一种K频段双波束接收卫通相控阵天线

何小峰

doi:10.12265/j.cjors.2023314

一种K频段双波束接收卫通相控阵天线

何小峰^,

中国西南电子技术研究所, 成都 610036

详细信息

作者简介:
何小峰: (1990—)，男，重庆人，硕士，工程师，研究方向为毫米波相控阵天线设计。E-mail: hxf8911@163.com

通信作者:
何小峰 E-mail: hxf8911@163.com

中图分类号: TN821⁺.8
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出版历程
- 收稿日期: 2023-10-23
- 录用日期: 2024-01-17
- 网络出版日期: 2024-01-17
- 刊出日期: 2024-12-30

A K-band dual beam receiving phased array on satellite communication

HE Xiaofeng^,

Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China

摘要

摘要:
针对卫星通信终端天线双波束同时接收应用需求，研制了一款K频段双波束接收卫通相控阵天线。该天线基于板级集成天线(antenna on board, AOB)平板有源相控阵架构，实现了天线阵面、R组件、波束形成网络、波控及电源的高密度集成。对1024阵列规模的天线样机进行了加工测试，测试结果表明天线两个波束扫描范围均可达±60°，G/T≥4.22 dB/K。该天线具有剖面低、重量轻、成本低、生产效率高的特点，对平板架构的多波束有源相控阵天线的研制具有指导意义。
- 卫星通信 /
- 相控阵 /
- 多波束天线 /
- 板级集成天线 (AOB)
Abstract:
Aiming at the demand of simultaneous receiving in dual beam for satellite communication terminal antennas, a K-band dual beam receiving phased array on satellite communication is designed. The flat-panel active phased array architecture, which integrated antenna on board (AOB), is adopted to achieve high density integration of antenna, R model, beamforming network, beam controller and power supplier. A 1024-element receiving phased array antenna prototype is manufactured and tested, which shows that the antenna is able to scan to ±60° and the gain-to-noise (G/T) is no less than 4.22 dB/K. The proposed phased array has the characteristic of low profile, light weight, low cost, convenient for mass production, and is instructive for engineering research on multi-beam flat-panel active phased array.
- satellite communication /
- phased array /
- multi-beam antenna /
- antenna on board (AOB)

HTML全文

0 引　言

卫星通信具有覆盖范围广、传输距离远、通信容量大、传输质量好、组网灵活迅速和保密性高等众多优点，已成为当今极具竞争力的通信手段^[1]。在卫星通信领域，传统卫星通信应用的C、Ku频段目前已十分拥挤^[2]，并且随着高通量卫星通信、宽带低轨卫星通信的快速发展，基于先进封装的高频段毫米波平板相控阵天线将成为未来动中通天线的主流发展方向^[3]。对于低轨卫星，由于其数量多、过境速度快，需要进行频繁切星，利用双波束通信方式，实现“先连通后切断”，可以满足不同卫星之间的无缝切换^[4]。此外，双波束卫通天线还可同时对不同轨位、不同功能模式的卫星建立星地链路，支持高、低轨卫星同时工作，宽带、抗干扰模式同时使用，网管信号与业务信号的同时接收等。因此，研发一种低成本高性能的毫米波双波束相控阵天线是非常必要的。

目前，国内外针对卫通终端相控阵天线的研究大多还停留在单波束阶段：加州大学圣地亚哥分校Rebeiz教授团队，2022年基于多层印制电路板(printed circuit board, PCB)技术，研究了一款K频段单波束接收卫通相控阵天线，天线法向增益噪温比G/T≥8.1 dB/K^[5]；中国电科十所于2021年推出了应用于民航客机平台的Ka频段单波束可变极化卫星通信相控阵天线，该天线采用平板架构、圆极化捷变、稀疏布阵等技术，扫描60°范围内的等效全向辐射功率(equivalent isotropically radiated power, EIRP)≥48 dBW，G/T≥10 dB/K^[6]；东南大学与成都天锐星通于2021年联合开发了一款Ka频段单波束卫星通信相控阵天线，其采用毫米波硅基一片式芯片，收发阵列规模均为4096，天线扫描60°范围内EIRP≥47.5 dBW，G/T≥7.5 dB/K^[7]。

本文针对多轨道、多模式卫星信号同时接收的技术问题，研究了一种K频段双波束接收平板卫通相控阵天线。该天线采用基于板级集成天线(antenna on board, AOB)的平板有源相控阵架构，将天线阵面、多波束形成网络、控制、供电进行了高密度一体化集成设计^[8]，可同时完成对两颗卫星的跟踪与信号接收，并具有剖面低、重量轻、成本低、生产效率高的特点。

1 天线总体设计

双波束接收相控阵天线主要由天线阵面、R组件、波束形成网络、波控、电源组成。区别于传统砖式、瓦式架构相控阵天线模块化的设计思路，本文选择基于AOB架构的高密度集成平板相控阵天线形式，如图1所示，其将天线阵面、波束形成网络、波控、电源集成于一数模混合的多功能一体化母板内。该母板中的各功能模块通过内部电路走线实现电气互连；R组件采用系统级封装集成(system in package, SIP)技术，将有源芯片完全集成于封装管壳中，保证芯片气密性的同时，降低R组件的高度及重量，实现R组件的小型化、器件化；多功能一体化母板与R组件通过自动化表贴的方式完成信号的传输，无需额外接插件进行电气互连，降低了天线高度，减小了各功能模块间的互连损耗，同时也节约了天线相关的成本。

图 1 平板相控阵天线架构示意图

Fig. 1 Schematic of the flat-panel phased array

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双波束接收相控阵天线原理框图如图2所示。首先，接收射频多波束信号从天线阵面进入，经过一组低噪声放大器，对接收频段信号进行放大，其中为提高芯片集成度，低噪声放大器内部集成有发阻滤波器，用于抑制接收带外大功率的发射射频信号；然后，接收信号经过8通道幅相多功能芯片，分别对来自不同波束的射频信号进行移相、放大以及子阵级功率合成；最后，经过双波束功率合成网络对两个波束的射频信号进行合成输出。

图 2 双波束接收相控阵天线原理框图

Fig. 2 Block of the dual beam receiving phased array

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天线射频部分拓扑结构如图3所示，天线阵列规模为32×32共计1024阵元(图中圆形)，其中2×2阵元形成一个小子阵，每个子阵后端配有一只球栅阵列(ball grid array, BGA)封装的R组件(图中矩形)，R组件数量为256只，其输出给2路256合1的双波束合成网络，用于全阵接收信号的合成。

图 3 天线射频部分拓扑示意图

Fig. 3 Topology diagram of the antenna RF section

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多功能一体化母板采用高低频数模混压多层PCB工艺技术，实现天线阵面、波束形成网络、波控及电源的高密度集成，其叠层如图4所示。多功能一体化母板主要分3大部分，18层图案，共计3次压合，整体厚度4.1 mm，其中L1～L3为射频接收天线，采用双层辐射贴片来增加天线带宽，天线馈电孔与底部R组件直接互联，避免传统射频连接器的使用；L4～L13为低频供电及控制，各低频信号走线通过接地层隔离，避免相互干扰；L14～L18为双波束合成网络，采用带状线威尔金森形式，隔离电阻采用埋阻工艺一体混压而成，两组波束合成网络共用接地屏蔽孔，减少打孔数量。采用上述设计，可以实现双波束相控阵天线的高密度集成、低剖面、轻量化和低成本，同时便于自动化批量生产。

图 4 多功能一体化母板叠层图

Fig. 4 Laminated diagram of the multi-function integrated motherboard

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2 天线阵面设计

微带天线具有剖面低、成本低、集成容易等优点，十分契合多层混压PCB工艺加工^[8]，但传统的微带天线存在带宽窄、高频损耗大的缺点，对此，本文针对K频段接收卫星通信天线宽带圆极化的应用需求，设计了一款具有互补结构的宽带右旋圆极化(right-hand circular polarization, RHCP)微带天线单元，其结构如图5所示。

图 5 天线阵元示意图

Fig. 5 Schematic of the antenna element

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天线阵元采用直径为0.3 mm的探针单点馈电的双层耦合微带天线形式，上下层贴片分别通过切角和枝节加载来形成圆极化，并且两者方向相差90°，相互正交，形成互补结构，可以有效地优化天线在方位面上的等化性，最底层为天线地板。天线上、下层介质基板介电常数均为3，其中上层介质板厚度0.508 mm，下层介质板厚度0.254 mm，上、下层介质基板之间以及下层基板与地板间还包含有介电常数为2.8、厚度为0.1 mm的半固化片，用于多层板间的层压粘接。天线结构尺寸如图6所示，其中a₁=b₁=3.52 mm，L_f=1.425 mm，L_s=4.88 mm，W_s=1.27 mm，t_s=0.5 mm，a₂=b₂=3.52 mm。对天线单元进行仿真，结果如图7所示，其回波损耗S₁₁在工作频段内(相对带宽7.8%)小于−15 dB，天线增益大于6.5 dBi，轴比(axial ratio, AR)小于5 dB。

为有效提高天线组阵后的AR带宽，增加天线阵列增益，降低交叉极化电平，采用2×2子阵顺序旋转馈电技术^[9]组阵，如图8所示。天线单元间距为7 mm(0.476λ)，除顺序旋转外，还进行了适当错位，以保证馈电点位置与R组件接口适配。

图 6 天线阵元结构图

Fig. 6 Structure of the proposed antenna element

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图 7 天线阵元仿真结果

Fig. 7 Simulated results of the antenna element

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图 8 2×2 子阵俯视图结构

Fig. 8 Top view of the 2×2 sub array structure

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2×2子阵的仿真结果如图9所示，可以看出：AR小于0.2 dB，较天线单个阵元有明显的优化；两间隔最近的单元隔离度小于−18 dB；扫描到60°时，最大有源电压驻波比(voltage standing wave ratio, VSWR)小于3。该子阵具有良好的可扩展性，便于天线进行大规模组阵，如图10所示为1024全阵天线的仿真模型图，其仿真方向图如图11所示，中心频点扫描0°时增益为34.5 dBi，扫描60°时增益为30.42 dBi。

图 9 2×2子阵仿真结果

Fig. 9 Simulated result of 2×2 sub array

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图 10 1024全阵天线仿真模型图

Fig. 10 The simulation model of the 1024 full antenna array

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图 11 1024全阵天线辐射仿真方向图

Fig. 11 The simulated radiation pattern of the 1024 full antenna array

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3 双波束R组件设计

R组件是相控阵天线的核心部件，主要实现接收信号低噪声放大、通道移相以及双波束子阵级功率合成，其内部组成框图如图12所示。

图 12 相控阵接收芯片(R组件)框图

Fig. 12 Block diagram of the phased array receiving chip (R module)

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R组件采用微系统SIP技术，将4只砷化镓低噪声放大器芯片与1只8通道硅基多功能芯片集成于高温陶瓷管壳内，管壳底部植有直径0.5 mm、节距0.8 mm的BGA球，如图13所示为R组件实物照片图，其外形尺寸为10.2 mm×10.2 mm×3.1 mm。经测试，该R组件噪声系数在工作频段内小于1.9 dB，不仅具有噪声系数低的性能优点，还可实现多通道移相、衰减的高密度集成。

图 13 R组件实物图

Fig. 13 Photo of the R module

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4 天线G/T值论证

对于接收有源相控阵天线，G/T值为一项重要技术指标，其可以衡量天线在一定噪声温度下的接收能力。根据G/T值定义，接收相控阵天线的G/T值可由下式计算得出：

$G/T = G - 10\lg \left( T \right)$

(1)

天线系统总体噪声温度T由天线阵面噪声温度T_ant和接收通道链路的噪声系数F决定，有

$T = {T_{{\text{ant}}}} + (F - 1){T_0}$

(2)

式中，T₀为环境温度常数，取值290 K。T_ant由两部分组成，一是天线本身材料的损耗引起的热噪声T_p，二是天线接收到的环境噪声T_b，表达式为：

${T_{{\text{ant}}}} = \eta {T_{\text{b}}} + {T_{\text{p}}} = \eta {T_{\text{b}}} + (1 - \eta ){T_0}$

(3)

${T_{\text{b}}} = \frac{1}{{4{\text{π }}}} \int \limits_0^{2{\text{π }}} \int \limits_0^{\text{π }} D(\theta ,\varphi ){T_{\text{B}}}(\theta ,\varphi){\text{sin}}\;\theta {\text{d}}\theta {\text{d}}\varphi$

(4)

式中：η为天线效率；D为天线的归一化方向性系数；T_B为背景天空的噪声温度分布。根据天线仿真辐射方向图，计算可得T_b为83 K，同时根据仿真结果天线效率约为95%，由式(3)可得，天线阵面噪声温度T_ant为93.35 K。

接收天线系统的噪声系数F主要受射频前级的影响较大，天线接收前级分别为垂直过渡结构、低噪声放大器、移相器以及功率合成网络，根据链路仿真计算，可得出整个接收相控阵天线系统的噪声系数为2.41 dB，根据式(2)可计算得到T为308.5 K (24.89 dBK)。

天线法向增益为34.50 dBi，扫描60°增益为30.42 dBi，因此根据式(1)可计算得出接收相控阵天线法向G/T理论设计值为9.61 dB/K，扫描60°时为5.53 dB/K。

5 天线样机测试

基于以上设计技术，本文对1024阵元双波束接收相控阵天线进行实物加工与装配，并在微波暗室中对天线进行测试，天线照片如图14所示。图15为天线两个波束在低、中、高三个频段不同扫描角度时的实测归一化辐射方向图，可以看到天线扫描60°时电平最大下降4.67 dB。天线G/T与AR实测值如表1所示，其中两个波束法向G/T最低值为8.68 dB/K，扫描60°范围内G/T最低值为4.22 dB/K，与理论值相差1 dB左右，符合设计要求；天线法向AR最大值为0.64 dB，扫描60°范围内AR最大值为4.39 dB，满足工程上小于6 dB的使用要求。

图 14 天线实物图

Fig. 14 Photo of the antenna

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图 15 天线实测归一化方向图

Fig. 15 Measured normalization patterns of the antenna

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表 1 天线G/T与AR实测结果

Tab. 1 Measured G/T and AR of the antenna

频率/GHz	扫描角度/(°)	(G/T)/(dB·K⁻¹)		AR/dB
频率/GHz	扫描角度/(°)	波束1	波束2	波束1	波束2
f_L	0	8.82	8.94	0.48	0.41
f₀	0	9.06	9.23	0.64	0.63
f_H	0	8.68	8.89	0.60	0.62
f_L	60	4.31	4.63	3.67	3.55
f₀	60	4.71	5.21	4.31	4.39
f_H	60	4.25	4.22	3.56	3.96

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本文天线与相关文献天线性能比较如表2所示，可以看出本文所提出的天线在同等阵列规模1024阵元下G/T值最高(文献[7]中全阵规模为4096，因此1024阵元等效G/T为11.5−6=5.5 dB/K)，并且实现了从单一波束到两个波束的提升，可以很好解决目前K频段卫通天线多轨道、多模式卫星信号同时接收的技术问题。

表 2 本文天线与已发表的相关天线的性能对比

Tab. 2 Performance comparison of the antennas among this paper and related literatures

天线	频段	阵列规模	波束数目	扫描范围	副瓣电平/dB	法向AR	法向(G/T)/(dB·K⁻¹)
本文	K频段	1024	2	±60°	<−13	<0.64	8.68
UCSD^[5]	17.7～20.2 GHz	1024	1	±70°	<−11	-	8.10
天锐星通^[7]	17.7～21.2 GHz	4096	1	±60°	<−13	<1.0	11.5

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6 结　论

本文研究了一种基于AOB架构的K波段双波束接收平板卫通相控阵天线，采用高低频数模混压多层PCB工艺技术，实现了天线阵面、波束形成网络、波控及电源的高密度集成，同时利用微系统SIP技术，完成了R组件的小型化与器件化设计。在此基础上，对1024阵列规模的天线子阵样机进行了加工测试，测试结果表明天线两个波束一致性较好，法向G/T≥8.68 dB/K，扫描±60°时G/T≥4.22 dB/K。本文的解决方案为AOB架构的多波束有平板源相控阵天线设计提供了一种可行的参考，后续将对多个1024规模的天线子板进行拼接扩展，并与卫通终端进行对星联试，以验证天线的实际应用效果。

图 1 平板相控阵天线架构示意图

Fig. 1 Schematic of the flat-panel phased array

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图 2 双波束接收相控阵天线原理框图

Fig. 2 Block of the dual beam receiving phased array

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图 3 天线射频部分拓扑示意图

Fig. 3 Topology diagram of the antenna RF section

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图 4 多功能一体化母板叠层图

Fig. 4 Laminated diagram of the multi-function integrated motherboard

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图 5 天线阵元示意图

Fig. 5 Schematic of the antenna element

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图 6 天线阵元结构图

Fig. 6 Structure of the proposed antenna element

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图 7 天线阵元仿真结果

Fig. 7 Simulated results of the antenna element

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图 8 2×2 子阵俯视图结构

Fig. 8 Top view of the 2×2 sub array structure

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图 9 2×2子阵仿真结果

Fig. 9 Simulated result of 2×2 sub array

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图 10 1024全阵天线仿真模型图

Fig. 10 The simulation model of the 1024 full antenna array

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图 11 1024全阵天线辐射仿真方向图

Fig. 11 The simulated radiation pattern of the 1024 full antenna array

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图 12 相控阵接收芯片(R组件)框图

Fig. 12 Block diagram of the phased array receiving chip (R module)

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图 13 R组件实物图

Fig. 13 Photo of the R module

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图 14 天线实物图

Fig. 14 Photo of the antenna

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图 15 天线实测归一化方向图

Fig. 15 Measured normalization patterns of the antenna

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表 1 天线G/T与AR实测结果

Tab. 1 Measured G/T and AR of the antenna

频率/GHz	扫描角度/(°)	(G/T)/(dB·K⁻¹)		AR/dB
频率/GHz	扫描角度/(°)	波束1	波束2	波束1	波束2
f_L	0	8.82	8.94	0.48	0.41
f₀	0	9.06	9.23	0.64	0.63
f_H	0	8.68	8.89	0.60	0.62
f_L	60	4.31	4.63	3.67	3.55
f₀	60	4.71	5.21	4.31	4.39
f_H	60	4.25	4.22	3.56	3.96

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表 2 本文天线与已发表的相关天线的性能对比

Tab. 2 Performance comparison of the antennas among this paper and related literatures

天线	频段	阵列规模	波束数目	扫描范围	副瓣电平/dB	法向AR	法向(G/T)/(dB·K⁻¹)
本文	K频段	1024	2	±60°	<−13	<0.64	8.68
UCSD^[5]	17.7～20.2 GHz	1024	1	±70°	<−11	-	8.10
天锐星通^[7]	17.7～21.2 GHz	4096	1	±60°	<−13	<1.0	11.5

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参考文献(9)

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0 引　言
1 天线总体设计
2 天线阵面设计
3 双波束R组件设计
4 天线G/T值论证
5 天线样机测试
6 结　论

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一种K频段双波束接收卫通相控阵天线

作者简介:
何小峰: (1990—)，男，重庆人，硕士，工程师，研究方向为毫米波相控阵天线设计。E-mail: hxf8911@163.com

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