一种L频段低剖面有源相控阵天线设计

本文提出一种L频段低剖面有源相控阵天线，天线阵面采用微带缝隙天线和二次圆极化布阵技术，降低阵面高度，提高天线轴比性能。天线有源链路采用平面布局和高密度一体化集成技术降低整机高度。天线整机高度 < 43 mm，比同等性能的砖式相控阵天线高度降低41%，实现了相控阵天线低成本、低剖面的设计目标。

随着卫星通信业务发展，天线在通信、导航、探测等无线信息传输系统中具有极为重要的价值，电子设备逐步朝着高密度、小型化的方向发展，对天线集成度及小型化设计提出了越来越高的要求[1]。相控阵天线和平板或抛物面天线相比，天线高度较低，天线波束扫描更加灵活，波束切换速度快，可实现同口径多波束扫描功能，在卫星通信领域的应用日益广泛[2] [3] [4]。相控阵天线通过移相器和衰减器改变不同通道的相位和幅度的原理实现波束扫描赋型功能，每个天线单元通道都需要对应一路移相衰减及放大滤波通道。

由于移相功能、衰减功能、放大功能以及滤波功能都需要不同功能的分立器件实现[5] [6]， 因此天线各通道所需分立器件较多，天线系统整机尺寸较大，高度较高。为了实现有源相控阵天线系统的小型化低剖面设计，文献[7] [8] [9]提出了基于多通道波束成形芯片和PCB 高密度集成技术实现的Ka毫米波频段有源相控阵天线， 文献[7]提出的有源天线阵面高度仅3 mm， 文献[8]设计的Ka 频段发射天线单PCB 的厚度仅1.5 mm，能有效降低相控阵天线系统整机高度。文献[10] [11] [12]则应用不同工艺，SIP或SoC 技术对天线组件部分进行定制化设计，以提高组件集成度降低整机尺寸。文献[10]提出了一种基于LTCC 工艺的X 频段低剖面有源相控阵雷达(AESA)， 通过LTCC 工艺实现T/R 组件集成化设计， 实现相控阵雷达小型化设计，组件高度为20 mm。文献[11]提出了一种采用数模混合收发SoC 技术实现的S频段大功率T/R 组件设计， 收发变频和数模转换部分的有源链路采用SoC 技术集成在一个封装芯片当中， 集成后组件高度为68 mm。文献[12]提出了一种基于SIP 技术的L 频段T/R 组件，采用SIP 技术实现组件小型化设计，组件高度为22 mm。

目前文献和专利暂未公开适用于L 频段相控阵天线的通用化多通道相控阵芯片，现有技术多采用LTCC 集成工艺结合SoC、SIP 技术等满足L 频段有源相控阵天线低剖面设计需求， 但这些技术需要对产品或芯片进行定制化设计，大规模使用时才能有效降低研制成本。为适应L 频段有源相控阵天线低成本低剖面的应用需求，本文提出一种L 频段低剖面收发共口径有源相控阵天线，应用平面铺排布局技术和高密度集成一体化技术降低有源相控阵天线高度，天线整机最大高度不超过43 mm，组件高度30 mm， 比同等性能的砖式相控阵天线高度降低41%，实现相控阵天线系统低成本低剖面设计。

2. 相控阵天线设计 2.1. 整机架构 L 频段低剖面有源相控阵天线由3 × 3 天线阵列组成，采用收发共口径设计，接收天线和发射天线同频分时工作，波束支持方位360˚，俯仰±30˚扫描覆盖。天线整机由天线阵、收发组件、波控单元和功分/合路网络组成，系统组成框图如图1 所示。

为了实现天线整机的低剖面设计，降低天线整机高度，本文从天线单元形式和系统有源链路设计两方面入手对天线整机高度进行优化：天线单元设计方面，相控阵天线单元选用低剖面微带缝隙天线， 采用单馈点实现天线圆极化，无源天线布阵采用二次圆极化布阵技术，提高天线辐射轴比特性。天线有源链路设计方面，设计了一种一体化收发组件，将9 路收发组件、波束控制单元和功分/合路网络高密度集成一体化设计， 进一步压缩天线整机高度。

天线整机高度小于43 mm， 外轮廓尺寸不超过185 mm * 185 mm。