刘志佳;雷冀;庄建楼;韩运忠
【摘 要】针对新一代深空探测通信的需求,提出了一种高集成度X频段宽带圆极化微带阵列天线.天线由48单元层叠微带贴片单元和相应的多层馈电网络组成.天线通过耦合馈电技术将辐射单元和馈电网络(BFN)进行一体化集成,采用旋转序列馈电技术提高天线的圆极化性能.对实际设计的天线进行了仿真分析,结果表明:该天线在19.4％的频带范围内具有较好的增益、驻波比和圆极化特性,能够满足新一代深空探测通信任务的需求.%In considering of the requirement of new generation deep space exploration communica tion,an X band high integration broadband circular polarization microstrip array antenna is introduced in this paper.The array antenna is composed of 48 printed stacked microstrip patch elements and multilayer beam forming network (BFN).Coupled feeding technique is appropriate for new array antenna architectures that integrates the radiating elements with the associated BFN.Sequential rotation technique has been applied on the array to obtain broad bandwidth in return axial ratio performance.The simulation results show that the antenna obtain good performance of gain,VSWR (voltage standing wave ratio) and circular polarization over a wide bandwidth (19.4％).The antenna array can meet the requirement of the new generation deep space exploration communication. 【期刊名称】《航天器工程》 【年(卷),期】2016(025)006
【总页数】7页(P94-100)
【关键词】航天器;一体化集成天线;宽带;圆极化;阵列天线;多层馈电网络 【作 者】刘志佳;雷冀;庄建楼;韩运忠
【作者单位】北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,电磁兼容与天线测试工程技术研究中心,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,电磁兼容与天线测试工程技术研究中心,北京100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,北京 100094;北京空间飞行器总体设计部,电磁兼容与天线测试工程技术研究中心,北京100094 【正文语种】中 文 【中图分类】TN82
深空探测领域尤其是月球探测着陆巡视器和火星探测着陆巡视器中，国内外一般均配备一副高增益天线并利用X频段作为测控通信频段。例如我国月球探测中的嫦娥三号着陆器定向天线；美国2003年发射的用于火星探测的勇气号、机遇号的高增益天线，2011年发射的用于火星探测的好奇号高增益天线[1-2]。其中，嫦娥三号着陆器定向天线采用的是正馈单反射面天线形式，天线口径约为400 mm，剖面高度约为150 mm，同时天线为窄带天线，工作模式为单发射状态。 美国勇气号、机遇号的高增益天线为印制偶极子阵列，圆极化利用印制曲线极化器实现，天线剖面高度较常规反射面剖面高度降低约50%，但是由于偶极子单元窄带的谐振特性，该天线在8.4 GHz发射频段性能较好，电压驻波比(VSWR)为1.2∶1，峰值增益为24.5 dBic；但在7.1 GHz接收工作频段时，VSWR为2.4∶1，且该频段下的峰值增益仅为20.6 dBic。美国好奇号的高增益天线为多层阵列天线，辐射单
元采用圆环微带形式，辐射阵面利用6个子阵的三角形网格形式，导致该天线馈电网络(BFN)复杂，同时天线的剖面高度较高，约为50 mm。
近些年来，微带平面阵列天线发展迅速，相比较于传统的反射面天线，微带阵列天线具备许多优点，例如易于制造、低剖面、轻量化、易共形并且可以精确控制方向图形状，适于批量生产等[3]。但是，微带阵列天线由于天线本身的欧姆损耗、介质损耗和馈电网络的寄生辐射等影响，微带阵列天线一般增益、效率均较低[4-6]。 针对目前普通微带阵列天线的效率较低、剖面尺寸较大的问题，本文介绍了一种一体化集成微带阵列天线，频段为7.0～8.5 GHz，覆盖了深空探测火星着陆器高增益天线的工作频段，使用Ansys HFSS V15.0软件对天线进行了仿真和优化，仿真结果验证了该设计的合理性和可行性，可以为深空探测着陆器高增益天线提供设计参考。
为了满足未来我国深空探测中火星着陆器高增益天线的需求，以及天线的小型化、轻量化、低剖面、高增益、宽带的工作模式，本文设计的阵列天线为宽带圆极化多层微带阵列天线，并将馈电网络同辐射阵面进行了一体化集成设计，天线的通信模式为收发共用。
该一体化集成阵列天线由辐射阵面、BFN组成，BFN包含了三层，分别为BFN1、BFN2、BFN3，具体组成如图1所示。共包含48个辐射单元，其中辐射阵元间距为35 mm，整阵的尺寸为260 mm×300 mm×30 mm。从上到下依次为：光面介质阵面保护板FR4，辐射阵面(包括上层贴片，上层介质板，泡沫，下层贴片，下层介质板，泡沫，配备耦合缝隙的地板)、BFN1、BFN2、 BFN3组成。最后利用金属硬铝蒙皮将天线本体包围，提高正向辐射性能的同时达到对天线本体的保护。 相比于目前常见的微带阵列天线[3-8]，该天线主要具有以下优点：
(1)天线一体化集成设计，将馈电网络集成到阵列内部，结构紧凑，有效地减小了天线整体尺寸；
(2)馈电网络采用悬置介质带状线实现，具有更小的损耗，从而有效提高阵列天线的增益及辐射效率；
(3)目前常见的微带阵列天线，其馈电网络同辐射单元多在同层制造，导致馈电网络的寄生辐射较大，对正向辐射方向图存在影响，本文设计的一体化阵列天线将馈电网络同辐射阵面置于不同层，有效降低了馈电网络的寄生辐射，从而提高天线的辐射效率；
(4)采用了新型六边形布局的平行四边形子阵网络，相比于常见的矩形布局、圆形布局，有效地提高了天线圆极化轴比性能，减小阵列的布局尺寸，且该平行四边形子阵相比较于三角形子阵在保证圆极化性能的前提下，有效地简化了馈电网络的设计。
2.1 阵面布局设计
从国外在轨的无源阵列天线来看，圆极化阵列天线多采用圆环阵列或者三角形网格的六边形阵列，其中罗塞塔(Rosetta)卫星的中等增益天线采用了圆环阵列，国际移动卫星-4(INMARSAT-4)卫星的导航天线、伽利略(Galileo)卫星的导航天线采用了三角形网格的六边形阵列形式[9-10]。
为了提高阵列天线的圆极化性能，从而提高天线增益，减小阵面布局尺寸，Galileo的导航天线采用了三角形网格的六边形阵列形式，但是本文若利用此种辐射子阵布局，会直接导致馈电网络的实现较复杂，辐射子阵内须设计一分六功分器和一分十功分器，而且需要这两种功分器的输出保证良好的幅度、相位输出特性。此种馈电网络的设计难度较大且输出的性能不好控制。综合考虑阵面布局等因素，一体化集成阵列天线采用了整体六边形设计，辐射子阵为平行四边形网格的布局。该阵列天线由3个辐射子阵组成，每个辐射子阵由4×4共计16个辐射单元组成，辐射子阵内仅须设计一分十六功分器即可，这种功分器的设计难度较低。此种布局可以很大程度上解决馈电网络的复杂性，同时兼顾天线辐射方向图不同切面的一致
性特性，其具有以下优点：①每个子阵中的相邻单元间距、相邻子阵的相邻单元间距完全相同；②相邻子阵的中心间距相同且与轴中心依次排布。
为了进一步改善阵列的圆极化性能，将旋转序列馈电技术应用到阵列中[11-12]。为了简化馈电网络的设计难度，将旋转序列馈电技术在每个子阵之间实现，而不是采用常见的子阵内利用旋转序列馈电技术。考虑到实现的可行性和复杂性，辐射子阵内的辐射单元完全相同，不进行旋转，均为同向排布。其中辐射子阵1、辐射子阵2、辐射子阵3中每个辐射子阵沿坐标原点(阵列中心位置，中心无阵元)旋转120°，这样的结构需要激励每个子阵的信号为幅度相同、相位相差120°，从而形成旋转序列馈电，实现良好的增益、轴比特性。图2为阵面的布局示意图。 2.2 宽带辐射单元设计
为了实现天线在7.0～8.5 GHz 频段内工作，采用层叠微带天线以实现其宽带特性[13]。单元天线采用加装航天常用材料光面FR4板材的一体化设计。利用馈电网络将能量馈入激励贴片，同时能量从激励贴片耦合到寄生贴片来展宽频带。这样既保证了天线的平面尺寸不变，同时又适合于后续的阵列布阵。辐射单元由一个一分四的威尔金森功分器组成，其中一分四的威尔金森网络四路输出口每个端口的中心频率下的输出相位依次为0°，90°，180°，270°。四路印制带线通过中间地板开的缝隙将能量馈入激励贴片。 2.3 馈电网络设计
常见的馈电网络均为微带电路，由于微带电路特性，特别是X频段以上的微带形式的馈电网络损耗一般较大，且频带内的相位输出特性不易控制。为了减小传输损耗、降低寄生辐射对阵列天线性能的影响，将馈电网络进行了多层设计，每个功能模块之间利用地板进行分离，有效地减小馈电网络的寄生辐射对阵列天线正向辐射的影响，同时利用悬置介质带状线实现低损耗特性[14]。悬置介质带状线最大优点是利用低损耗介质板材蚀刻出金属带线并悬置于两层地板中间，这种结构的有效介
电常数接近空气，从而保证带状线表面波的损耗很小。同时为了结构稳定性考虑，中间利用低损耗泡沫填充，其结构如图3所示。
多层馈电网络间利用垂直的金属化过孔实现，由于金属化过孔这种垂直结构会破坏带状线的对称性，为了避免产生横电波(TE)模,利用加装短路针屏蔽效应来截止TE模。利用Ansys HFSS V15.0软件仿真的此种结构的插损在X频段不大于0.1 dB。为了解决在整个工作频带内实现3个辐射子阵相差120°的等幅度信号输入，需要馈电网络保证良好的幅度、相位输出特性，同时兼顾低损耗特性，本文采用悬置介质带状线形式的宽带谢夫曼(Schiffman)移相器来实现此功能[15]。 3.1 辐射单元仿真结果
结合2.2节设计分析，采用Ansys HFSS V15.0软件进行建模，设计了工作频段在7.0～8.5 GHz的加装FR4介质保护板的微带叠层圆极化单元天线，其结构尺寸如图4所示。
在Ansys HFSS V15.0软件中，将介质板材、泡沫的厚度固定，贴片尺寸(控制频率谐振点)、开槽尺寸、位置(阻抗匹配)为优化参数，考虑到通用性，带线优化的参考阻抗为50 Ω，图5给出了孤立单元的仿真增益方向图，图6给出了相应的回波损耗。仿真计算结果表明：该单元天线在 7.0～8.5 GHz的带宽范围辐射方向图具备较好的切面一致性，可以作为后续阵列天线组阵的阵元。 3.2 馈电网络仿真结果
结合2.3节设计分析，采用Ansys HFSS V15.0软件建模，设计了工作频段在7.0～8.5 GHz适用于阵面布局的多层馈电网络，其中BFN2构成如图7所示，BFN3构成如图8所示。
将BFN2和BFN3的组合利用全波分析软件Ansys HFSS V15.0进行全波仿真分析，馈电网络仿真分析的输出幅度、相位如图9所示。由仿真结果可知，BFN2和BFN3整体的48路输出插损在7.0～8.5 GHz工作频带内为-17.1～-17.6 dB，通
带内幅度输出一致性较好，整个馈电网络的损耗约为0.8 dB。同时辐射子阵1和辐射子阵2的仿真分析相位差为-118.5°～-122.1°，移向精度为±2.2°范围内。辐射子阵1和辐射子阵3的仿真分析相位差为-236.2°～-244.2°，移向精度为±4.5°范围内。仿真结果表明，此馈电网络在工作频带内具有较好的幅相输出特性，可以应用到阵列天线中。 3.3 整阵仿真结果
将上述的辐射单元、馈电网络进行集成建模，应用Ansys HFSS V15.0软件对整阵利用有限元(FEM)进行全波仿真分析工作，图10 给出了整阵端口驻波比仿真图。整个工作频带内，驻波比小于1.43。
图11给出了7.0 GHz、8.5 GHz仿真的增益方向图(包含了馈电网络损耗)，峰值增益分别为24.49 dBic，24.75 dBic。在7.0 GHz工作频带内，轴向交叉极化抑制为-50 dB，±4°波束范围内的交叉极化抑制为-34 dB；在8.5 GHz工作频带内，轴向交叉极化抑制为-35 dB，±4°波束范围内的交叉极化抑制为-25 dB。 综合上述仿真结果，验证了本文设计的X频段一体化集成微带阵列天线，通过利用多层结构在实现天线较低剖面尺寸的同时能较好地工作于7.0～8.5 GHz频带范围内。
本文设计了一种新型一体化集成的X频段(7.0～8.5 GHz)微带阵列天线，具备低剖面、宽频带、轻量化、成本低、易于批量生产的特点。仿真结果表明：一体化集成阵列整体馈电网络损耗为0.8 dB。在7.0～8.5 GHz频带内最大峰值增益为24.75 dBic(包含馈电网络损耗)，通带内的轴向交叉极化抑制大于35 dB、±4°波束范围内交叉极化抑制大于25 dB。综合仿真结果，该天线能为我国火星探测着陆器高增益天线的技术实现提供设计参考。
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