V頻段星載寬角掃描圓極化陣列天線設計

李佳美, 官正濤

(中國西南電子技術研究所， 四川 成都 610036)

V頻段星載寬角掃描圓極化陣列天線設計

李佳美, 官正濤

(中國西南電子技術研究所， 四川 成都 610036)

提出一種應用于V頻段衛星通信的旋轉圓極化陣列天線，陣元為圓極化微帶貼片，其波束掃描狀態天線軸比利用調整陣元激勵幅度和激勵相位的方法進行優化，從而保證該天線具備寬角掃描性能，建立8×8陣列天線模型，選取φ=0 °、φ=45 °平面進行仿真驗證.仿真結果顯示，60 °掃描范圍內優化后，天線在給定波束指向上軸比可實現0 dB，波束指向60 °時天線增益、副瓣電平及后瓣電平可分別實現18.7、-22.3和-12.0 dB，比線極化單元形式分別提高4.0、2.4和10.1 dB.該天線在寬角掃描狀態具備優良的圓極化天線性能，能夠較好地滿足衛星通信應用需要.

圓極化；軸比；增益；后瓣電平

0 引 言

近年來，衛星通信的應用日益廣泛，其工作頻段主要為L、Ka頻段，而V頻段60 GHz由于具備對地面站超強的抗干擾特性，有望成為未來衛星通信系統的主流頻段[1].衛星通信系統的天線通常采用圓極化天線以接收各個極化方向的電磁波，其形式包括四臂螺旋[1-2]、十字交叉振子[3-4]和微帶天線[5]等.其中，微帶平板天線構成的低剖面動中通天線應用最為廣泛[6]，但該天線形式尺寸較大，且與天線配合的伺服系統跟蹤速度和精度較低.

隨著衛星通信系統對星載天線測距精度和數據傳輸速率的要求不斷提高，傳統的低剖面動中通天線難以滿足要求，而需要波束能在大范圍內快速切換的電掃描陣列天線.對此，劉娜[7]提出了一種相控陣形式動中通天線，能夠實現60 °掃描，但未進行掃描狀態軸比設計，陳曉潔等[8]提出了一種寬角掃描相控陣天線，但當天線掃描至60 °時軸比惡化為6 dB，Smodlers等[9]給出了一種陣元隨機旋轉布陣的圓極化陣列天線形式，可以有效控制波束掃描時陣列天線的副瓣和軸比，但其應用局限于小角度掃描.在此基礎上，本研究提出將旋轉布陣圓極化方案應用于衛星通信系統，同時，為進一步改善圓極化天線寬角掃描狀態天線軸比惡化問題，本研究采用文獻[10]方法，通過調整陣元激勵來優化波束掃描狀態天線軸比.

1 方案確定與天線設計

1.1 方案確定

建立8×8陣列模型如圖1所示，天線單元為線極化單元.選取具有代表性的φ=0 °、φ=45 °時2個平面進行仿真驗證，仿真結果顯示，優化后天線軸比在60 °掃描范圍內給定波束指向上可實現0 dB，然而當波束指向60 °時天線增益驟降，

并且會出現一

圖1 線極化單元陣列模型

個較大后瓣.該軸比優化方法會進一步惡化增益和后瓣電平，在φ=45 °時，平面惡化現象尤其嚴重，優化后天線增益僅14.7 dB，后瓣僅1.9 dB.為解決天線增益驟降和后瓣惡化問題，本研究最終確定采用圓極化陣元代替線極化陣元.仿真結果顯示，優化后天線軸比依舊可實現給定波束指向0 dB的優化效果，φ=45 °面增益、副瓣和后瓣可分別實現18.7、-22.3和-12.0 dB，比線極化單元形式分別提高4.0、2.4和10.1 dB，表明該天線形式在寬角掃描狀態具備更優良的圓極化天線性能.

1.2 天線設計

圓極化電場可由一組幅度相同，相位相差90 °的正交電場合成，微帶陣列天線實現圓極化的常用方法是將陣元旋轉布陣.由于旋轉布陣大大降低了交叉極化電平，使陣面在法相方向具備優良的圓極化性能[11].但是，當波束指向逐漸偏離陣面法向時，天線軸比也會惡化，線極化單元形式的旋轉圓極化陣列天線寬角掃描時增益下降，后瓣電平增大，以上缺陷限制了旋轉圓極化陣列天線形式在相控陣領域的應用.圓極化單元同樣適用于旋轉圓極化陣列天線形式，與線極化單元形式旋轉圓極化陣列天線相比，該形式在天線掃描時具備更加優異的圓極化性能[12].為了改善波束掃描引起的天線增益下降和后瓣電平增大現象，本研究選用圓極化天線單元作為旋轉圓極化陣列天線陣元.

通常，旋轉圓極化陣列天線波束掃描狀態軸比惡化是由波束掃描時交叉極化電場增大引起.當陣列天線形式固定時，調整陣元激勵能夠改變陣列天線的主極化和交叉極化電場，可以改變陣列天線軸比.對此，文獻[10]給出的軸比優化方法原理是，根據給定波束指向上陣元遠場電場數據，分別計算給定波束指向上陣列中各2×2子陣(見圖2)在滿足圓極化條件下，各陣元實際所需激勵幅度和激勵相位，進而調整陣元激勵實現掃描狀態陣列天線軸比優化，即對下式中未知的陣元激勵ai(i=1,2,3,4)進行求解，

(1)

圖2 左旋圓極化2×2陣列示意圖

2 仿真驗證

在仿真驗證中，建立圓極化陣元旋轉布陣的8×8陣列天線模型(見圖3)，同時，選取具有代表性的φ=0 °、φ=45 °平面上θ=20 °/40 °/60 °3個波束指向分別進行仿真驗證.優化前后天線方向圖及軸比仿真結果如圖4～圖11所示.仿真結果顯示：優化后天線在60 °掃描范圍內給定波束指向上軸比均得到顯著優化，可實現0 dB；隨著掃描角度的增大，優化后天線增益和后瓣電平稍有惡化，當掃描角θ=60 °時，優化后天線2個面的增益分別為14.8和18.7 dB，副瓣電平分別為-6.4和-22.3 dB，后瓣電平分別為-4.8和-12.0 dB.對比線極化單元形式模型仿真結果可以發現，φ=0 °平面上二者性能差異微小，而在φ=45 °平面上，掃描角θ=60 °時前者比后者的增益、副瓣和后瓣電平分別提高4.0、2.4和10.1 dB.結果證明，圓極化陣元形式的旋轉圓極化陣列天線在寬角掃描時具備更優的天線性能.

圖3 圓極化單元陣列模型

圖4 優化前天線方向圖(φ=0 °)

圖5 優化前天線軸比(φ=0 °)

圖6 優化前天線方向圖(φ=45 °)

圖7 優化前天線軸比(φ=45 °)

圖8 優化后天線方向圖(φ=0 °)

圖9 優化后天線軸比(φ=0 °)

圖10 優化后天線方向圖(φ=45 °)

圖11 優化后天線軸比(φ=45 °)

3 結 論

本研究設計了一種應用于V頻段衛星通信的旋轉圓極化陣列天線，陣元選用圓極化微帶貼片，波束掃描狀態天線軸比采用文獻[10]提出的調整陣元激勵幅度和激勵相位的方法進行優化，以保證該天線具備寬角掃描性能.與線極化單元形式的旋轉陣列天線相比，本陣列天線在寬角掃描狀態具備更優的增益、副瓣電平及后瓣電平.仿真結果顯示，8×8陣列天線在φ=0 °、φ=45 ° 2個平面上，θ=20 °/40 °/60 ° 3個波束指向上優化后天線軸比可實現0 dB.對比線極化單元形式模型仿真結果，φ=0 °平面上二者性能差異微小，而在φ=45 °平面上，當掃描角θ=60 °時，前者比后者的增益、副瓣電平和后瓣電平分別提高4.0、2.4和10.1 dB.仿真結果表明，該天線在寬角掃描狀態下具備優良的圓極化天線性能，能夠較好地滿足衛星通信應用需求.

[1]張濤．一種用于星間鏈路的四臂螺旋天線研究[D].西安：西安電子科技大學，2011．

[2]白旭東，曹岸杰,唐晶晶，等．一種新型雙頻寬波束四臂螺旋天線的設計[J].中國電子科學研究院學報，2012，7(1):81-84.

[3]周進，王玉峰，常雷，等．一種寬波束圓極化十字陣子天線[J].通信對抗，2014,33(1):40-43．

[4]陳曦．相控陣天線相位中心及衛星通信圓極化天線研究[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[5]陶偉，趙玉軍，王昕曄．一種具有寬角軸比特性的圓極化天線[J].電波科學學報，2015，30(3)：560-564.

[6]田曉青．低剖面動中通天線技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2011.

[7]劉娜．車載星通相控陣天線關鍵技術研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[8]陳曉潔，周海京．寬角掃描衛星通信相控陣天線[J].微波學報，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， 碩士， 工程師， 從事波導裂縫陣天線與微帶天線研究.

TN820.1+5

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