Ka频段双极化低剖面卫通相控阵天线

刘敦歌,金世超,崔 喆,刘立朋，黄 俊，梅辰钰，杨钰茜，费春娇，周 波，袁 野，龚志红

(1.航天恒星科技有限公司，北京100094;2.天地一体化信息技术国家重点实验室，北京 100094;3.中国人民解放军93160部队，北京 100071)

近年来，国内外低轨通信互联网星座发展迅猛。美国Starlink已部署近2000颗星链卫星，英国OneWeb完成近400颗卫星部署[1-4]；
国内已发射“鸿雁”“虹云”试验星，并将卫星互联网已纳入“新基建”[1-7]，成立中国卫星网络集团公司，极大促进了我国的“卫星互联网星座”体系建设。

低轨卫星通信具有低时延、大带宽、全球覆盖等优势[6-8]，随着低轨宽带通信卫星数量和通信容量的快速提升，对卫通天线提出了新的应用需求：1)支持星地覆盖区跨星跨波束快速切换[9]；
2)满足低剖面、轻量化、高集成应用需求[1-4]；
3)规模化应用或批量化应用低成本[2-3]。

传统卫通天线多采用伺服平板天线或伺服抛物面天线，响应速度慢，剖面高，重量大[4-8]难以满足应用需求。相控阵天线的波束切换可达到微秒(μs)量级，通常具有厘米(cm)级较低轮廓[9]，而且长期工作具有可靠性高，可支持极化切换与灵活赋形等优势[9-10]。

针对低轨宽带互联网天线低剖面、跨星跨波束快速切换应用需求[11-13]，本文提出了一种Ka频段圆极化可切换发射相控阵天线，天线整体采用多层PCB层叠瓦式架构，集成天线层、电源层、控制层、功分网络层和芯片层等一体，实现天线网络芯片一体化低剖面集成。天线采用十字缝隙耦合形式，双线极化合成圆极化，并采用旋转馈电实现二次圆极化，可实现60°扫描，快速波束切换以及左右旋双圆极化等功能。

1.1 架构设计

本文设计的Ka频段双圆极化可切换发射64阵元相控阵天线架构，如图1所示，整阵系统由64(8×8)个辐射微带天线单元，16个8通道多功能射频发射芯片、馈电网络和波束控制模块等组成。多功能芯片的公共端通过威尔金斯电桥网络实现合路互联，波束控制模块主要由FPGA和FLASH等组成，整板对内输入一个发射射频信号的射频连接器以及一个供电及控制数据下发低频连接器。

天线阵列每个阵元具有2个馈电过孔，分别对应“水平”(H端口)和“垂直”(V端口)馈电端口，与多功能射频幅相芯片的两个射频发射通道相连。每个多功能射频发射芯片可实现对2×2接收天线模块的相位控制与功率分配，控制天线单元端口的馈电相位差，实现天线圆极化合成与左右旋圆极化切换。同时以2×2阵列为子阵，进行相位旋转排布实现整阵二次圆极化，进一步提高天线整阵圆极化轴比，如图2所示。

图1 Ka频段64阵元发射相控阵天线子阵架构(芯片面)Fig.1 The architecture of Ka-band 64 element transmit phased array antenna array

图2 Ka频段64阵元发射相控阵天线架构Fig.2 The architecture of Ka-band 64 element transmit phased array antenna

1.2 天线叠层设计

本文研究的Ka频段双圆极化可切换发射64阵元相控阵天线采用多层板PCB混压工艺，使用盲孔、表贴、埋孔背钻等工艺实现馈电带线的垂直互联。微带天线设计在多层板的顶层及紧邻内层，通过馈电金属化过孔与底层的多功能发射射频芯片输出管脚相连；
多功能射频发射芯片的射频输入管脚通过带线及馈电过孔与板子内层的威尔金森功分网络相连；
芯片数字控制信号及供电信号通过板子内层的控制层和电源层实现互联，为减少层间干扰，电源和控制网络层的低频信号线通过金属地隔离，多层PCB板叠层结构如图3所示，天线层、控制/电源层、工分网络层、芯片层等通过多层印制板实现，实现天线板厚度在3mm以内。

图3 多层PCB叠层架构Fig.3 The multilayer PCB stack architecture

本文采用叠层缝隙耦合天线，设计了一种低剖面双线极化微带天线，其单元结构如图4所示，采用3层PCB，每层PCB之间采用半固化片压合粘接，从上到下依次为辐射贴片层、耦合缝隙层、馈线层和地板。为提高极化间隔离度，耦合缝隙层通过十字形缝隙进行耦合馈电，H极化和V极化的馈线分布在不同层，天线单元采用屏蔽孔隔离，网络采用带状线，带状线通过金属通孔与底层共面波导垂直互连，共面波导与芯片输出管脚连接。相比于普通的微带天线，本文设计的叠层缝隙耦合天线具有更宽的带宽以及更高的端口隔离度。

图4 双极化缝隙耦合天线Fig.4 The dual-polarization stacked slot-coupled antenna

为实现相控阵左右旋圆极化可切换功能，采用层叠缝隙耦合双极化耦合天线，馈电形式为双线极化馈电[14-15]，通过馈电网络产生90°相位差，同时采用2×2子阵天线单元旋转馈电排布实现二次圆极化，提高天线圆极化轴比性能。图5为2×2阵列左右旋二次圆极化馈电相位示意图。

为实现8×8阵列整体优化设计，由2×2阵列旋转组阵为8×8阵列，根据相控阵天线扫描角范围不出现栅瓣条件，图6为8×8阵列整体结构示意图。

图5 2×2阵列二次圆极化布局及馈电相位示意图Fig.5 2 × 2 array layout and schematic diagram of secondary circular polarization feed phase of array

图6 8×8阵列整体结构Fig.6 8×8 overall structure of array

利用电磁仿真软件进行全波仿真，其归一化方向图如图7和图8所示，左右旋极化天线可分别实现±60°扫描，同时左旋和右旋天线一致性好，天线扫描范围可达到±60°，副瓣电平均较低，扫描30°和60°增益分别下降1.3dB和4dB。由于采用“双线极化天线+移相控制”架构模式，左右旋极化共用同一天线，通过多功能射频发射芯片控制馈电相位，控制实现左右双圆极化及其极化切换。

图7 左旋圆极化归一化方向图@29.25GHzFig.7 The normalized pattern of left-handed circular polarization @29.25GHz

图8 右旋圆极化归一化方向图@29.25GHzFig.8 The normalized pattern of right-handed circular polarization@29.25GHz

图9所示为研制的Ka频段64阵元双极化发射相控阵天线样机，整体长宽厚尺寸分别为140mm×45mm×3mm，其中天线阵列尺寸为40mm×40mm。

图9 64阵元发射相控阵天线实物图Fig.9 The transit phased array of 64 array elements

在微波暗室对研制的64阵元发射相控阵天线进行平面近场扫描测试，如图10所示。

图10 天线暗室测试图Fig.10 The scenario of antenna in microwave anechoic chamber

天线测试方向图与轴比如图11、图12和图13所示，其法向轴比小于2dB。

在微波暗室对64阵元发射相控阵天线进行法向EIRP值测试，测试结果如表1所列，与理论值小于1dB误差，考虑到多层PCB加工误差、高低频电磁干扰、芯片焊接误差、测试误差等因素，天线设计满足要求。

图11 平面近场扫描测试三维方向图-左旋@29.25GHzFig.11 The 3D pattern of plane near-field scanning test-(left rotation @29.25GHz)

图12 左旋圆极化测试归一化方向图@29.25GHz Fig.12 The normalized pattern of left-handed circular polarization @29.25GHz

图13 右旋圆极化测试轴比@29.25GHz Fig.13 The right-handed circular polarization test axis ratio @29.25GHz

表1 64阵元相控阵发射EIRP测试值Tab.1 EIRP of transit phase array of 64 array elements

针对低轨卫星通信对天线跨星波束切换、低成本、低剖面需求，本文提出了一种Ka频段圆极化可切换卫通发射相控阵天线，整体采用瓦式层叠相控阵架构。设计了双馈口叠层十字缝隙耦合天线，采用“双线极化天线+旋转馈电+移相控制”架构，采用双馈口的叠层十字缝隙耦合天线，并以2×2阵列为主体，旋转排布实现二次圆极化，同时极化可切换，通过多层PCB工艺实现天线层、控制/电源层、功分网络层、芯片层一体化集成，研制出64阵元的圆极化可切换发射天线，测试结果表明：天线工作频段为27.5～31GHz，可实现±60°扫描，法向轴比<2dB，左右旋圆极化可切换，EIRP值可达16.5dBW@29.2Hz，厚度3mm。对卫通天线低剖面、快速波束切换等具有重要应用意义。

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