箭载宽角扫描圆极化共形相控阵天线

陈旷达，孙 竹，张继浩

（上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109）

箭载宽角扫描圆极化共形相控阵天线

陈旷达，孙 竹，张继浩

（上海航天电子通讯设备研究所，上海 201109）

箭载中继用户终端对发射天线指向的扫描速率、波束覆盖范围均提出了很高的要求。相控阵天线的快速无惯性扫描能力适合上述应用要求。介绍了一副箭载宽角扫描圆极化相控阵天线的设计方法，设计并加工了一副天线样阵，设计中采用了圆极化微带单元、共形阵列结构和顺序旋转排列馈电。测试结果表明：天线可以实现方位±60°、俯仰±45°内的二维电扫描。在上述覆盖空域内，天线增益的变化为13．2～17．2 dBi，主波束轴比小于5．8 dB，半功率波束宽度为20°～40°。天线的各项指标满足中继发射天线的要求。

宽角扫描；共形相控阵天线；圆极化阵列天线

0 引言

随着中继卫星的部署，基于中继卫星系统的天基测控技术将在航天器的飞行测控中发挥愈加重要的作用。中继用户终端安装在运载火箭上，将火箭的各种数据通过发射天线传向中继卫星［1，2］。

由于火箭的飞行速度很快，且飞行过程中的位置坐标、偏航角和滚动角参数的变化范围较大，因此对发射天线指向的扫描速率、波束覆盖范围提出了相当高的要求。理论研究表明：天线波束应有效覆盖方位±60°、俯仰±40°［3，4］、天线波束宽度大于20°，才能确保火箭飞行过程中覆盖中继卫星。相控阵天线具备快速无惯性扫描能力，适合上述应用要求。文献［5，6］介绍了一副箭载共形相控阵天线的阵列和波控系统设计，仿真和测试结果显示：天线在方位面的扫描范围为±60°。

为了实现二维宽角扫描覆盖，本文介绍了一副宽角扫描共形圆极化相控阵天线的设计方法。针对箭载中继发射天线对共形安装、宽角扫描覆盖以及主波束内的轴比指标要求，对阵列结构设计、阵列单元方向图设计及馈电方式进行了研究。

1 箭载相控阵天线的设计

在火箭全部或部分飞行段，中继发射天线的主波束必须覆盖中继卫星。因此，天线必须实现宽角扫描覆盖。根据文献研究，波束应能扫描覆盖方位±60°、俯仰±45°的空域［3］。考虑到天线安装精度、火箭姿态角偏差和波束指向偏差造成的影响，天线半功率波束应大于10°［4］。同时，必须保证主波束内的圆极化纯度，减小因极化失配造成的链路损耗。

1.1 天线阵列设计

因空气动力学原因，箭载阵列天线应具备低剖面并且和火箭舱体共形。因此，天线阵面设计成一个正多边体，其外接圆半径与火箭半径相同。阵列结构示意图如图1所示。与平面相控阵相比，曲面相控阵的扫描范围有所增加［7］。

图1 共形柱面阵列结构示意

根据天线阵列理论，一个分布在任意曲面上的N元阵列的阵因子可表示为：

式中，pi（θ，φ）为第i个阵列单元的方向图；ψi为第i个阵列单元的激励相位。

如图1所示，第n行m列的单元坐标为：

式中，R为柱面内接圆半径；ds为单元弧间距；dz为单元行间距。

对于一个阵面尺寸为L1×L2的天线阵列，其增益可表示为：

式中，α为方位扫描角；β为俯仰扫描角。设天线的尺寸为L1＝2．8λ0，L2＝1．8λ0，η＝0．9。波束扫描角为α＝60°、β＝45°时，天线增益约为13 dBi。

1.2 天线单元设计

微带天线剖面低、重量轻、易于产生圆极化，是共形天线的常用单元形式。微带天线实现圆极化的常见方法有单馈点和双馈点2种。单馈点设计在微带贴片上引入微扰，通过调整微扰的尺寸，可以产生2个幅度相等、相位相差90°的正交场分量，在较窄的频带上产生圆极化波。单馈点圆极化贴片的带宽为1%～3%，足以满足中继终端对天线带宽的要求［8］。

设计的微带贴片单元（1组4个单元）如图2所示。圆周上蚀刻出2个对称的矩形槽作为微扰元。贴片圆周上还刻有2条隙缝，用于抵消输入阻抗在谐振频率附近的感抗，改善天线驻波比。

图2 圆极化微带贴片示意

阵列单元的波束宽度对宽角扫描时增益和旁瓣电平有一定影响［7］。阵列口径较小时，影响更加显著。假设单元方向图按照cos（αθ）变化（参数a由3 dB波束宽度确定），通过式（1）对一个6行×4列的天线扫描方向图进行计算。方位扫描角为＋60°时，使用不同波束宽度的单元方向图计算得到的阵列方向图如图3所示，阵列列间距为0．47λ0，行间距为0．45λ0。

图3 方位面扫描方向图（计算）

从计算结果发现：宽角扫描时，如果单元波束较窄，方向图的旁瓣电平会抬高，由此减小主瓣的辐射功率，＋60°覆盖角上的方向系数会减小。因此，为了满足宽角扫描要求，单元的波束宽度应与扫描角大小接近。

微带贴片的3 dB波束宽度通常为80°～90°，接地板的尺寸对其方向图会产生很大的影响。对于箭载天线，火箭舱段作为延伸的接地板，可以显著展宽单元波束。6行×4列阵列中心单元的实测归一化方向图如图4所示。测试时，阵列安装在模拟舱段上，舱段尺寸为9λ0×5λ0。2个主切面的波束宽度为120°×97°，与方位、俯仰面的扫描范围接近，可以作为宽角扫描相控阵天线的单元。

图4 阵列中心单元归一化方向图

1.3 阵列单元的排列和馈电

单馈点圆极化贴片在±30°的波束内轴比小于3 dB［8，9］，而当扫描角大于30°时，轴比会变差。单元间互耦也会严重恶化单元轴比。为了改善主瓣内的轴比，可以将4个单元作为一组，采用顺序旋转法进行馈电［10］。如图2所示，同一组的单元逐个按顺时针旋转90°，并在赋相时在原相位上逐个增加90°，形成右旋圆极化波。采用顺序旋转法馈电，可以有效地改善波束扫描时主瓣内的轴比。波束扫描覆盖＋60°时，使用顺序旋转法前后主瓣内轴比的仿真曲线如图5所示。

图5 方位扫描覆盖＋60°时主瓣内的仿真轴比

采用顺序旋转法后，3 dB波束内的轴比小于3 dB，且优于不使用顺序旋转法时的轴比。

2 箭载共形相控阵天线的仿真设计

按图1所示的阵列结构，设计了一个6行×4列的柱面阵列，ds＝0．47λ0，dz＝0．45λ0。

使用HFSS13．0建立天线阵列模型进行仿真设计。模型中包含9λ0×5λ0的模拟舱段。天线在方位、俯仰向一维扫描时仿真和实测的归一化方向图如图6和图7所示。可以看出，天线波束扫描覆盖＋60°时，＋60°处的增益下降4 dB。波束扫描时，半功率波束内仿真的轴比如表1所示。天线在方位向扫描覆盖＋60°时，半功率波束内的轴比小于3 dB；天线在俯仰向扫描覆盖＋45°时，半功率波束内的轴比小于3．8 dB。

图6 方位面扫描方向图

图7 俯仰面扫描方向图

表1 半功率波束内的轴比

3 箭载共形相控阵天线的测试

为了验证设计方案，研制了一部天线样机，包含天线阵面、馈电网络、电源、波控器和T组件。天线阵列本体尺寸为3．3λ0×2．1λ0。每个T组件的输出功率为1 W。天线方向图使用NSI公司的近场测试系统进行测量。测试时，天线安装在模拟舱段上。从图6和图7可以看出，实测和仿真方向图吻合得很好，证明仿真设计的准确性。测试结果表明，波束方位扫描覆盖±60°时，半功率波束内的轴比不超过3 dB；波束俯仰扫描覆盖±45°时，半功率波束内的轴比不超过5 dB。实测轴比和仿真轴比存在差别，主要是天线单元的激励幅相和理论值有差别，形成的电磁波的圆极化纯度受到影响。

测试时，对天线在方位±60°、俯仰±45°内二维扫描的方向图做了较完整的测试，并对天线增益进行了标定。测试结果表明，天线波束在上述空域内扫描时，增益变化范围为13．2～17．2 dBi；半功率波束范围内的轴比最大值为5．8 dB；半功率波束宽度为20°～40°。天线指标可满足中继发射天线的要求。

4 结束语

介绍了一副宽角扫描共形圆极化相控阵天线的设计方法，研究了单元波束宽度对宽角扫描增益的影响，以及采用顺序旋转法馈电对宽角扫描时轴比的改善情况。通过样机的测试，验证了设计方法的正确性。上述方法设计方法可以推广应用于更大尺寸的宽角扫描共形相控阵天线。例如，采用顺序旋转法馈电时，可以使用更多的单元作为一组，获得更好的轴比指标。

［1］张 强，裴 胤，王小辉，等．基于中继卫星的运载火箭天基测控系统研究［J］．遥测遥控，2014，35（1）：18－22．

［2］李艳华，卢满宏．天基测控系统应用发展趋势探讨［J］．飞行器测控学报，2012，31（4）：1－5．

［3］张劲松，刘 靖，高祥武．基于中继卫星的运载火箭遥测传输技术［J］．导弹与航天运载技术，2009（6）：11－15．

［4］刘 靖，宋岳鹏．运载火箭天基测控天线覆盖性能分析［J］，遥测遥控，2012，33（5）：51－55．

［5］康德地，吴 斌，王绍山．箭载共形相控阵天线波控系统设计分析［J］．无线电工程，2010，40（7）：32－39．

［6］康德地，吴 斌．箭载共形相控阵天线设计仿真与测试［J］．飞行器测控学报，2010，29（2）：1－6．

［7］HUANG M D，M．HERBEN H A J．Effects of Bending a Planar Antenna on Its Scanning Performance［C］∥2010 Proceedings of the Fourth European Conference on Anten-nas and Propagation，Publication Year，2010：1－5．

［8］MAK Ka Ming，LUK Kwai Man．A Circularly-Polarized Antenna with Wide Axial Ratio Beamwidth［J］．Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，2010，57（10）：3 309－3 312．

［9］刘 洋，王 昕，董 涛．一种新型Ka频段圆极化微带天线设计［J］．无线电工程，2012，42（5）：40－41．

［10］HALL P S．Design Principles of Sequentially Fed，Wide Bandwidth，CircularlyPolarizedMicrostripAntennas［C］∥Microwaves，Antennas and Propagation，IEE Pro-ceedings H，1989，136（5）：381－389．

A Design of Rocket-Borne Conformal Circularly-polarized Phased Array with Wide Scan Range

CHEN Kuang-da，SUN Zhu，ZHANG Ji-hao
（Shanghai Aerospace Electronics and Communication Equipment Research Institute，Shanghai 201109，China）

The rocket-borne relay terminal has high requirements on transmitting antenna in terms of scanning speed and beam coverage．Phased array is a suitable alternative for that application due to its rapid and inertia-free beam steering ability．The paper intro-duces a design of rocket-borne circularly-polarized phased array with wide scan range．In the design of the array，circularly-polarized microstrip patch is selected as the radiating element and a conformal structure is used．The sequential rotation feeding is also implemen-ted．A prototype phased array is designed and fabricated following the procedure proposed．The test results show the antenna is able to cover±60°in azimuth and±45°in elevation．The antenna gain varies from 13．2 dBi to 17．2 dBi in the above scan range．The axial ratio in the main beam is better than 5．8 dB and HPBW is 20°to 40°。The specifications of the prototype satisfy the requirements on the transmitting antenna of relay terminal．

wide-angle scan range；conformal phased array；circularly polarized array

TN015

A

1003－3106（2015）07－0071－04

10．3969／j．issn．1003－3106．2015．07．19

陈旷达，孙 竹，张继浩．箭载宽角扫描圆极化共形相控阵天线［J］．无线电工程，2015，45（7）：71－74．

陈旷达男，（1983—），硕士研究生，工程师。主要研究方向：天馈线设计。

2015-04-07

孙 竹男，（1982—），博士研究生，工程师。主要研究方向：天馈线设计。