引言

隨著衛(wèi)星批量化制造成本的降低以及衛(wèi)星運(yùn)載技術(shù)的發(fā)展，衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)通信已經(jīng)成為國(guó)際航天領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，我國(guó)也將衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)納入“十四五”新基建中。相比傳統(tǒng)的單個(gè)衛(wèi)星，高容積比的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座更加復(fù)雜，對(duì)星載相控陣提出了更高的技術(shù)要求。

首先，隨著衛(wèi)星微型化發(fā)展和空間資源的急劇減少，嚴(yán)苛限制了星載天線的包絡(luò)尺寸以及重量。平板相控陣天線由于具有極低的剖面特性非常適用于衛(wèi)星通信應(yīng)用。但是星載平板相控陣陣元目前主流通過(guò)同軸電纜、SMP、SMA等傳統(tǒng)類(lèi)型連接器和毫米波前端實(shí)現(xiàn)電氣互連，具有體積大、重量大、差損大等缺點(diǎn)。

其次，為滿足衛(wèi)星通信的寬帶通信容量需要，要求相控陣陣元具有較寬的工作帶寬。常見(jiàn)的寬帶及超寬帶天線形式主要包括Vivaid天線[1-3]、“十字”振子[4-6]、波導(dǎo)背腔天線[7-9]及多層微帶天線[10-13]等。所列舉的前三類(lèi)天線尺寸包絡(luò)較高、重量較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、批量加工一致性較差，難以滿足互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)星星座應(yīng)用低剖面、輕重量及高緊湊性的要求，也難以與當(dāng)前先進(jìn)的高密度集成封裝天線（Antena-on-Package, AOP）技術(shù)兼容。文獻(xiàn)[10-14]通過(guò)縫隙耦合的多層介質(zhì)實(shí)現(xiàn)寬帶，但是往往帶有復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)和結(jié)構(gòu)，且其在星載高低溫交變（常規(guī)±90°）的環(huán)境下時(shí)，面臨因多層介質(zhì)和中間粘接層的膨脹系數(shù)不一致導(dǎo)致分層失效的巨大風(fēng)險(xiǎn)。單層微帶天線[15-16]相對(duì)多層微帶天線在惡劣的太空環(huán)境中具有更高的可靠性，但是其工作帶寬和3 dB軸比帶寬通常較窄，難以滿足衛(wèi)星寬帶通信的需求。

針對(duì)上述難點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于Ka星載相控陣的低成本、寬覆蓋、高可靠性的圓極化單層微帶天線陣元。該陣元通過(guò)BGA植球直接與射頻前端實(shí)現(xiàn)互連，具有差損小、重量輕、成本低的特點(diǎn)，同時(shí)采用單層微帶的超表面設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)寬帶內(nèi)多個(gè)模式的激勵(lì)，突破了常規(guī)單層微帶天線帶寬窄的缺點(diǎn)，降低太空高低溫環(huán)境下天線分層失效的風(fēng)險(xiǎn)，解決現(xiàn)有星載毫米波相控陣陣元低剖面、寬帶工作問(wèn)題。

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作者信息：

康湛毓，賀連星，費(fèi)冬亮，魏曉黎，梁廣

（上海微小衛(wèi)星工程中心，上海 201304）