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一种一体化集成宽带阵列天线设计

2024-05-19 来源:好走旅游网
Vo1.25 NO.6 94 航天器工程 SPACECR.AFT ENGINEERING 第25卷第6期 2016年12月 一种一体化集成宽带阵列天线设计 刘志佳h 雷冀 庄建楼 韩运忠 (1北京空间飞行器总体设计部,北京 100094) (2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) 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。 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 中图分类号:TN82 文献标志码:A DOI:10.3969/j.issn.1673—8748.2016.06.015 Design of an Integrated Broadband Microstrip Array Antenna LIU Zhijia ’ LEI Ji ’ ZHUANG Jianlou HAN Yunzhong ・ (1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China) (2 Engineering Research Center of EMC and Antenna Test Technology, Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China) Abstract: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 intro— duced in this paper.The array antenna is composed of 48 printed stacked microstrip patch ele— ments 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 (1 9.4 ).The antenna array can meet the requirement of the new generation deep space explora— tion communication. Key words:spacecraft;integrated antenna;wideband;circular polarization;array antenna;multilayer beam forming network 星探测着陆巡视器中,国内外一般均配备一副高增 1 引言 深空探测领域尤其是月球探测着陆巡视器和火 收稿日期:2016—08—03;修回日期:2016-09—05 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 作者简介:刘志佳,男,工程师,从事阵列天线、反射面天线及微波器件设计。Email:zhijia.1iu@hotmail.tom。 第6期 刘志佳等:一种一体化集成宽带阵列天线设计 线,2O11年发射的用于火星探测的好奇号高增益天 线 J。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 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 度约为15O 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 的同时达到对天线本体的保护。 FR4 寄生贴片 Rogers6002 8.4( Hz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 泡沫 --—______——・_・————____———・__卜叶辐时Ⅵ占片 Rogers0002 泡沫 地板 泡沫 地板 泡沫 E金属带线 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。 泡沫 地板 泡沫 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 ]。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 (a)阵列垂直结构 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 ,i ̄il。 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 (b)阵列俯视圈 探测着陆器高增益天线提供设计参考。 图1阵列结构图 Fig.1 Structure of the array 2阵列天线设计 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。 相比于目前常见的微带阵列天线 ]。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 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 降低了馈电网络的寄生辐射,从而提高天线的辐射 效率; 96 航天器工程 (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,国际移动卫星一4(INMARSAT一4)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。 。 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_1 ]。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。 12oo .24。/ 。 廖 ) 0 子阵1,0。 图2阵面布局 Fig.2 Layout of the array 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[1 。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_】 。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12o。的等幅度信号输入,需要馈电 第6 I9J 刘志件等:一种一体化集成宽带阵列火线没汁 网络保证良好的幅度、相位输Ⅲ特性。 时兼顾低 损耗特性.小义采朋悬置介质 带;状线肜式的宽带 鲥大曼(Schiffnl ̄tn)移相器来实现此功能 。 3悬 介质带状线结卡勾 I ig.3 SI】_ll I【II-U of|11C suspended su1) l ral(. 1 ril ̄line 3 仿真验证 3.1 辐射单元仿真结果 结合2.2 设计分析.采 Ansys HFSS Vl 5.0软什进仃建模.没计r上作频段 7.0~ 8.5(;I_lz的JJI】装FR4介质保护板的微带覆层圆檄 化 元犬线. 结构尺寸如 4所示。 1 0 6mIll to 254mIl ▲ 泡沭 l 3 75 n1m o 508ml】1 泡沫 t 2.25 0.254 nⅥl1 (a)辐射阵无删l观 8mill 合} 地板 ㈦辐射阵 俯视I到 4辐射阵元示意罔 Fig.4 Radiating element 在Ansys HFSS V15.0软件中,将介质板材、 泡沫的厚度l州定,贴片尺寸(控制频率潴振点)、开槽 尺寸、佗 (阻抗匹配)为优化参数,考虑到通用性, 带线优化的参号阻抗为50 Q,图5给出r孤 单元 的仿真增益方阳图,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.j 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。 (a) J 增益方向 (也 BFN1搠耗)(8 5 GHz) j ! 翌 主 骠 )啦J 增益方lal[ ̄l(也含BFNI损耗)(7.0(1}tz) 5 辐射 元方向 Fig.5 Radiating element pattern J冬1 6 辐射单元回波损耗 Fig.6 Isolated radiating element retu rn loss 航天器工程 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.O~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。 、 图7 BFN2构成 Fig.7 BFN2 specifications 图8 BFN3构成 Fig.8 BFN3 specifications 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工作频带内为一17.1~一17.6 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 仿真分析相位差为一118.5。~一122.1。,移向精度 为±2.2。范围内。辐射子阵1和辐射子阵3的仿 真分析相位差为一236.2。~一244.2。,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。 -160 -16 5 —17 O ∞ 鬟_17 5 —18.0 —18 5 6 8 7 0 7 2 7 4 7.6 7.8 8 0 8.2 8 4 8 6 8.8 频率/GHz (a1插损 一 一 ” 加 O 5 O 5 6 5 7 0 7 5 8 0 8 5 90 频率,G}{Z (b)子阵1和子阵2端!zI单元间相位差  IT 作频段 一.. 6 5 70 7 5 80 8 5 9 0 频率/GHz (c)子阵l和子阵3端口单元间相位差 图9 BFN2和BFN3插损、相位差 Fig.9 Insert loss and the angle of the BFN2 and BFN3 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1O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 1OO 航天器工程 25卷 Conference on Antennas and Propagation.Berlin:Eu— rAAP,2010:4014—4O18 F M Sanz,M M hervas.Dual polarized suharray for [10] [13] S D Targonski,R B Waterhouse,D M Pozar.Design of wide’。band aperture—-stacked patch microstrip antennas IJ].IEEE Trans.Antennas Propag,1998,46(9): 1245—1251 spaceborne SAR at X_band[C]//European Conference on Antennas and Propagation.Berlin:EurAAP,2009: 166—169 h.Design of a beam [14] C C Chang,R H Lee,T Y Shiswitching/steering butler matrix for phased array sys— [11] U R Kraft.An experimental study on 2×2 sequential- rotation arrays with circularly polarized microstrip ra— tem[J].IEEE Translate Antennas Propagat,2010,58 (2):1459-1466 diators[J ̄.IEEE Trans.Antennas Propagat,1997,45 [15] F V Minnaar,J C Coetzee,J Joubert.A novel ultraw- (10):1459-1466 [12] A Chen,Y Zhang,Z Chen,et a1.Development of a ka— band wideband circularly polarized 64—。element micros—_ trip antenna array with double application of the se— quential rotation feeding technique[J].IEEE Antennas Wireless Propag.Lett,2011,10:1270—1273 ideband microwave differential phase shifter[J].IEEE Transactions Oil Antennas and Propagation,1997,45 (8):1249—1252 (编辑:李多) 

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