基于頻率選擇表面的寬帶平面透鏡天線設(shè)計(jì)

王 瑜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

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基于頻率選擇表面的寬帶平面透鏡天線設(shè)計(jì)

王 瑜

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第20研究所，西安 710068)

基于頻率選擇表面(FSSs)，設(shè)計(jì)了一種工作于24 GHz的平面透鏡天線，通過采用通帶內(nèi)的多諧振點(diǎn)，增加頻率選擇表面的通帶帶寬以及相位的穩(wěn)定性，從而達(dá)到展寬透鏡天線工作帶寬的目的，給出了這種透鏡天線的設(shè)計(jì)理論及設(shè)計(jì)流程，分析了仿真過程及結(jié)果，并通過對(duì)方向圖的實(shí)測(cè)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論。

頻率選擇表面；平面透鏡；高增益天線；增益方向圖；電磁仿真

0 引 言

透鏡的作用是將喇叭天線、單極子等饋源輻射電磁波的球面波前轉(zhuǎn)化為平面波前，從而提高天線的增益。與反射面天線一樣，透鏡天線也是微波領(lǐng)域定向高增益天線的有效解決方案。傳統(tǒng)的透鏡天線設(shè)計(jì)可以借鑒光學(xué)透鏡的方法(光程法)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且比反射面天線更具成本優(yōu)勢(shì)。隨著印制電路板(PCB)技術(shù)的提升，使用頻率選擇表面(FSSs)替代傳統(tǒng)的透鏡逐漸進(jìn)入人們的視野[1-2]。FSSs技術(shù)應(yīng)用于透鏡天線具有易于加工、低剖面、易于與系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)，具有極高的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。

1 設(shè)計(jì)原理

圖1所示為一個(gè)典型的平面透鏡天線的結(jié)構(gòu)組成。與傳統(tǒng)的透鏡天線類似，平面透鏡天線由初級(jí)饋源和多層頻率選擇表面構(gòu)成的透鏡組成。如圖1(a)所示，初級(jí)饋源的球面波前傳經(jīng)透鏡后轉(zhuǎn)化為平面波前。圖1(a)中參數(shù)F為饋源相位中心至透鏡中心的距離，參數(shù)Ri為相位中心至頻率選擇表面陣列中的第i個(gè)單元的距離。為了增加透鏡的工作帶寬，需要使用多層頻率選擇表面的結(jié)構(gòu)以增加頻率選擇表面通帶的諧振點(diǎn)個(gè)數(shù)，如圖1(b)所示。

與傳統(tǒng)透鏡天線依據(jù)光程法設(shè)計(jì)有所不同，平面透鏡天線通過頻率選擇表面對(duì)電磁波傳輸相位的補(bǔ)償達(dá)到聚束的作用。由于饋源輻射出的球面波前到達(dá)頻率選擇表面時(shí)，相位中心與每個(gè)頻率選擇表面單元之間的路徑差導(dǎo)致了相應(yīng)的相位差，為了將球面波前轉(zhuǎn)化為平面波前，就需要頻率選擇表面單元對(duì)不同路徑的相位差予以補(bǔ)償。補(bǔ)償相位的方法有多種，本文使用等比例縮放頻率選擇表面單元尺寸來實(shí)現(xiàn)。等比例縮放會(huì)造成頻率選擇表面的頻率響應(yīng)在頻譜內(nèi)偏移，這需要頻率選擇表面有足夠的帶寬承受偏移造成的損耗增加。為了得到寬頻帶的頻率選擇表面頻率響應(yīng)特性，本文設(shè)計(jì)了一種新型多層頻率選擇表面單元結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 典型平面透鏡天線結(jié)構(gòu)

圖2 本文提出的新型多層FSSs單元幾何尺寸(單位：mm)

本文提到的多層FSSs結(jié)構(gòu)特指由2層貼片單元層和1層耦合縫隙層以及2層介質(zhì)層構(gòu)成的多層結(jié)構(gòu)。本文以24 GHz作為設(shè)計(jì)工作的頻段，選取電參數(shù)為εr=2.8以及 tanδ=0.003的1 mm厚度PCB板材。如圖2所示，貼片單元層的每個(gè)單元是由4個(gè)完全相同、依次旋轉(zhuǎn)90°的矩形貼片構(gòu)成，耦合縫隙層是由對(duì)應(yīng)4個(gè)相同矩形縫隙構(gòu)成。圖中標(biāo)注的參數(shù)a為等比例縮放參數(shù)。每個(gè)單元對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)a，從而得到不同的傳輸相位，已起到相位補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

如圖3所示，本文設(shè)計(jì)一種寬帶FSSs單元。從其頻率響應(yīng)曲線來看，該結(jié)構(gòu)具有4個(gè)諧振點(diǎn)。通?？p隙耦合式的貼片型FSSs最多具有3個(gè)諧振點(diǎn)，為了增加帶寬而又不增加單元層數(shù)，本文在設(shè)計(jì)單元時(shí)著重諧振點(diǎn)的控制。圖3中，從左至右前2個(gè)諧振點(diǎn)的諧振頻率由貼片尺寸控制。第3個(gè)諧振點(diǎn)的頻率由縫隙尺寸確定。第4個(gè)諧振點(diǎn)則由各層之間的間距控制，通過調(diào)整層間距可以使層間產(chǎn)生很強(qiáng)的能量聚合從而形成諧振。可以看出平滑的插入損耗可以保證透鏡天線增益的平坦度。

圖3 本文提出FSSs結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)曲線(a=1.08)

為了保證透鏡天線在很寬的頻帶內(nèi)工作，需要相位補(bǔ)償在很寬的頻帶內(nèi)保持穩(wěn)定。從圖4中可以看出，在單元幾何尺寸等比例縮放過程中，各曲線相位差保持穩(wěn)定。這個(gè)曲線可以與峰值增益的曲線對(duì)應(yīng)起來，在后面峰值增益的測(cè)試結(jié)果中可以印證這一點(diǎn)。

圖4 傳輸相位隨幾何縮放參數(shù)a的變化規(guī)律

2 透鏡天線設(shè)計(jì)實(shí)例與測(cè)試結(jié)果

在本節(jié)中，基于上文給出的新型FSSs單元做出了一個(gè)實(shí)際透鏡天線設(shè)計(jì)，并最終給出測(cè)試結(jié)果。本課題采用圖2所示的單元結(jié)構(gòu)，構(gòu)成一個(gè)15×15的單元陣列(總尺寸為135 mm×135 mm)。陣列中各單元的尺寸按照需要補(bǔ)償?shù)南辔恢颠M(jìn)行等比例縮放。補(bǔ)償相位值φi可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算[3]：

(1)

式中：λ0為工作頻率的波長(zhǎng)；φ0為初始相位；N為任意整數(shù)，以保證φi取值在-π～π之間。

為了抑制天線旁瓣，需要在設(shè)計(jì)中避免邊緣效應(yīng)，使饋源輻射電磁波在透鏡邊緣處的電場(chǎng)小于-15 dB。依據(jù)這一原則，得到F為108.2mm。為了減小插入損耗及保證通帶內(nèi)回波損耗，即S21>-1 dB，S11<-10 dB，結(jié)合得到的焦距F尺寸，最終確定幾何縮放參數(shù)a的選值區(qū)間為0.87～1.13。

在該取值區(qū)間內(nèi)，傳輸相位分布在-178.6°～-467.2°?；谝陨侠碚?，最終設(shè)計(jì)的透鏡結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 本文設(shè)計(jì)的平面透鏡實(shí)例

本文對(duì)圖5所示透鏡實(shí)例進(jìn)行了測(cè)試。按圖1所示構(gòu)成平面透鏡天線系統(tǒng)，分別測(cè)試了透鏡天線的峰值增益以及方向圖,如圖6、圖7所示。

圖6 仿真及實(shí)測(cè)峰值增益對(duì)比

圖7 仿真及實(shí)測(cè)方向圖對(duì)比

由圖6可以看出，測(cè)試得到的峰值增益與仿真結(jié)果非常貼合。在20～26 GHz頻帶內(nèi)，使用透鏡后增益較標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線提高10 dB以上。由圖7可以得到，在20～26 GHz頻帶內(nèi)，天線均得到了高增益、低副瓣的增益方向圖，且實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果貼合。增益大于23 dB，第一副瓣電平小于-18 dBc，符合高增益、低副瓣要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了采用相位補(bǔ)償法設(shè)計(jì)平面透鏡天線的理論，給出了一種新型具有寬帶特性的縫隙耦合型貼片F(xiàn)SSs單元。并基于這種新型寬帶單元，設(shè)計(jì)了一種在20～26 GHz頻帶內(nèi)滿足高增益、低副瓣要求的平面透鏡天線。對(duì)設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行實(shí)際加工并測(cè)試，實(shí)測(cè)結(jié)果符合仿真預(yù)期，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)理論。

[1] Shibayama R，Deguchi H，Tsuji M.Flat thin polarizer-lens based on multiple resonance behavior[A].IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest[C],2010:1-4.

[2] Datthanasombat S,Prata A,Amaro L R,Harrell J A,Spitz S,Perret J.Layered lens antennas[A].IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest[C],2001:777-780.

[3] Pozar D M.Flat lens antenna concept using aperture coupled microstrip patches[J].Electronic Letters,1996,32(23):2109-2111.

Design of Broadband Flat Lens Antenna Based on Frequency Selective Surfaces

WANG Yu

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

This paper designs a 24 GHz flat lens antenna based on frequency selective surfaces (FSSs),increases the passband bandwidth of FSSs and phase stability by using multiple resonance points within passband to extend operating bandwidth of lens antenna,presents the design theory and design flow of this lens antenna,analyzes the simulating process and result,and validates the design theory through actual test of the pattern.

frequency selective surfaces; flat lens;high gain antenna;gain pattern;electromagnetic simulation

2015-03-09

TN821.5

A

CN32-1413(2015)02-0085-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.022