 脚通过带线及馈电过孔与板子内层的威尔金森功 分网络相连!芯片数字控制信号及供电信号通过板 子内层的控制层和电源层实现互联，为减少层间干 扰，电源和控制网络层的低频信号线通过金属地隔 离，多层 PCB板叠层结构如图 = 所示，天线层,控 制S电源层,工分网络层,芯片层等通过多层印制板 实现，实现天线板厚度在3mm以内。

本文采用叠层缝隙耦合天线，设计了一种低剖 面双线极化微带天线，其单元结构如图 U 所示，采用 3层PCB每层PCB之间采用半固化片压合粘接，从 上到下依次为辐射贴片层,耦合缝隙层,馈线层和 地板' 为提高极化间隔离度，耦合缝隙层通过十字 形缝隙进行耦合馈电，G极化和 6极化的馈线分布 在不同层$天线单元采用屏蔽孔隔离，网络采用带 状线，带状线通过金属通孔与底层共面波导垂直互 连，共面波导与芯片输出管脚连接' 相比于普通的 微带天线，本文设计的叠层缝隙耦合天线具有更宽 的带宽以及更高的端口隔离度 。

为实现相控阵左右旋圆极化可切换功能$采用 层叠缝隙耦合双极化耦合天线，馈电形式为双线极 化馈电，通过馈电网络产生90度相位差，同时 采用 2x2 子阵天线单元旋转馈电排布实现二次圆 极化,提高天线极化轴比性能。图 5 为2 x2 阵列左右旋二次圆极化馈电相位示意图
为实现 8 x8 阵列整体优化设计,由 2 x2 阵列旋转组阵为 8 x8 阵列,根据相控阵天线扫描角范围不出现栅瓣条件，图 6 为 8 x 8 阵列整体结构示意图。

 

利用电磁仿真软件进行全波仿真,其归一化方向图如图 7 和图8 所示,左右旋极化天线可分别实现土60°扫描，同时左旋和右旋天线一致性好,天线扫描范围可达到土60°,副瓣电平均较低,扫描 30和 60°增益分别下降 1.3 dB 和4dB。由于采用“双线极化天线 + 移相控制”架构模式，左右旋极化共用同一天线,通过多功能射频发射芯片控制馈电相位,控制实现左右双圆极化及其极化切换。

 

 

 

在微波暗室对研制的 64 阵元发射相控阵天线进行平面近场扫描测试,如图 10 所示：

 

天线测试方向图与轴比如图 11、图 12 和图 13所示,其法向轴比小于 2 dB
在微波暗室对 64 阵元发射相控阵天线进行法向 EIRP 值测试,测试结果如表 1 所列,与理论值小于 1dB 误差,考虑到多层 PCB 加工误差、高低频电磁干扰、芯片焊接误差、测试误差等因素,天线设计满足要求。

 

 

 

 

结论
针对低轨卫星通信对天线跨星波束切换、低成本、低剖面需求,本文提出了一种 Ka 频段圆极化可切换卫通发射相控阵天线，整体采用瓦式层香相控阵架构。设计了双馈口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”架构，采用双馈口的叠层十字缝隙耦合天线,并以 2 x2 阵列为主体,旋转排布实现二次圆极化，同时极化可切换,通过多层 PCB 工艺实现天线层、控制/电源层功分网终层、芯片层一体化集成,研制出 64 阵元的圆极化可切换发射天线，测试结果表明:天线工作 频段为 27.5 ~31 GHz,可实现60°扫描,法向轴比<2dB,左右旋圆极化可切换，EIRP 值可达 16.5 dBw@ 29.2 Hz,厚度 3 mm。对了通天线低剖面快速波束切换等具有重要应用意义。