K 頻段雙極化衛星通信接收相控陣天線

時立鋒, 金世超,2, 劉敦歌,2, 吳 冰, 袁 野, 龔志紅

（1. 北京衛星信息工程研究所, 北京 100094; 2. 天地一體化信息技術國家重點實驗室,北京 100094; 3. 中國人民解放軍93160部隊, 北京 100071）

0 引言

近年來, 國外以Starlink、OneWeb 為代表的低軌寬帶通信衛星星座建設迅速推進, Starlink 已完成近2000 顆星鏈衛星部署, OneWeb 已完成394 顆衛星部署［1-4］。 國內先后發射了相關試驗衛星［2,4］,持續開展在軌驗證工作。

高低軌寬帶通信衛星數量和容量的快速提升給衛星通信終端天線提出了新的應用需求［5-9］: 第一, 終端天線支持跨星跨波束快速切換; 第二,不同場景特別是未來消費級應用場景低剖面、輕量化需求; 第三, 規?；瘧玫统杀?。

傳統終端天線采用伺服平板天線或伺服拋物面天線架構, 伺服響應速度慢、剖面高、質量大［2,4,9］。 而相控陣天線的波束切換可達到微秒（μs）量級, 具有增益高、旁瓣低、可支持波束賦形等優勢。 相控陣天線根據其物理架構可以分為磚式相控陣和瓦式相控陣兩種: 磚式相控陣發展較早,集成度較低, 整體尺寸大; 瓦式相控陣采用層間垂直互聯技術, 具有更高集成度、低剖面、小體積、小質量等優勢, 特別是近年硅基毫米波芯片低成本優勢和高密度射頻PCB 工藝技術發展為低成本衛通相控陣應用奠定了基礎［5-6］。

針對低軌寬帶衛星通信終端相控陣天線應用需求, 本文提出了一種K 頻段圓極化可切換接收相控陣天線, 天線采用疊層十字縫隙耦合形式,工作在18.5GHz～20.0GHz 頻段。 與傳統的圓極化陣列天線相比, 該瓦式相控陣天線采用雙線極化合成圓極化, 采用旋轉饋電實現二次圓極化, 進一步展寬了帶寬。 天線以2 ×2 陣列為模塊擴展為8 ×8 陣列, 采用多層PCB 疊層架構, 集成天線層、電源層、控制層、功合網絡層和芯片層等, 實現了天線網絡芯片一體化低剖面集成, 可實現快速波束掃描以及左右旋圓極化切換功能。

1 系統設計

1.1 架構設計

K 頻段極化可切換64 陣元接收相控陣天線架構如圖1 所示。 單個天線單元輸出水平極化和垂直極化兩個饋電端口, 與多功能射頻芯片的兩個射頻接收通道相連, 通過控制兩個線極化端口的饋電相位差, 實現天線圓極化合成與左右旋圓極化切換。 同時, 以2 ×2 陣列為主體進行旋轉排布以實現二次圓極化設計, 進一步提高相控陣天線圓極化軸比性能。

圖1 K 頻段64 陣元接收相控陣天線架構Fig.1 Architecture of K-band 64 element receiving phased array antenna

采用單個8 通道多功能射頻接收芯片可實現對2×2 接收天線模塊的相位控制與功率合成, 通過功合網絡可實現對16 個芯片射頻輸出信號的再次功率合成, 實現64 陣元相控陣天線的射頻信號接收。

1.2 G/T 值設計

G/T 值是相控陣天線的一項關鍵指標, 為天線增益和天線噪聲溫度的比值。 天線的G/T 值越大,代表接收系統的性能越好。 相控陣天線接收前端噪聲鏈路如圖2 所示, 空間信號經天線接收后, 通過金屬化過孔與共面波導線連接至芯片, 經過芯片進行第一級功率合成, 再經功合網絡進行第二級功率合成。

圖2 相控陣接收前端噪聲鏈路Fig.2 Noise link of phased array receiving front end

式（1）中, 天線噪聲溫度TA為150K, 傳輸線損耗LT為0.5dB, 傳輸線物理溫度Tp為290K, 射頻芯片噪聲系數NF為2.4dB, 增益G0為20dB,功合網絡損耗（含測試線纜損耗）LN為6.3dB。 經計算, 系統等效噪聲溫度Tsys為436.2K。

式（2）中,G為天線增益。 64 陣元接收天線陣列增益在頻點18.5GHz、19.2GHz 和20.0GHz 處分別為19.3dB、20.6dB 和18.8dB, 經計算對應的G/T值分別為 - 7.1dB/K、- 5.8dB/K 和-7.6dB/K。

1.3 疊層設計

相控陣為瓦式層疊架構, 采用多層PCB 混壓工藝實現。 天線印刷在多層PCB 的Top 層, 多功能射頻接收芯片經工藝封裝后表貼在多層PCB 的Bottom 層, 合成網絡、控制和饋電網絡在多層PCB內部通過基板走線實現, 天線與射頻芯片、射頻芯片與合成網絡、電源、控制網絡均通過金屬化過孔實現電連接。 具體疊層結構如圖3 所示, 天線整體厚度為3.3mm, 與傳統磚式相控陣架構相比,本文采用瓦式層間垂直互聯的疊層架構, 降低了天線整體剖面高度, 減少了射頻連接器數量, 具有低成本、低剖面、小質量等優點。

圖3 多層PCB 疊層架構Fig.3 Diagram of multi-layer PCB stacking architecture

2 相控陣單元天線與陣列設計

為實現圓極化可切換功能, 相控陣天線單元設計為雙線極化天線單元, 天線單元輸出水平極化（H 端口）和垂直極化（V 端口）兩個饋電端口。 對比了文獻結果, 采用疊層十字縫隙耦合天線, 同時以2 ×2 陣列為主體, 如圖4 所示, 進行旋轉排布以實現二次圓極化設計, 進一步提高相控陣天線圓極化軸比性能。 若天線兩個端口到射頻芯片通道的電長度相等, 則二次圓極化旋轉饋電相位示意如圖5 所示。 若電長度不相同, 則需要進行相應的相位補償。 采用二次圓極化與非二次圓極化對軸比的改善仿真結果對比如圖6 所示。

圖4 2 ×2 陣列整體結構Fig.4 Overall structure of 2 ×2 array

圖5 2 ×2 陣列二次圓極化饋電相位示意Fig.5 Schematic diagram of secondary circular polarization feeding phase for 2 ×2 array

圖6 二次圓極化對軸比的改善（2 ×2 陣列）Fig.6 Improvement of axial ratio by secondary circular polarization（2 ×2 array）

以2×2 陣列為模塊擴展為8 ×8 陣列, 利用電磁仿真軟件進行全波仿真, 其歸一化方向圖如圖7、圖8 所示, 相控陣天線可實現±60°掃描以及圓極化切換。 由于采用“雙線極化天線+移相控制” 實現雙圓極化功能切換, 左旋與右旋分時共用同一天線,因而左旋和右旋天線性能具有良好的一致性。

圖8 右旋圓極化歸一化方向圖@19.2GHzFig.8 Normalized pattern of right-handed circular polarization@19.2GHz

3 相控陣測試與分析

64 陣元接收相控陣天線樣機如圖9 所示, 整體尺寸為66mm ×160mm ×10mm, 集成了16 個多功能射頻接收芯片（共128 路衰減移相器）以及供電芯片、FPGA、Flash 等, 整板對外輸出1 個接收射頻信號的射頻連接器以及1 個供電及控制數據下發的低頻連接器。

圖9 64 陣元接收相控陣天線樣機Fig.9 Diagram of 64 element receiving phased array antenna prototype

在微波暗室對64 陣元接收相控陣天線進行平面近場掃描測試, 由于左旋與右旋具有較好的一致性, 本文僅展示左旋方向圖測試結果。 天線測試方向圖與軸比如圖10、圖11 和圖12 所示, 其法向軸比小于2dB, 掃描軸比小于4.5dB。

圖10 平面近場掃描測試三維方向圖-左旋@19.2GHzFig.10 3D pattern of plane near-field scanning test-left rotation@19.2GHz

圖11 左旋圓極化測試歸一化方向圖@19.2GHzFig.11 Normalized pattern of left-handed circular polarization test@19.2GHz

圖12 左旋圓極化測試軸比@19.2GHzFig.12 Diagram of left-handed circular polarization test axis ratio@19.2GHz

在微波暗室對64 陣元接收相控陣天線進行遠場法向G/T 值測試, 測試公式如下

式（3） 中,P為到達待測天線口徑面電平,C為測試信號電平,N0為噪聲功率譜密度,k為玻爾茲曼常量。 G/T 值測試結果如表1 所示。

表1 64 陣元接收相控陣天線G/T 值測試結果Table 1 Test results of G/T values for 64 element receiving phased array antenna

表1 所示為暗室實測G/T 值, 將其修正為對天G/T 值后, 天線在18.5GHz、19.2GHz 和20.0GHz 處對應的G/T 值分別為- 8.30dB/K、-7.00dB/K 和-8.80dB/K。 與理論值相比, 誤差分別為0.89dB/K、0.82dB/K 和1.12dB/K。 考慮到多層PCB 加工誤差、高低頻電磁干擾、芯片焊接誤差、測試誤差等, 1dB/K 誤差滿足設計使用要求。

4 結論

針對衛星互聯網對終端天線跨星波束切換、低成本、低剖面需求, 本文提出了一種K 頻段圓極化可切換衛星通信接收相控陣天線整體瓦式層疊相控陣架構, 設計了雙饋口的疊層十字縫隙耦合天線, 采用“雙線極化天線+旋轉饋電+移相控制” 模式, 基于多層PCB 混壓工藝技術, 將天線層、電源層、控制層、功合網絡層和芯片層等實現一體化集成, 研制出64 陣元的相控陣接收天線。 測試結果表明: 該相控陣天線工作頻段為18.5GHz～20.0GHz, 可實現±60°掃描, 左右旋圓極化可切換, G/T 值可達- 7.82dB/K, 厚度為3.3mm。 相比傳統磚式相控陣天線, 該相控陣天線可大幅減小剖面和質量, 擴展性好, 對相控陣天線通用化、衛通終端應用具有重要意義。