面向低軌衛(wèi)星的雙圓極化寬帶寬角掃描陣列研究

周祺磊，夏良新，傅 光，劉能武，房 亮

(1.西安電子科技大學(xué) 天線與微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710071；2.航空工業(yè)濟(jì)南特種結(jié)構(gòu)研究所，濟(jì)南 250023)

0 引言

近年來，低軌衛(wèi)星系統(tǒng)對(duì)寬帶寬角掃描天線的需求不斷提升，例如在無線通信系統(tǒng)中，基站天線需要廣覆蓋特性；在雷達(dá)系統(tǒng)中，寬帶寬波束天線可對(duì)平臺(tái)周圍內(nèi)所有方位目標(biāo)進(jìn)行全面探測(cè)。然而，傳統(tǒng)寬角掃描陣列天線的伺服電機(jī)掃描方式，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度無法滿足各種應(yīng)用場(chǎng)景下響應(yīng)速度的需求，也無法同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)目標(biāo)的通信與跟蹤。

在此背景下，相控陣天線的設(shè)計(jì)概念應(yīng)運(yùn)而生。相控陣是一種通過改變陣列天線最大疊加方向，實(shí)現(xiàn)波束掃描的天線技術(shù)，具備快速掃描、高增益等優(yōu)點(diǎn)，還可以通過射頻后端輕松實(shí)現(xiàn)多個(gè)波束的同時(shí)接收與發(fā)射，從而與多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行通信與探測(cè)。為實(shí)現(xiàn)寬角掃描覆蓋，傳統(tǒng)方法是通過縮小天線間距來避免柵瓣產(chǎn)生，然而其會(huì)造成單元間耦合增強(qiáng)，掃描時(shí)有源駐波升高，交叉極化惡化等問題，從而使相控陣天線在大角度掃描下受到了很大限制。此外，由于相控陣天線需要對(duì)每個(gè)單元的相位進(jìn)行控制，復(fù)雜的組件會(huì)使得成本大幅上升。

目前能夠有效提升相控陣寬角覆蓋的技術(shù)主要采用通過寬波束單元組陣的形式，根據(jù)方向圖乘積定理，寬波束單元可以有效提升大角度掃描下的增益下降。對(duì)寬角掃描相控陣的研究國(guó)外起步較早，自二十世紀(jì)60年代提出利用有耗網(wǎng)絡(luò)改善相控陣掃描的阻抗匹配，從而拓寬一維掃描范圍到±60°[1]。

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外主要采用3種形式展寬波束，首先隨著算法的發(fā)展與進(jìn)步，2017年通過算法寄生像素層單元結(jié)構(gòu)，使得微帶天線的波束寬度大幅度展寬[2]。除此之外，垂直電流輻射和等效的磁流環(huán)，其極化與金屬地板垂直可以有效的展寬天線的波束寬度，腔體的加載，金屬圓環(huán)的加載，單極子的加載等[3-11]。在此基礎(chǔ)上，常規(guī)的八木天線通過引向器使得其具有定向高增益性能，若天線上方增加一個(gè)起到反射作用的寄生，則天線的波束可以實(shí)現(xiàn)展寬[12]。

采用寬波束天線作為單元能夠很大程度上拓寬天線陣列的掃描角度，然而天線陣列的增益與單元增益密切相關(guān)，當(dāng)采用寬波束天線作為陣元時(shí)，過低的單元增益使得整體陣面增益降低。除此之外，采用多波束天線作為天線陣列單元，當(dāng)陣列覆蓋不同掃描角度時(shí)，可分別使用天線不同的波束來覆蓋。四點(diǎn)饋電的圓環(huán)微帶和多模式工作的微帶天線形成多波束天線單元[13-14]。

鑒于此，在一定覆蓋角度范圍內(nèi)增大波束掃描范圍則能夠減少所需陣面數(shù)目，可以大幅降低整個(gè)低軌衛(wèi)星系統(tǒng)的成本。文章提出了一種基于金屬柵格加載的寬帶寬波束天線技術(shù)。其核心思想是通過彎折陣子臂展寬天線E面半功率波束寬度，并通過加載金屬柵格實(shí)現(xiàn)寬帶與寬波束工作特性(17GHz～21GHz)。此外，通過旋轉(zhuǎn)布陣技術(shù)，給陣中單元不同初始相位，最終實(shí)現(xiàn)了天線陣的雙圓極化輻射，波束覆蓋角度保持在±60°。上述陣列天線在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中具備廣闊的應(yīng)用前景。

1 陣列單元設(shè)計(jì)

在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，微帶天線因其低剖面、易加工、精度高等特點(diǎn)而備受關(guān)注。然而，微帶天線的屬性導(dǎo)致其阻抗帶寬限制。其次，傳統(tǒng)微帶天線的E、H面波束寬度僅為70°～80°，無法滿足寬帶寬掃描需求。相較于微帶天線，對(duì)稱陣子天線具備寬頻帶和寬波束輻射特性。因此，本文所設(shè)計(jì)的寬帶寬角掃描天線陣采用了一種開槽線巴倫饋電的對(duì)稱陣子單元，其中槽線巴倫是一種在同軸外皮上開縫隙的電結(jié)構(gòu)，在陣子下方通過1/4波長(zhǎng)的短路到開路的轉(zhuǎn)變方法實(shí)現(xiàn)雙臂電流平衡。所設(shè)計(jì)的天線單元采用純金屬材料，陣子臂在末端向下彎折，從而產(chǎn)生垂直電流并實(shí)現(xiàn)波束寬度的有效拓展，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于開槽線巴倫饋電的對(duì)稱陣子天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Symmetrical element antenna structure based on slotted wire Balun feeding

由圖1可知，對(duì)稱陣子天線采用開槽線巴倫饋電，陣子臂整體長(zhǎng)度為L(zhǎng)1，陣子高度為H1，槽線對(duì)應(yīng)的同軸外徑為R1，槽線深度為H2，陣子寬度為W1，詳細(xì)參數(shù)如表1所列。

表1 開槽線巴倫饋電的對(duì)稱陣子天線參數(shù)表Tab.1 Symmetrical element antenna parameter table for slotted wire Balun fed

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，對(duì)天線單元進(jìn)行建模、仿真與分析，其阻抗特性如圖2所示。由圖2可知，天線單元在工作頻段17GHz～21GHz范圍內(nèi)電壓駐波比均小于2，從而實(shí)現(xiàn)了良好阻抗匹配。

圖2 基于開槽線巴倫的對(duì)稱陣子天線電壓駐波比Fig.2 Voltage standing wave ratio of symmetric element antenna based on slotted wire Balun

除阻抗特性外，基于開槽線巴倫的對(duì)稱陣子天線在低頻和高頻的方向圖如圖3所示。由圖3可知，天線在頻帶范圍內(nèi)具有良好的輻射特性，在17GHz時(shí)，天線增益為6.29dB，H面波束寬度為120°，E面波束寬度為67°；在21GHz時(shí)，天線增益為6.05dB，H面波束寬度為138°，E面波束寬度為77°。與傳統(tǒng)對(duì)稱陣子相比，基于開槽線巴倫的折疊對(duì)稱陣子在工作頻段內(nèi)的H面波束寬度均超過了120°，E面波束寬度均小于80°。針對(duì)二維圓極化波束掃描，若兩個(gè)面波束寬度相差過大，當(dāng)陣列掃描至大角度時(shí)，不同極化分量的幅度差異會(huì)導(dǎo)致其交叉極化性能顯著惡化。

為解決上述難題，本文提出了一種金屬柵格加載技術(shù)，其有效拓展了對(duì)稱陣子的E面半功率波束寬度，整體結(jié)構(gòu)如圖4所示，其中金屬柵格整體高度為H3=4.8mm,中間挖掉的柵格寬度為W2=1.4mm，高度為H4=4.2mm。

圖3 基于開槽線巴倫對(duì)稱陣子天線方向圖Fig.3 Slotted line based Balun symmetric antenna pattern

圖4 基于金屬柵格加載的寬波束對(duì)稱陣子天線Fig.4 Wide-beam symmetric array sub-antenna based on metal grid loading

圖5給出了金屬柵格上電流分布情況，由圖5可知，天線在加載金屬柵格后，陣子輻射金屬柵格頂端激勵(lì)起的垂直電流可有效展寬對(duì)稱陣子天線E面波束寬度。

圖5 金屬柵格上電流示意圖Fig.5 Schematic diagram of current flow on metal grid

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述方法的有效性，圖6仿真了天線在金屬柵格加載后的E面波束寬度。由圖6可知，加載了柵格的對(duì)稱陣子，天線在17GHz時(shí)，天線增益為4.2dB，E、H面的半功率波束寬度分別為139°和142.5°。天線在21GHz時(shí)，增益為4.6dB，E、H面的半功率波束寬度分別為113.7°和155.4°?？傊噍^于加載金屬柵格之前，天線在17GHz工作下的E面半功率波束寬度從67°展寬至142°；天線在21GHz工作下的H面半功率波束寬度從77°展寬至155°。據(jù)此通過金屬柵格的加載，實(shí)現(xiàn)了對(duì)稱陣子天線單元波束寬度的展寬，為陣列寬角掃描奠定了設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

圖6 基于金屬柵格加載的寬波束對(duì)稱陣子天線方向圖Fig.6 Pattern of wide-beam symmetric array sub-antenna based on metal grid loading

2 雙圓極化天線陣列設(shè)計(jì)

雙圓極化天線陣列通常采用雙圓極化單元組陣的形式實(shí)現(xiàn)。若采用傳統(tǒng)雙極化單元，則需要更多的通道，從而導(dǎo)致成本過高、應(yīng)用受限。本文提出了一種順序排布的陣列布陣方法，其通過賦予天線單元不同的相位，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陣列極化的切換，陣面順序排布方式如圖7所示。

圖7 順序旋轉(zhuǎn)布陣陣列示意圖Fig.7 Schematic diagram of sequential rotation array

當(dāng)單元數(shù)為4個(gè)時(shí)，饋電相位分別為0°、90°、180°、270°時(shí)，當(dāng)天線單元的幅度分別為H1、V2、H3、V4，且貼片天線中心距離為d時(shí)，當(dāng)單元幅度H1=V2=H3=V4，陣列輻射出來的總場(chǎng)為：

Etotal=H1e-jk0dsinθej 0°+V2ejk0dsinθej 90°

+H3e-jk0dsinθej 180°+V4ejk0dsinθej 270°=

(H1ej 0°+V2ej 90°)(e-jk0dsinθ+ejk0dsinθ)

=(H1+jV2)2cos(k0dsinθ)

(1)

根據(jù)式(1)推導(dǎo)過程，順序饋電的陣列可以實(shí)現(xiàn)右旋圓極化輻射。

同理，若陣列順序采用饋電時(shí)，饋電相位為0°、270°、180°、90°時(shí)，根據(jù)式(1)可實(shí)現(xiàn)左旋圓極化。采用順序旋轉(zhuǎn)饋電技術(shù)，陣列天線單元采用單一的線極化單元就可實(shí)現(xiàn)陣列天線的雙圓極化輻射。通過布陣可以有效增加減少通道數(shù)量，有效縮減相控陣天線的成本，使其具備更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

基于上述原理，采用順序布陣，陣列間距選擇為6.6mm，形成8×8的陣列，整體陣列布陣與初始相位如圖8所示。

圖8 天線陣列布陣規(guī)律與初始相位示意圖Fig.8 Schematic diagram of the arrangement law and initial phase of the antenna array

為了能夠最大限度的保證陣列雙圓極化性能，通過多層順序布陣來實(shí)現(xiàn)整體陣面排布。首先，以4個(gè)單元作為一組，進(jìn)行順序饋電形成初級(jí)子陣，如圖8中紅色框中所示，其次以一個(gè)初級(jí)子陣為單元，進(jìn)行順序饋電布陣，形成次級(jí)子陣，即圖8中黃色框所示。最終以次級(jí)子陣為單元，進(jìn)行順序饋電，形成最終陣面。采用上述布陣方案，對(duì)陣列天線進(jìn)行仿真計(jì)算分析。圖9給出17GHz和21GHz時(shí)，天線陣面波束指向不同角度時(shí)的方向圖，當(dāng)掃描離軸到60°時(shí)，天線陣列波束寬度隨著離軸角增大而展寬，增益隨著離軸角的增大而下降。17GHz、21GHz陣列軸比方向圖分別如圖10、圖11所示。

圖9 陣列掃描增益方向圖Fig.9 Array Scanning Gain Pattern

圖10 17GHz陣列軸比方向圖Fig.10 Axis ratio pattern of 17GHz array

圖11 21GHz陣列軸比方向圖Fig.11 Axis ratio pattern of 21GHz array

對(duì)于陣列掃描，其有源駐波對(duì)天線的輻射性有著決定性影響，以陣中中心單元對(duì)其掃描60°時(shí)，不同頻率的有源駐波為例，給出本文所提出的陣列掃描后的有源駐波，如圖12所示。

圖12 陣中單元的有源駐波Fig.12 Active standing waves of elements in the array

在17GHz頻點(diǎn)工作時(shí)法向波束增益為18.2dB，當(dāng)掃描離軸角為60°時(shí)，增益下降2.8dB；軸比優(yōu)于2dB，在高頻21GHz時(shí)，法向增益為19.6dB，當(dāng)掃描離軸角為60°時(shí)，增益下降3.7dB，軸比小于3dB。陣列可實(shí)現(xiàn)二維掃描，在寬頻帶內(nèi)，在離軸角60°的范圍內(nèi)，增益穩(wěn)定，下降4dB以內(nèi)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)軸比小于3dB。在低頻段，更能實(shí)現(xiàn)增益下降小于3dB。據(jù)此結(jié)果，天線陣列可具有良好的寬角覆蓋性能。在陣列具有良好的輻射性能的同時(shí)，陣中天線單元具有良好的阻抗匹配，在掃描至60°時(shí)，仍然在全頻段內(nèi)小于3。

3 結(jié)論

文章提出了一種通過基于金屬柵格加載的波束展寬方法，其通過金屬柵格頂端產(chǎn)生的感應(yīng)電流大幅拓展了天線E面波束寬度。同時(shí)，采用折疊對(duì)稱陣子作為輻射單元，克服了傳統(tǒng)微帶天線的窄帶與窄波束缺陷，從而為陣列寬頻帶、寬角覆蓋奠定了基礎(chǔ)。此外，通過多層次的順序饋電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了寬帶寬角掃描圓極化布陣，最大程度的減少了相控陣天線的成本，使得其具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。仿真結(jié)果表明：天線陣在工作頻段17GHz～21GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了離軸角60°的二維寬波束覆蓋，增益下降4dB以內(nèi)，且軸比保持小于3dB特性，從而具有良好的寬角覆蓋性能，鑒于此，文章所設(shè)計(jì)的圓極化掃描天線陣在低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。