星载Ka频段相控阵天线可靠性设计及仿真分析
低轨卫星对于提升宽带通信、导航定位、军事安全等领域的能力具有重要意义,星载相控阵天线是其重要组成部分。本文针对星载 Ka频段相控阵天线在轨可靠性需求和自身组成特性建立了可靠性模型,并对天线阵列选型和布局方式进行了分析,最后对星载 Ka相控阵天线出现10%单元损坏的工作场景进行了性能仿真分析。仿真结果表明,三种损坏场景下相控阵接收天线性能损失均小于0.5dB,发射天线性能损失均小于1dB,且仍有较好的天线赋形能力,可通过重置幅度和相位加权值方式提升旁瓣抑制。相控阵天线可广泛应用于低成本、长寿命低轨卫星系统。
图1 Ka接收相控阵天线可靠性模型框图
1.2
天线阵列设计
星载 Ka频段相控阵天线中耐受地球低轨空间环境的天线阵列是设备可靠关键点。天线阵列的增益、波束宽带等性能均影响整个设备性能,且天线阵列会暴露在太空环境中,因此在考虑天线设计时,不仅仅要考虑天线阵列的电气性能指标,还需着重考虑天线的环境适应性等问题。
常用星载毫米波天线主要有微带天线、振子天线及波导天线三种形式。微带天线具有大宽带、轻型化、易组装、性价比高等优势,防护设计比较复杂,而且防护方式对电性能影响较大;波导天线具有辐射性能高效、结构强度高、单元互耦小等优点,可通过加载耐辐照的聚酰亚胺材料以适应空间环境,但 Ka频段波导天线加工难度大,内部圆极化形成结构相对精细,且组装时容易变形;振子天线性能高效,可通过加载聚酰亚胺介质材料来提升空间环境适应性,并且可以单独加工,方便结构化设计,通过旋转馈电容易实现良好的轴比特性。综合考虑上述天线的特点,星载 Ka相控阵天线选择耐辐照加载聚酰亚胺材料的振子天线作为天线辐射单元。
天线布阵方式主要包括收发分置方式、收发单元复用方式及收发单元混合排布方式三种,表1对三种布阵方式进行比较分析。为充分保障收发性能和适配更多类型卫星平台,降低重量、体积、功耗需求,选择了收发分置方式。
2 性能仿真分析
相控阵接收天线性能与天线增益相关,即与天线数量正相关;而相控阵发射天线性能与天线增益和通道合成功率相关,即与(天线数量 通道数量)正相关。根据可靠性模型可知,相同单元损伤时,发射天线性能损失是接收天线性能损失的2倍。
表1 天线布阵方式比较
星载相控阵天线在扫描角度θ时不出现栅瓣的限制条件为单元间距小于λ/(1 sinθ),考虑到相控阵单元间的壁厚及结构强度,以及当同轴传播频率下限接近截止频率时驻波的劣化,并根据太空环境的耐辐照、耐原子氧等特殊环境要求,选取了介电常数为3.5的聚酰亚胺作为填充介质。该材料的常规损耗正切约为0.008,填充在天线单元中会带来一定的插入损耗,但可以从布阵方式及单元数目上对天线增益予以补偿。
2.1
满阵状态时性能仿真
针对 Ka频段相控阵天线接收部分进行了性能和冗余分析,仿真分析时设定工作频点为30GHz,最大扫描角为56°,单个天线振子结构示意图和方向图如图2所示;为提升设备集成度,星载 Ka频段相控阵接收天线采用三角形排列方式排布阵面,水平和垂直方向的阵元间距计算值分别为:dx=5.8mm,dy=5.1mm。阵面规模设定为16×30,16个射频通道构成一个组件,组件数量为30个,阵元采用矩形排布,有效阵面的面积为95.7mm×153.0mm。星载 Ka频段相控阵天线满阵正常工作时性能仿真如图3所示。由图3可知,在法向角度,天线增益为28.6dBi,旁瓣抑制为22.6dB;扫描到56°时,天线增益为24.7dBi,旁瓣抑制为21.5dB。
图3 天线及通道单元全部正常时性能仿真
2.2
损失状态时性能仿真
1)仿真场景设定星载 Ka频段相控阵天线中10%的振子天线及通道单元损坏,即在480单元中出现48个单元损坏,损坏单元分布天线阵列边角,形成7×7损坏布局方式,如图4所示。由图4可知,在法向角度,天线增益为28.2dBi,旁瓣抑制为21.8dB;扫描到56°时,天线增益为24.3dBi,旁瓣抑制为20.9dB。
图5 损坏单元集中在中心位置时性能仿真图
3)仿真场景设定星载 Ka频段相控阵天线中10%的振子天线阵列及通道单元损坏,集中在天线中心的3个组件,形成3×16损坏布局方式,如图6所示。由图6可知,在法向角度,天线增益为28.1dBi,旁瓣抑制为20.7dB;扫描到56°时,天线增益为24.2dBi,旁瓣抑制为10.9dB。
图6 损坏单元3×16分布时性能仿真
3 结论
针对星载 Ka频段相控阵天线的在轨可靠性需求和自身特点建立了设备可靠性模型,分析了天线阵列的选型和布局方式优劣性,设计了基于加载聚酰亚胺材料的振子天线三角布阵方式的 Ka频段相控阵天线,最后针对星载 Ka相控阵接收天线中10%的单元损坏时进行了仿真分析。仿真结果表明,三种损坏场景下相控阵接收天线性能损失小于0.5dB,发射天线性能损失小于1dB,且仍有较好的天线赋形能力;根据天线旁瓣抑制仿真结果可知,相控阵天线出现规律性、集中性损坏时,副瓣电平恶化较多,最大接近10dB,会造成主瓣能量损失、容易受干扰、杂散较差等情况,但是可通过在轨重置相控阵天线正常通道幅度加权值、相位加权值的方式,尽可能规避副瓣电平影响。此外,据相控阵天线波束赋形仿真情况以及相控阵天线主流移相器芯片特性与相控阵的扫描原理分析可得,相控阵天线中部分且少量单元损坏对于小角度扫描时波束指向无影响,对大扫描角指向存在微小偏差。相控阵天线的冗余特性和天线在轨重构特性可支持卫星在轨后长时间稳定服务,在卫星互联网系统中有良好的应用前景。
作者：张世层,张 冬,孙艳红,崔子卿,杨 丹
来源：河北省科学院学报