金宇婷，邢斯瑞，沈晨阳，常俊德，张士伟

（长光卫星技术有限公司，吉林 长春 130000）

0 引言

随着科技的迅猛发展，卫星广泛地应用在民用、军用、商业、农业、林业等各大领域[1-4]。其中，光学卫星因其诸多优点[5-7]，如：（1）数据获取较易且迅速，同时变量较广，极大降低了研究成本；（2）影像分辨率较高，满足多种使用需求；（3）数据覆盖较广，部分数据收集频率较高，且收集不受当地变故或政策变动影响。但由于星载相机的分辨率越来越高，导致图像数据日益增大，给数据下传造成了巨大压力。相比于无源定向的卫星天线[8]，相控阵天线因其高增益、可传输范围大等优点而被广泛采用[9-15]。

本文依托吉林一号卫星网络，提出了一款星载X 波段高增益小型圆极化可宽角度电扫的相控阵天线，可以满足在低轨轨道上建立稳定的无线通信，以完成吉林一号的图像视频传输任务。其性能优良,工作在X 波段，采用底馈技术和贴片开槽技术实现阵元小型化，贴片对称切角技术实现圆极化，阵列错层排布使其阵列辐射性能优良，尤其是轴比指标优化较为明显，同时相比同性能天线具有更小的尺寸。吉林一号卫星网络包含多颗视频图像卫星，此天线可为其图像视频数据下传提供无线保障，同时也为X 波段高增益圆极化可宽角度电扫的星载相控阵天线的设计提供了一种新的思路。

1 相控阵天线系统功能及组成

相控阵天线的主要功能是在卫星飞行过程中接收上位机的射频信号，进行功率放大和滤波处理，最终由天线阵面辐射出去。并且相控阵天线应实时解算上位机送过来的角度信息，并控制各个通道的相移，使得波束始终指向数据地面接收站，实现载荷数据的对地传输，保证无线信号的质量、能量和指向无误。

相控阵天线由4 大模块组成，分别是天线阵面模块、发射组件模块、波束控制模块以及电源模块。相控阵天线组成框图如图1 所示。

图1 相控阵天线组成框图

2 相控阵天线阵面设计

2.1 相控阵天线阵元设计与仿真

微带天线的结构一般由介质基板、辐射体和接地板构成。介质基板的厚度远小于天线设计的电磁波波长，基板底部的金属薄层与接地板相接，正面则通过光刻或真空镀膜技术制作具有特定形状的金属薄层作为辐射体，其形状可根据要求进行多种变化。天线基本阵元采用正方向贴片原型，其边长理论值为：

式中：c 为光速；f 为设计天线的工作频率，本设计中天线的工作频率为8.2 GHz；εr为介质基板的相对介电常数，本设计中为2.2。

本设计采用的馈电方式为底馈即同轴线馈电。其优点为馈电点位置可以自由选择，便于匹配；同轴接头位于贴片下方，由于接地板的存在，馈线对天线的辐射影响较小；同时此馈电方式与其他方式相比可以减小天线的整体尺寸，结构简单便于制作调试，便于整体小型化。

同时本设计采用在微带贴片对角线切角的方式引进微扰，当电磁波流过贴片表面时，因其路径不等，导致辐射电场分量以螺旋式前进，即形成了圆极化波，此种方式结构简单紧凑，便于制作。

采用了微带天线贴片表面开槽技术，切断了原先的表面电流路径，使电流绕槽边曲折流过而路径变长，贴片等效尺寸相对增加，谐振频率降低，进一步实现小型化。天线阵元模型如图2 所示（为突出天线阵元结构，介质基板有截取），具体尺寸如表1 所示。

图2 天线阵元模型图

表1 微带天线尺寸数据（mm）

本文采用仿真软件进行建模仿真，具体结果如下。天线阵元回波损耗仿真结果如图3 所示。由图3 可知，在谐振频率8.2 GHz 处回波损耗S11<-20 dB，10 dB 天线带宽为7.912～8.652 GHz，共0.74 GHz，相对带宽为9%，匹配性能良好。图4 为天线阵元仿真的轴比图，可以看到，中心处轴比为1.7 dB，E 面和H 面在大角度范围内都比较平滑且小于3 dB，可见圆极化性能良好。图5 为天线阵元方向图的仿真结果，

图3 天线阵元回波损耗图

图4 天线阵元轴比图

图5 天线阵元方向图

由图可知，在谐振频率法向方向增益为5.5 dB，前后比大于30 dB，半功率波瓣宽度大于100°，曲线平滑，辐射性能良好。图6 为天线阵元增益随频率变化的仿真结果。由图可知，在7.6 GHz～9 GHz 频段内，天线增益比较平滑，均大于3 dB，在中心频点8.2 GHz 处达到增益峰值5.5 dB，微带阵元辐射性能良好。

图6 天线阵元增益随频率变化图

2.2 相控阵天线阵列设计

本文设计了一款12 阵元的微带天线阵列。采用3×4的阵列排布，如图7 所示。采用相邻两排错位排布，优点如下：

图7 天线阵列结构排布图

（1）整体增益最优，辐射效率大；

（2）圆极化性能进一步提升；

（3）整体尺寸最小。

天线阵列的介质基板大小为84 mm×47 mm，介电常数为2.2。每一横排的4 个阵元为一个子阵，由一个一分四的功分电路连接在一起，3 个子阵分别和前端的3路发射通道相连接。通过仿真，整体天线阵列辐射性能良好。

3 相控阵天线发射组件模块设计

发射组件由驱动放大、馈电网络、3 个四通道组件以及结构件等组成。首先，射频信号将进入发射组件模块，经过1 个公共端，公共端包括一分三的馈电网络，其主要作用为将激励信号进行预放大和功率分配。然后信号进入3 个四通道发射模块，共分为12 路馈送到12 个天线阵元上，发射模块主要完成射频信号的放大、移相和滤波的功能。每个通道具备通道单独开断的功能，便于相控阵天线的调试与测试，同时具备采集温度信息的能力。每个组件单独供电，具有独立的数据接口，可以单独拆卸、更换，便于后续产品的升级与扩展，为其提供接口。三通道发射模块原理框图如图8 所示。

图8 三通道发射模块原理框图

本模块均选用成熟器件和工艺生产线，布局布线合理规范，保证多通道的一致性问题。同时合理选择末级功放、隔离器、输入放大器、移相器等重要器件，保证单通道通带内平坦度、三阶交调、通道间幅度不一致性、二次谐波抑制、输入驻波和移相等满足整机指标。

4 相控阵天线波束控制模块设计

波束控制单元主要由FPGA 电路、电源电路、时钟电路、下载电路、配置芯片、Flash 存储器、RS422 通信接口、温度采集电路等组成。其工作原理框图如图9 所示，主要功能如下：

图9 波束控制单元工作原理框图

（1）电源转换：由卫星电源分系统为其供电，波束控制模块内部进行二次电源转换，为波束控制单元内的各个电路提供所需的电源。

（2）解算角度：根据上位机发送过来的天线波束指向角度信息，通过计算得出各天线单元的相位，并利用查表得出各发射组件内移相器的控制数据，完成对移相器的控制，从而达到相控阵天线电扫的功能。

（3）相控阵天线状态采集：可以采集波束控制单元的工作状态信息与天线状态信息，以此可以查看相控阵天线工作的多种工况。

波束控制模块FPGA 软件功能模块分为很多子模块。指令接收模块是根据通信协议接收由上位机发送过来的串口数据，判断帧头和帧尾，并进行校验操作。指令解析与处理模块可以根据指令接收模块接收的信息，判断指令，并进行指令的处理与任务的分发与协调。遥测数据发送模块可以将需要回传的信息根据通信协议进行组帧并发送给上位机。指向精度修正模块在接收到正确的角度信息时，可以把接收到的角度数据根据插值算法和修正数据映射到新的指向角度。修正数据由整体相控阵天线整机测试提供，插值算法为一维线性插值。函数计算模块可以根据修正后的指向角度，计算出对应的正弦、余弦值。相位计算模块则根据指向角度和三角函数值计算每个通道的相位值。相位计算公式为：φ=（x·cosφ+y·sinφ）·sinθ·2π/λ，其中，φ 是方位角，θ 是俯仰角，λ 是波长。相位补偿模块把相位计算的结果与通道校准数据以及相位补偿数据相加，得到最终的相位值。移相器接口模块直接对移相器进行控制，进而达到控制整体相控阵天线波束指向的目的。参数设置模块可以由上位机软件控制数据写入和替换，可存储指向修正数据和相位补偿数据。温度数据采集模块用于采集温度遥测数据，并发送给指令回馈模块。复位模块用于实现上电初始复位和指令复位功能，方式采用异步复位、同步释放。波束控制模块FPGA 软件功能模块组成框图如图10 所示。

图10 波束控制模块FPGA 软件功能模块组成

5 相控阵天线电源模块设计

电源模块主要由DC-DC 器件构成，并配备外围滤波电路、保护电路和缓起电路。电源模块将外部一次电源供电转化为产品内部和组件所需的二次电源。电源模块电源转换框图如图11 所示。

图11 电源模块电源转换框图

在供电初始设计电源保护电路。供电母线输入处设置熔断器对供电母线进行保护，防止产品意外短路危害供电母线。熔断器使用非平衡并联形式冗余，可防止意外浪涌电流同时损坏冗余熔断器。电源保护电路框图如图12 所示。

图12 电源保护电路框图

本相控阵天线单机电源模块内EMI 滤波器和DC-DC供电入口处均含有储能滤波电容，上电瞬间呈短路（虚短）特性，将产生较大浪涌电流，对熔断器和电源母线产生冲击，因此设计浪涌抑制电路，限制上电浪涌电流。

浪涌抑制电路采用PMOS 管搭建，利用PMOS 管从截止至导通的中间高阻过程给后端电容预充电，利用PMOS 管内阻限制充电电流，可实现抑制上电浪涌电流的目的。浪涌抑制电路框图如图13 所示。

图13 浪涌抑制电路框图

本相控阵天线电源模块在DC-DC 后端设计∏型二次电源滤波，利用大、小电容和磁珠搭配抑制DC-DC 开关噪声对数字电路的影响。二次电源地对机壳设置滤波电容抑制共模干扰。同时本设计在开关电源后端和每个数字电路供电引脚就近处设置旁路电容，抑制电路高速开关对二次电源的影响。

6 相控阵天线整机测试结果

相控阵天线按照上述仿真、设计加工实物进行测试，加工实物照片如图14 所示（已加装天线罩），整体尺寸为：90 mm×110 mm×95 mm。驻波实测值如图15 所示，由图可以看出，在中心频点8.2 GHz 处，驻波比小于1.4，在相控阵天线整个工作带宽内，驻波比均小于1.6，可见此天线匹配性能良好。

图14 相控阵天线实物图

图15 相控阵天线驻波实测图

相控阵天线的实测轴比方向图如图16～图18 所示。由图16 可知，此天线阵列在谐振点处法向方向的实际增益为25.7 dB，前后比大于30 dB，半功率波瓣宽度为22.8°，最大主瓣电平与最大副瓣电平差值大于10 dB，轴比小于1 dB。根据天线阵元仿真得到的增益指标和阵元数量，可通过理论计算得出天线阵列的增益在16 dB左右，加上天线阵列后端的诸多功放增益和衰减，此相控阵天线整体增益实测值与仿真设计值吻合。由图17可知，此天线阵列在谐振点处离轴角30°、方位角270°

图16 相控阵天线实测轴比方向图（法向）

图17 相控阵天线实测轴比方向图（离轴角30°，方位角270°）

图18 相控阵天线实测轴比方向图（离轴角60°，方位角90°）

方向电扫的实际增益为25.3 dB，前后比大于30 dB，轴比为1 dB，由方向图可以看出波束最大指向与法向角度为30°。由图18 可知，此天线阵列在谐振点处离轴角60°、方位角90°方向电扫的实际增益为20.9 dB，前后比大于15 dB，轴比为1.5 dB，由方向图可以看出波束最大指向与法向角度约为53°，由于天线波束较宽，可在离轴角60°的方向上达到较好的辐射性能。

相控阵天线上电后，可以由地面检测设备查看相控阵天线的遥测数值（即它的工作状态），此时为图18的工作状态截图，如图19 所示。由图19 可知，天线工作状态正常，12 个阵元的通道开关全部打开，移相值根据实际初始调试情况确定，后续无特殊工况或故障不再进行更改。由相控阵天线的遥测可以看出当前状态下单机工作的正常情况以及工况情况。

图19 相控阵天线状态参数遥测值截图

7 结论

本文设计了一款高增益圆极化可宽角度电扫的星载相控阵天线。天线阵元采用底馈形式，利用切角技术实现圆极化，开槽技术减小结构尺寸，实现小型化。并且详细阐述了相控阵天线的组成结构。此相控阵天线经加工测试，测试结果良好，验证了此设计的合理性。该相控阵天线工作在X 频段，具有良好的辐射性能，且结构简单紧凑，可用于X 波段无线通信系统中。同时此相控阵天线对相关领域天线设计也有一定的指导意义。