1. 引言
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。
Figure 1. Block diagram of L-band phased active array antenna composition
图1. L频段有源相控阵天线组成框图
2.2. 天线阵面设计
L频段低剖面相控阵天线，工作频段覆盖1690 MHz~1770 MHz，扫描覆盖俯仰±30˚，可实现左旋圆极化信号接收和发射功能，针对天线的应用需求实现天线阵面低剖面设计，本文选择了具有良好低剖面特性的微带缝隙天线形式。图2为天线单元及天线布阵设计，天线单元采用单馈微带缝隙天线实现天线宽带圆极化性能，天线单元厚度5 mm。天线阵面由9个单元按照3 × 3矩形布阵方式进行排布，为了进一步提高天线辐射轴比指标，拓宽天线轴比带宽，天线阵元采用顺序旋转馈电技术 [13] [14] 对天线阵面进行二次圆极化布阵设计。
Figure 2. Design of antenna unit and array
图2. 天线单元及布阵设计
2.3. 一体化收发组件设计
L频段天线单元尺寸较大，介质厚度较厚，不适合和有源链路集成采用多层PCB压合的方式进行加工，组件部分由于缺乏具有通用性的多通道相控阵芯片，为实现低成本设计采用分立器件实现信号的放大、移相功能。传统的砖式相控阵天线往往采用纵向延伸布局实现天线有源链路的系统集成设计，如图3所示，收发组件按照一定通道数量设计为独立模块，和合成网络之间采用线缆或接插件对插的方式进行连接 [6] 。天线整机高度较高，安装在阵面内部的收发组件需依靠和周围组件的接触进行散热，需采用预埋热管的方式提高内部组件的散热效果 [9] ，散热设计较为复杂，成本较高。
Figure 3. Vertically extended brick type phase array antenna
图3. 纵向延伸布局的砖式相控阵天线
本文提出的L频段低剖面有源相控阵天线，采用瓦式相控阵架构，设计了一种低成本小型化高密度集成一体化收发组件，如图4所示，组件内部集成了9路收发移相衰减通道、功分/合成网络和波束控制单元。一体化收发组件采用价格低廉的分立式元器件进行搭建，采用平面铺排的布局方式和PCB高密度集成一体化设计，降低模块高度。一体化收发组件分为上下两个部分，上层部分为一个独立PCB，集成接收组件、合成网络、波束控制单元，器件采用平面铺排的方式进行布局设计，有源链路采用多层PCB高密度集成技术实现接收组件电路、功分/合成网络、电源分配网络和波束控制网络的集成化设计；下层部分为一块独立PCB同样采用平面铺排的布局方式实现发射组件功能。下层电路和上层电路采用SMP垂直盲插的方式进行连接，减少模块之间的互联高度，进一步压缩整机高度。
Figure 4. Structure diagram of T/R module
图4. 收发组件结构示意图
收发组件的主要发热器件为发射组件部分的功率放大器，得益于组件链路的平面铺排设计特点，主要发热器件都可以紧贴收发组件的下表面结构件，利用收发组件的底部结构件进行散热，以提高收发组件的散热效率。只需要采用散热齿 + 风扇的散热方式即可实现相控阵天线的有效散热(图5)，满足复杂温度环境下天线整机正常工作要求，相比于传统相控阵天线组件预埋热管解决中间组件散热问题的方法，平面铺排的收发组件不存在中间组件的传热效率低的问题，有效提高了整机的散热效率，降低了整机热控设计成本。
Figure 5. 3D module of heat exchangers
图5. 散热方式三维模型
2.4. 天线实物及实测性能
图6为采用传统纵向布局砖式架构的L频段相控阵天线实物图片，整机高度73 mm，图7为L频段低剖面有源相控阵天线实物图片，整机高度 < 43 mm，高度相较于同等性能的砖式架构的天线高度降低了41%。
Figure 6. Photo of the L-Band brick type active phased array antenna with vertical extension
图6. 纵向布局砖式架构的L频段有源相控阵天线实物图片
Figure7. Photo of the L-Band low profile active phased array antenna
图7. L频段低剖面有源相控阵天线实物图
在暗室天线测试系统中对L频段低剖面有源相控阵天线方向图和轴比进行了测试。天线波束扫描覆盖30˚时天线增益下降小于1.5 dB，全频带扫描±30˚范围内增益下降小于2.5 dB，天线增益测试曲线见图8，详细统计数据见表1。
Figure 8. Test radiation patterns of the L-Band low profile active phased array antenna at different scanning angels (center frequency)
图8. L频段低剖面有源相控阵天线扫描方向图测试曲线(中心频点)
Table 1. Receiving active gain data of the antenna at different scanning angels
表1. 不同扫描角度的天线接收有源增益统计表
图9对比了波束指向为法向时，阵面二次圆极化布阵设计和未进行二次圆极化布阵设计的轴比测试指标，可以看出，阵面未进行二次圆极化布阵设计时，中心频点处的轴比指标较好优于3.0 dB，但高低两个边频的轴比均较差高于5.0 dB；阵面二次圆极化布阵设计后，三频轴比均优于3.0 dB。图10为阵面二次圆极化布阵设计后，波束指向俯仰30˚方位0˚时的轴比测试曲线，高中低三频的轴比均小于3.0 dB。可见二次圆极化布阵设计有效拓宽了天线的轴比带宽，提高了天线圆极化性能。L频段低剖面有源相控阵天线扫描覆盖范围内全频带轴比性能优于3 dB。
Figure 9. The testing Axis Ratio of different array arrangement (pointing normal direction)
图9. 不同布阵方式下的轴比测试曲线(波束指向法向)
Figure 10. The testing Axis Ratio of the Secondary circular polarization antenna array (pointing El = 30˚, AZ = 0˚)
图10. 二次圆极化布阵设计后的轴比测试曲线(波束指向为俯仰30˚，方位0˚)
3. 小结
为适应电子设备高密度、小型化的发展需求，从相控阵天线低成本低剖面设计角度出发，本文提出一种L频段低剖面收发共口径有源相控阵天线，工作频段覆盖1690 MHz~1770 MHz，全频带扫描增益平坦度优于2.5 dB，轴比小于3 dB，可实现天线接收G/T (天线接收增益与系统噪声温度的比值) −17 dB/K，发射EIRP (等效全向辐射功率) 26 dBW的性能指标。天线整机最大轮廓不超过185 mm * 185 mm * 43 mm，对L频段有源相控阵天线的应用发展具有重要意义。