紧凑的平面与最优稀疏阵列天线元素维度地面卫星通信终端

文摘

一种新型天线阵结构为低成本和紧凑的卫星通信移动终端。基于等振幅周期相控阵用更少的活动链数据,它具有优点包括降低体重,减少成本,和更高的功率效率比传统周期相控阵列。实现与印刷贴片天线,保证密实度。共同的元素位置和尺寸设计,一个有效的稀疏阵列合成策略需要考虑实际贴片天线设计约束,获得最大的阵列孔径的效率。可执行和实践方法为变量维度贴片天线设计,包括缺陷基质元素和小规模的数组,介绍和利用实现提出稀疏阵列。全波仿真结果证明提出的阵列天线的优势以及相应的设计方法的有效性。

1。介绍

土地和海事卫星通信(SATCOM)终端,特别是Communication-On-The-Move (COTM)应用程序中,光束控制功能是强制要求的天线。机电光束控制技术可以用来完成这项任务,但后者显著的优势包括更快的响应,低调,重量轻。在所有电子光束转向天线,相控阵天线具有终极性能的光束控制准确性,光束整形功能,和功能的灵活性。然而,相控阵的高成本限制它被广泛应用于民用和商业领域。相控阵的成本主要是由大量的活跃射频组件(例如,相移,放大器)。尽管一些经典方法减少活性成分的数量在相控阵已经被开发出来,如子阵列,这些方法不适用当广角光束控制是必需的。

稀疏阵列较少主动控制数字提供了另一种方法来降低相控阵的成本。用更少的辐射已经证明了一个数组元素位于阵列孔径可以不定期地在展览比较性能的模式塑造和旁瓣抑制(1- - - - - -3]。稀疏阵列的另一个优点是,可以使用一个等振幅励磁代替传统的圆锥形激发。在这种情况下,所有的功率放大器活跃链可以运行在最佳效率点,从而最大化DC-RF效率(4]。稀疏阵列的设计方法是首先介绍了在1960年代(5,6),近年来得到迅速发展的帮助下进步优化算法(7,8)和高效电磁计算技术。一系列问题的稀疏阵列的设计已经彻底讨论了在过去的几年中,包括模式合成(9,10],互耦效应的考虑和解决11,12,小说稀疏/减少策略[13- - - - - -15]。然而,随着内在的缺点,稀疏阵列的增加会减少辐射元素的减少数量成比例(16)和一个严格的旁瓣水平(SLL)要求是很难完成对稀疏阵列尤其是在扫描情况下(17]。这些缺点可以解释稀疏阵列天线的原因从未在卫星通信终端投入实际使用,直到现在,除了几个演示系统由ESA可能仍然远离真实的应用程序中(18]。

穷人孔径效率是稀疏阵列的基本限制如果使用相同的元素,特别是低SLL是必需的(19]。来抵消这些限制,每个元素的大小可能会引入额外的设计参数对稀疏阵列除了位置和激发的元素(14,19,20.]。设计原则、策略和辐射性能共同优化的稀疏阵列元素位置和尺寸已经彻底讨论(19,21]。相比传统的等振幅激发稀疏阵列与各向同性或相同的元素,这是所示(19],稀疏阵列的元素有不同的孔径尺寸展品更好的孔径效率,能获得和2.1分贝增益增加。一个准确和完整的设计方法还介绍了文学。然而,仍然有一些问题讨论和解决。首先,该方法在19,21)是基于理想的“最大效率”元素的利用率,根本无法实现,因此降解其有效性。其次,指出研究背景(19]是天线的空间平台,特别是的GEO卫星通信卫星有限扫描角是必需的。在这种情况下,该方法是证明稀疏阵列组成的喇叭天线的孔径尺寸不同来。它可以推断出,广角光束控制与低SLL几乎是这个数组来完成配置。我们还发现在19],这个配置更容易进行合成过程相比更典型的相控阵列的孔径通常不大于最小元素。另一方面,喇叭天线的使用避免了低调天线阵列的实现。虽然是在文献中提到其他类型的天线,如印刷补丁可以作为数组元素的解决方案,未提供进一步讨论如何修改数组合成方法根据实际天线的辐射特性,而不是理想的“最大效率”模式。

本文介绍了高效稀疏阵列合成方法和利用设计一块稀疏阵列天线。衬底技术是利用一个简单但有效的缺陷来实现贴片天线工作时具有不同孔径尺寸相同的频率。提出的合成方法和不同的贴片天线元素,一个环形稀疏阵列设计和性能评估,相比传统的周期性阵列和稀疏阵列。

本文组织如下。节2孔效率高环形稀疏阵列合成原则是简要介绍。节3设计高效环形稀疏阵列的维度变量平方孔径天线元素。一个环形稀疏阵列的设计基于不同的贴片天线元素进行部分4。节5提出稀疏阵列的性能分析和一些结论。

2。孔效率高稀疏阵列合成原则

已经证明激励之间的关系和两个天线阵列的辐射模式可以制定如下(19]: 在哪里和参考模式和激励累积函数;和是打算模仿的模式及其励磁累积函数的引用。

因此逻辑进行稀疏阵列合成的策略模仿的励磁累积函数参考目标。常见的密度逐渐减少稀疏阵列合成方法是这一战略的具体案例。另一方面,而不是计算完整的辐射模式的特定激励评估阵列合成的结果,一个人可以以激发的累积函数为评价对象。辐射的计算模式相比,可能耗时在某种程度上,累积函数的处理更加有效。

合成原理可以图形化地解释和图所示1。利用联合位置和尺寸调整励磁,累积函数可以接近参考函数。因此根据(1),相应的辐射模式可能更类似于期望是什么。详细介绍在这个问题上已在19,21]。

3所示。补丁的环形稀疏阵列天线的合成方法

COTM终端天线,没有特定的易磁化方向上半球在整个空间。因此一个圆可以被视为最合适的提议相控阵的轮廓。与此同时,为了对称模式和实现简单,环形的配置元素比矩形或三角形网格配置。因此设计将集中在环形阵列。

为了减少提出稀疏阵列的配置文件和成本,紧凑的辐射单元应该被利用而不是笨重的角或波导等。印刷片是一个成熟发达的天线与优势包括低调和低制造成本。它已广泛应用于近年来COTM终端天线(18,22卫星通信应用程序中),从而证明其可行性。由于这些原因,印刷片选为拟议中的稀疏相控阵的辐射单元。

为了使用该元素的位置和尺寸联合合成方法,先决条件是确定贴片天线的孔径尺寸。摘要维度的定义是一个虚拟的边缘长度平方辐射孔径。这个虚拟广场也可以被视为贴片天线的有效孔径,可以用下面的方程,从获得获得的表示孔径尺寸,表示虚拟广场或有效孔径,和代表了贴片天线的增益波长和操作:

贴片天线大致可以视为一个方形孔径和孔径尺寸是由(2)。合成一种高效与方形孔径环形稀疏阵列元素,第一步是获取每个同轴的环形区域的宽度提出了环形稀疏阵列,根据介绍的方法彻底19]。一旦获得每个环的宽度,然后方形孔径的尺寸元素填充环地区可以确定,作为一个部分接近但没有达到1,例如,0.8或0.9,环的宽度。每个环区域应该被尽可能多的元素填充没有重叠。所有的方形孔径应该位于圆代表环区域的几何中心。

一组说明合成结果如图2和3和表1。−25 dB SLL要求是通过一个周期环形阵列,提出一系列常规密度逐渐减少,效率高稀疏阵列。它可以注意到在图2,虽然只有30%的元素的个数,提出稀疏阵列展品几乎相同的孔径效率相比周期性阵列。这种性能远优于传统的环形稀疏阵列只有一种元素。SLL要求完成所有的三个数组,但提出了阵列的性能明显优于传统的稀疏阵列,如图3。

4所示。设计的结果一块紧凑的环形稀疏阵列天线

基于阵列的合成结果前面介绍,一种高效紧凑的环形稀疏阵列设计。设计工作包括设计印刷贴片天线的孔径尺寸和不同设计的环形稀疏阵列与贴片天线。展示在14.25 GHz频率选择,这是一个典型的实用卫星通信上行频带的价值。

4.1。贴片天线的设计有不同的光阑

根据数组合成结果,所需的孔径尺寸不同来。利用两种策略来实现这一要求,也就是说,简单缺陷衬底片和2×2数组。

以下4.4.1。缺陷对孔径尺寸不大于衬底补丁

与真实孔径天线中引入的喇叭天线等(19,23)可以轻松地定义和物理孔径的不断调整,打印贴片天线具有更严格的约束在天线孔径的尺寸。一般来说,贴片天线的大小应该有效波长的一半呢,这主要是由有效介电常数,衬底的厚度,一个修改因素代表结构的影响(例如,多层或不均匀衬底和superstrate):

为了调整印刷片的有效孔径天线在不影响操作乐队,一个可执行的解决方案是修改底物的有效介电常数。有几种方法可以用来实现这一目的,同时缺陷衬底技术将是一个最佳选择。通过消除衬底片与地平面之间的一部分,有效介电常数可以变化在一个特定的范围:具体地说,有效介电常数高,如果没有删除衬底;温和有效介电常数,如果衬底的一部分被删除(缺陷);和有效介电常数低,如果几乎所有的底物被移除。该技术原理如图所示4。

该缺陷衬底贴片天线由五部分组成:印刷辐射贴片,上基质支持补丁,缺陷的低衬底片腔构造调整天线的孔径尺寸,差动探测提供低交叉极化辐射,和地平面。上部基板应该比低薄衬底的调整效率最大化有效介电常数通过缺陷衬底技术。两层衬底结构使得它很容易进行基质去除工作。联合考虑电气和机械性能以及制造可行性、低基质的材料选择罗杰斯R0306 (T_01)和厚度是0.5毫米;上层基板的材料是选为罗杰斯RT5880 (T_02)和厚度是0.127毫米。

的主要参数的设计缺陷衬底贴片天线是缺陷的因素K_defect,它可以很容易地定义为subdefected腔的宽度之间的比率W_defect和散热片W_patch。的价值K_defect范围从0到一个特定的正数。理论上的孔径补丁可以被修改不断改变K_defect。然而,补丁维度将成为非常敏感的缺陷的大小的改变衬底腔时的价值K_defect是接近1。这种非线性响应将在制造带来不必要的困难。在这种情况下,只有三种衬底贴片天线的设计缺陷:完整的衬底的12.8毫米孔径尺寸(元素1 #);部分有缺陷的衬底的15.2毫米孔径尺寸(元素2 #),和完全有缺陷的衬底的18.3毫米孔径尺寸(元素3 #)(表2)。

4.1.2。小阵列孔径尺寸大于

可用的最大孔径尺寸的一个简单的缺陷衬底补丁。对于较大的孔径要求,小规模的数组可以被采纳。考虑对称性的辐射模式和最大孔径大小限制,只有一个2×2数组配置适合这一目的。

为了保证低交叉极化水平,成对反映元素配置在引入24)是利用。数组制造和喂养网络如图5。

为了制造简单,三种类型的阵列设计,孔径尺寸25.9毫米;28.8毫米;和33.8毫米(表3)。三种不同的元素设计在上一节中使用的设计这三个数组。

元素的性能和设计结果1 - 6 #数据中所示6和7。它可以证实E瞄准线方向的场振幅大约正比于它的孔径尺寸,每个元素和所有元素的操作频率定位在14.25 GHz虽然具有不同的孔径尺寸。

4.2。用贴片天线设计效率高稀疏阵列元素

基于数组的元素合成和设计结果,整个效率高稀疏阵列建模和模拟使用CST MW工作室。1号和2号环中心附近的元素与元素1 #实现;3日和4日环实现元素2 #;5日和6日环实现元素3 #。7日、8日、9日环实现数组元素4 #,5 #,6 #,分别。独立兴奋元素的总数是143。

总体结构数组的所有元素的组合和可分为4部分就像每个元素:辐射的补丁,上面的基质主要支持补丁,叛逃低底物实现光圈调整,地上飞机。总厚度只有0.7毫米(给网络层除外)。图8显示数组的详细模型。很明显,一个共同的PCB技术可以很容易地用来制造这个数组没有任何复杂的过程。

总结在表的特点和性能4。最明显的一点是,SLL稀疏阵列的实现。我们的研究表明,这是由于复杂的相互耦合作用。

5。技术结果与讨论

因为所有元素的提出稀疏阵列激励振幅是相同的,所有功率放大器可以操作的最佳效率点,因此整个DC-RF效率最大化。在一个典型的功率放大器DC-RF效率曲线如图10作为一个例子(4),它可以注意到放大器输出越低,DC-RF效率越低。

等效全向辐射功率(附近),它的产品是天线增益和输入功率,计算和评估三种类型的环形阵列和结果总结在图11。周期阵列作为参考的价值和价值观的人按比例绘制的图。最值得注意的点在图中,少得多的元素,提出稀疏阵列展品几乎相同的方向性的周期性的数组,通过使用密度逐渐减少,而不是幅度逐渐减少,DC-RF效率翻了一倍。至于附近值逻辑获得显著增加。

光束扫描能力是一个关键COTM终端天线的性能需求。提出稀疏阵列的扫描性能模拟和评估;有些结果见图12。

最大的栅瓣免费扫描角大约是55度的瞄准线的方向。−6分贝增益波束能够达到大约三十五度扫描角和−10分贝增益获得梁在45度左右。周期性的环形阵列相比,没有栅瓣在整个上半球,6和10−−dB扫描角是55和73度,分别。传统的环形稀疏阵列组成的相同辐射元素,也没有栅瓣在整个可见区域,和−6 dB光束扫描角是58度;−10 dB光束扫描角几乎达到水平方向上。

显然,提出稀疏阵列的波束扫描性能不是最优的,可能会限制其全球应用COTM终端。这个问题可以推断出从数组的内在缺陷密度逐渐减少(5]。然而,考虑到利用提出的稀疏阵列DC-RF效率和附近水平,这仍然是一个有前途的解决方案COTM地面和海上终端,如果部署区域限制在纬度较低的天顶角和热带地区地理通信卫星不会大于30或40度,特别是那些稳定的火车或轮船等移动平台,或车辆运行在市区或高速公路上。

如图13,光束控制增益的30度对天顶方向是26 dBi,与传统的稀疏阵列。虽然2.9 dB的增益低于周期性阵列的光束在同一扫描情况,最终附近值将预测以来几乎相同的差距可以填满一个3 dB DC-RF效率增益。也可以注意到附近的旁瓣主光束总是保持在一个低水平波束扫描的卫星通信的特点。

6。结论

一个有效的设计策略引入了效率高稀疏阵列天线。元素的位置和尺寸都是同时利用作为合成参数和优化。分析和全波仿真结果证明了方法的有效性和准确性(数字2和9和表1和4)。拟议的印花片基础稀疏阵列天线是非常紧凑,很容易以较低的成本制作的。提出稀疏阵列的孔径效率明显优于传统的稀疏阵列相同的元素和相当的周期性阵列。

提出了数组的扫描性能限制在一个相对较小的范围内。这是一个极其不利的特性COTM申请。然而,在低纬度地区问题并不严重。考虑的优势显著减少活性成分的数量,降低成本和能耗,值得注意的是,提出了天线阵的缺点是可能得到补偿。

相互耦合可能带来的不利影响稀疏阵列的性能。这是一个紧急的问题需要研究和解决稀疏阵列研究的主题。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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