V频段星载宽角扫描圆极化阵列天线设计

李佳美, 官正涛

(中国西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

V频段星载宽角扫描圆极化阵列天线设计

李佳美, 官正涛

(中国西南电子技术研究所， 四川 成都 610036)

提出一种应用于V频段卫星通信的旋转圆极化阵列天线，阵元为圆极化微带贴片，其波束扫描状态天线轴比利用调整阵元激励幅度和激励相位的方法进行优化，从而保证该天线具备宽角扫描性能，建立8×8阵列天线模型，选取φ=0 °、φ=45 °平面进行仿真验证.仿真结果显示，60 °扫描范围内优化后，天线在给定波束指向上轴比可实现0 dB，波束指向60 °时天线增益、副瓣电平及后瓣电平可分别实现18.7、-22.3和-12.0 dB，比线极化单元形式分别提高4.0、2.4和10.1 dB.该天线在宽角扫描状态具备优良的圆极化天线性能，能够较好地满足卫星通信应用需要.

圆极化；轴比；增益；后瓣电平

0 引 言

近年来，卫星通信的应用日益广泛，其工作频段主要为L、Ka频段，而V频段60 GHz由于具备对地面站超强的抗干扰特性，有望成为未来卫星通信系统的主流频段[1].卫星通信系统的天线通常采用圆极化天线以接收各个极化方向的电磁波，其形式包括四臂螺旋[1-2]、十字交叉振子[3-4]和微带天线[5]等.其中，微带平板天线构成的低剖面动中通天线应用最为广泛[6]，但该天线形式尺寸较大，且与天线配合的伺服系统跟踪速度和精度较低.

随着卫星通信系统对星载天线测距精度和数据传输速率的要求不断提高，传统的低剖面动中通天线难以满足要求，而需要波束能在大范围内快速切换的电扫描阵列天线.对此，刘娜[7]提出了一种相控阵形式动中通天线，能够实现60 °扫描，但未进行扫描状态轴比设计，陈晓洁等[8]提出了一种宽角扫描相控阵天线，但当天线扫描至60 °时轴比恶化为6 dB，Smodlers等[9]给出了一种阵元随机旋转布阵的圆极化阵列天线形式，可以有效控制波束扫描时阵列天线的副瓣和轴比，但其应用局限于小角度扫描.在此基础上，本研究提出将旋转布阵圆极化方案应用于卫星通信系统，同时，为进一步改善圆极化天线宽角扫描状态天线轴比恶化问题，本研究采用文献[10]方法，通过调整阵元激励来优化波束扫描状态天线轴比.

1 方案确定与天线设计

1.1 方案确定

建立8×8阵列模型如图1所示，天线单元为线极化单元.选取具有代表性的φ=0 °、φ=45 °时2个平面进行仿真验证，仿真结果显示，优化后天线轴比在60 °扫描范围内给定波束指向上可实现0 dB，然而当波束指向60 °时天线增益骤降，

并且会出现一

图1 线极化单元阵列模型

个较大后瓣.该轴比优化方法会进一步恶化增益和后瓣电平，在φ=45 °时，平面恶化现象尤其严重，优化后天线增益仅14.7 dB，后瓣仅1.9 dB.为解决天线增益骤降和后瓣恶化问题，本研究最终确定采用圆极化阵元代替线极化阵元.仿真结果显示，优化后天线轴比依旧可实现给定波束指向0 dB的优化效果，φ=45 °面增益、副瓣和后瓣可分别实现18.7、-22.3和-12.0 dB，比线极化单元形式分别提高4.0、2.4和10.1 dB，表明该天线形式在宽角扫描状态具备更优良的圆极化天线性能.

1.2 天线设计

圆极化电场可由一组幅度相同，相位相差90 °的正交电场合成，微带阵列天线实现圆极化的常用方法是将阵元旋转布阵.由于旋转布阵大大降低了交叉极化电平，使阵面在法相方向具备优良的圆极化性能[11].但是，当波束指向逐渐偏离阵面法向时，天线轴比也会恶化，线极化单元形式的旋转圆极化阵列天线宽角扫描时增益下降，后瓣电平增大，以上缺陷限制了旋转圆极化阵列天线形式在相控阵领域的应用.圆极化单元同样适用于旋转圆极化阵列天线形式，与线极化单元形式旋转圆极化阵列天线相比，该形式在天线扫描时具备更加优异的圆极化性能[12].为了改善波束扫描引起的天线增益下降和后瓣电平增大现象，本研究选用圆极化天线单元作为旋转圆极化阵列天线阵元.

通常，旋转圆极化阵列天线波束扫描状态轴比恶化是由波束扫描时交叉极化电场增大引起.当阵列天线形式固定时，调整阵元激励能够改变阵列天线的主极化和交叉极化电场，可以改变阵列天线轴比.对此，文献[10]给出的轴比优化方法原理是，根据给定波束指向上阵元远场电场数据，分别计算给定波束指向上阵列中各2×2子阵(见图2)在满足圆极化条件下，各阵元实际所需激励幅度和激励相位，进而调整阵元激励实现扫描状态阵列天线轴比优化，即对下式中未知的阵元激励ai(i=1,2,3,4)进行求解，

(1)

图2 左旋圆极化2×2阵列示意图

2 仿真验证

在仿真验证中，建立圆极化阵元旋转布阵的8×8阵列天线模型(见图3)，同时，选取具有代表性的φ=0 °、φ=45 °平面上θ=20 °/40 °/60 °3个波束指向分别进行仿真验证.优化前后天线方向图及轴比仿真结果如图4～图11所示.仿真结果显示：优化后天线在60 °扫描范围内给定波束指向上轴比均得到显著优化，可实现0 dB；随着扫描角度的增大，优化后天线增益和后瓣电平稍有恶化，当扫描角θ=60 °时，优化后天线2个面的增益分别为14.8和18.7 dB，副瓣电平分别为-6.4和-22.3 dB，后瓣电平分别为-4.8和-12.0 dB.对比线极化单元形式模型仿真结果可以发现，φ=0 °平面上二者性能差异微小，而在φ=45 °平面上，扫描角θ=60 °时前者比后者的增益、副瓣和后瓣电平分别提高4.0、2.4和10.1 dB.结果证明，圆极化阵元形式的旋转圆极化阵列天线在宽角扫描时具备更优的天线性能.

图3 圆极化单元阵列模型

图4 优化前天线方向图(φ=0 °)

图5 优化前天线轴比(φ=0 °)

图6 优化前天线方向图(φ=45 °)

图7 优化前天线轴比(φ=45 °)

图8 优化后天线方向图(φ=0 °)

图9 优化后天线轴比(φ=0 °)

图10 优化后天线方向图(φ=45 °)

图11 优化后天线轴比(φ=45 °)

3 结 论

本研究设计了一种应用于V频段卫星通信的旋转圆极化阵列天线，阵元选用圆极化微带贴片，波束扫描状态天线轴比采用文献[10]提出的调整阵元激励幅度和激励相位的方法进行优化，以保证该天线具备宽角扫描性能.与线极化单元形式的旋转阵列天线相比，本阵列天线在宽角扫描状态具备更优的增益、副瓣电平及后瓣电平.仿真结果显示，8×8阵列天线在φ=0 °、φ=45 ° 2个平面上，θ=20 °/40 °/60 ° 3个波束指向上优化后天线轴比可实现0 dB.对比线极化单元形式模型仿真结果，φ=0 °平面上二者性能差异微小，而在φ=45 °平面上，当扫描角θ=60 °时，前者比后者的增益、副瓣电平和后瓣电平分别提高4.0、2.4和10.1 dB.仿真结果表明，该天线在宽角扫描状态下具备优良的圆极化天线性能，能够较好地满足卫星通信应用需求.

[1]张涛．一种用于星间链路的四臂螺旋天线研究[D].西安：西安电子科技大学，2011．

[2]白旭东，曹岸杰,唐晶晶，等．一种新型双频宽波束四臂螺旋天线的设计[J].中国电子科学研究院学报，2012，7(1):81-84.

[3]周进，王玉峰，常雷，等．一种宽波束圆极化十字阵子天线[J].通信对抗，2014,33(1):40-43．

[4]陈曦．相控阵天线相位中心及卫星通信圆极化天线研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.

[5]陶伟，赵玉军，王昕晔．一种具有宽角轴比特性的圆极化天线[J].电波科学学报，2015，30(3)：560-564.

[6]田晓青．低剖面动中通天线技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

[7]刘娜．车载星通相控阵天线关键技术研究[D].北京：北京理工大学，2015.

[8]陈晓洁，周海京．宽角扫描卫星通信相控阵天线[J].微波学报，2014,30(S2)：93-96．

[9]Smodlers A B,Visser H J.Lowside-lobecircularly-polarizedphasedarraysusingarandomsequentialrotationtechnique[J].IEEE Trans Ant Prop，2014,62(12):6476-6481．

[10]Smolders A B,Johannsen U.Axialrationenhancementforcircularly-polarizedmillimeter-wavephased-arrayusingasequentialrotationtechnique[J].IEEE Trans Ant Prop，2011,59(9):3465-3469.

[11]Huang J.Atechniqueforanarraytogeneratecircularpolarizationwithlinearlypolarizedelements[J].IEEE Trans Ant Prop，1986,34(9):1113-1124.

[12]Bhattacharyya A K.Comparisonbetweenarraysofrotatinglinearlypolarizedelementsandcircularlypolarizedelements[J].IEEE Trans Ant Prop，2008,56(9):2949-2954.

Design of Circularly-polarized Antenna with Wide Scan Angle in V-band for Satellite Communication

LIJiamei，GUANZhengtao

(Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A circularly-polarized antenna array composed of sequential rotated circularly-polarized patches is presented,which can be used in satellite communication in V-band.The axial ratio under beam scanning can be optimized by adjusting excitations of elements,which guarantees the availability of the antenna in wide scan angle.The design is verified using an 8×8 antenna array in the planes of φ=0°and φ=45°.Simulation results show that within 60° the optimized axial ratio of given scan angle can be 0 dB.When the scan angle is 60°,the realized gain, side lobe and back lobe achieve 18.7，-22.3 and -12.0 dB separately,with 4.0,2.4 and 10.1 dB higher respectively than the results of antenna composed of sequential rotated linearly-polarized patches.The excellent antenna performance in wide scan angle makes the antenna a good choice for satellite communication.

circularly-polarized;axial ratio;gain;back lobe

1004-5422(2016)04-0387-04

2016-09-09.

李佳美(1986 — )， 女， 硕士， 工程师， 从事波导裂缝阵天线与微带天线研究.

TN820.1+5

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