波束掃描微帶反射陣天線設(shè)計(jì)

陳宏偉,張廣求,雷 雪,吳君默,孫武劍

(1.信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南鄭州 450002；2.中國(guó)北方電子設(shè)備研究所,北京 100876)

波束掃描微帶反射陣天線設(shè)計(jì)

陳宏偉1,張廣求1,雷 雪1,吳君默1,孫武劍2

(1.信息工程大學(xué)信息系統(tǒng)工程學(xué)院,河南鄭州 450002；2.中國(guó)北方電子設(shè)備研究所,北京 100876)

以設(shè)計(jì)寬角度、低旁瓣波束掃描微帶反射陣天線為目標(biāo),提出一種基于三焦點(diǎn)口徑面相位分布的設(shè)計(jì)方法.該方法首先引入一種由三焦點(diǎn)確定的適于寬角度掃描的新型口徑面相位分布;其次利用混合粒子群算法對(duì)該相位分布進(jìn)行優(yōu)化以降低方向圖旁瓣;最后在優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上,采用移動(dòng)饋源技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線的波束掃描.為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性,設(shè)計(jì)加工了一副Ku波段、口徑面直徑為17λ0的圓極化波束掃描反射陣天線.天線仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合,在52°掃描范圍內(nèi)旁瓣均小于-18 dB,且?guī)掃_(dá)到10.8%（1 dB增益帶寬和3 dB軸比帶寬重疊區(qū)域).

波束掃描;反射陣;三焦點(diǎn);混合粒子群算法

在衛(wèi)星通信、深空探測(cè)等遠(yuǎn)距離無(wú)線通信系統(tǒng)中,要求天線具有高增益、波束掃描、低旁瓣等性能,以實(shí)現(xiàn)天線高效率、高信噪比的信號(hào)接收.傳統(tǒng)的波束掃描天線主要有反射面天線、相控陣列天線等.其中反射面天線的輻射效率高,但體積大且笨重;而相控陣列天線可實(shí)現(xiàn)波束的精確控制,但饋電損耗大且造價(jià)昂貴[1]. 1978年,Malagisi[2]首次提出微帶反射陣天線概念,結(jié)合拋物面天線與微帶陣列天線的優(yōu)點(diǎn),具有低損耗、低剖面、低成本、口徑面相位調(diào)節(jié)方式靈活等特點(diǎn),在極化轉(zhuǎn)化[3]、波束賦形、波束掃描等方面有著明顯優(yōu)勢(shì).

目前,微帶反射陣天線研究主要集中在寬帶技術(shù)方面[4-5].對(duì)于波束掃描反射陣的研究還處于初步階段.現(xiàn)有的波束掃描反射陣天線設(shè)計(jì)方法主要有以下幾種:移動(dòng)饋源[6]、單元加載MEMS開(kāi)關(guān)[7-9]、變?nèi)荻O管[10-12]以及介質(zhì)層選用功能材料[13]等.移動(dòng)饋源技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,效率高,適合于掃描范圍適中的應(yīng)用場(chǎng)景[14].傳統(tǒng)移動(dòng)饋源的波束掃描反射陣的口徑面相位分布由拋物面相位補(bǔ)償原理得到,在掃描過(guò)程中旁瓣惡化嚴(yán)重,增益損失大[6].

針對(duì)上述問(wèn)題,筆者提出一種基于三焦點(diǎn)口徑面相位分布的寬角度、低旁瓣波束掃描反射陣天線設(shè)計(jì)方法.首先,詳細(xì)介紹三焦點(diǎn)口徑面相位分布計(jì)算方法;其次,將混合粒子群算法引入到反射陣天線設(shè)計(jì)中,對(duì)口徑面相位分布做進(jìn)一步優(yōu)化.在優(yōu)化過(guò)程中,給出一種漸變的理想方向圖和加權(quán)的適應(yīng)度函數(shù).為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性,設(shè)計(jì)了一副Ku波段圓極化波束掃描反射陣天線.

1 基于三焦點(diǎn)的口徑面相位分布

傳統(tǒng)移動(dòng)饋源波束掃描反射陣天線的口徑面相位分布由拋物面相位補(bǔ)償原理得到.此相位分布產(chǎn)生的誤差會(huì)隨著掃描角度增大而增大,最終導(dǎo)致旁瓣升高,增益下降.筆者綜合饋源在3個(gè)不同位置時(shí)所需理想口徑面相位分布,提出一種基于三焦點(diǎn)的口徑面相位分布計(jì)算方法.

如圖1所示,將處于同一平面的焦點(diǎn)1、2、3分別設(shè)置在與中心法線夾角為-α、α、0°,焦距為F的位置.其中α由饋源最大偏移角度決定.當(dāng)饋源沿圓弧形路徑移動(dòng)到焦點(diǎn)i時(shí),出射波方向?yàn)閞i.re處陣元的理想補(bǔ)償相位分別為ψi,表達(dá)式為

圖1 掃描示意圖

其中,m,n為單元所在的行和列,k0為自由空間波的傳播常數(shù),?i表示矢量ri在x y平面投影與x軸的夾角.

為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,假設(shè)天線系統(tǒng)具有對(duì)稱性,口徑面相位分布呈中心對(duì)稱.因此,饋源在法線左右兩邊移動(dòng)時(shí),出射波對(duì)稱,即θ1=θ2,?1=?2+180°,θ3=0°.則饋源處于3個(gè)焦點(diǎn)時(shí),單元需要補(bǔ)償?shù)睦硐胂辔沪?、ψ2、ψ3簡(jiǎn)化為

實(shí)際上每個(gè)單元的相位補(bǔ)償值是固定的.于是給出如下的基于三焦點(diǎn)的單元相位補(bǔ)償公式（傳統(tǒng)相位分布僅由ψ3確定):

式（3)中給ψ1、ψ2、ψ3均賦予一個(gè)比例因子ρ1、ρ2、ρ3,且和為1.其中ρ1=ρ2,以保證天線的對(duì)稱性.ρ1=ρ2決定饋源最大偏移時(shí)口徑面相位分布誤差,而ρ3決定饋源零偏移時(shí)口徑面相位分布誤差.文中均衡饋源各位置的相位分布誤差,選擇ρ1=0.25,ρ2=0.25,ρ3=0.5.

為了研究三焦點(diǎn)口徑面相位分布的掃描特性,將其與傳統(tǒng)相位分布進(jìn)行對(duì)比.首先,設(shè)計(jì)了中心頻率為12GHz的雙層介質(zhì)圓極化單元（如圖2);其次,設(shè)計(jì)兩副口徑面直徑為17λ0、陣元數(shù)為952、焦徑比為0.8的圓極化反射陣天線.其中饋源的-10 d B波束寬度為80°,α取30°.單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為: a=12.5 mm,rw1=3.4 mm,w1=0.8 mm,w11=0.1 mm,w2=0.2 mm,g1=0.5 mm,D=0.5 mm,di=1.5 mm,df=2 mm,εi=1,εf=4.4.

圖2 單元結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)饋源與法線夾角α1為-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°、30°時(shí),圖3表示不同口徑面相位分布的反射陣天線的方向圖.相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果,采用三焦點(diǎn)口徑面相位分布的反射陣天線掃描過(guò)程中增益下降為1.82 dB,而前者為3.06 dB.當(dāng)α1為10°、20°、30°或-10°、-20°、-30°時(shí),最高旁瓣電平分別為-14.81 dB、-12.23 dB、-10.84 dB,分別降低了0.73 dB、2.54 dB、3.82 dB.掃描過(guò)程中旁瓣的惡化是由于口徑面相位分布誤差增大所造成的.同樣,當(dāng)口徑面尺寸增大時(shí),相位分布誤差會(huì)隨著單元到焦點(diǎn)1和焦點(diǎn)2間距離差的增大而變大,但對(duì)于中等尺寸口徑面的反射陣天線,該方法可以明顯改善其掃描性能.上述三焦點(diǎn)口徑面相位分布求解方法相對(duì)于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,掃描過(guò)程中增益穩(wěn)定,且旁瓣電平低,因此更適合寬角度波束掃描.

圖3 不同口徑面相位分布反射陣掃描特性

2 天線方向圖優(yōu)化

如圖3（b)所示,當(dāng)α1為-30°時(shí),出射波指向?yàn)?6°,旁瓣電平最高為-10.84 d B.雖然相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法旁瓣降低了-3.82 d B,但依然不能滿足衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等對(duì)旁瓣的要求,因此需要對(duì)該位置的方向圖進(jìn)行優(yōu)化以進(jìn)一步提高掃描性能.對(duì)于反射陣而言,方向圖優(yōu)化等效于口徑面相位分布的優(yōu)化.

反射陣天線方向圖優(yōu)化步驟如圖4所示.首先由口徑面相位分布確定的實(shí)際方向圖[15]和滿足預(yù)期性能指標(biāo)的理想方向圖定義出合適的適應(yīng)度函數(shù),其中口徑面相位分布為變量;其次,選擇合適的初始口徑面相位分布作為適應(yīng)度函數(shù)的起始變量以提高優(yōu)化算法的收斂速度;最后,利用優(yōu)化算法搜索適應(yīng)度函數(shù)的最小值所對(duì)應(yīng)的口徑面相位分布.

圖4 反射陣方向圖優(yōu)化過(guò)程

圖5 反射陣?yán)硐敕较驁D

以降低掃描過(guò)程中最高旁瓣為目標(biāo),設(shè)計(jì)了中心指向?yàn)?6°的漸變理想方向圖（如圖5)和加權(quán)的適應(yīng)度函數(shù):

其中,u,v為空間角坐標(biāo);F（u,v)為實(shí)際輻射方向圖; MU、ML為理想輻射方向圖的上下界;W1為主波束區(qū)域的權(quán)值;W2為第一旁瓣區(qū)域的權(quán)值;O表示主瓣區(qū)域;I表示第一旁瓣區(qū)域.

根據(jù)粒子群算法收斂速度快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)以及基本粒子群算法容易出現(xiàn)早熟收斂的現(xiàn)象,選擇基于雜交的混合粒子群算法對(duì)三焦點(diǎn)口徑面相位分布進(jìn)行優(yōu)化.在基本粒子群算法的基礎(chǔ)上,借鑒遺傳算法中的交叉變異保證了種群的多樣性,有效地避免了陷入局部最小,提高了搜索精度[16].算法參數(shù):個(gè)體和群體學(xué)習(xí)因子均為2,權(quán)重系數(shù)為0.7,雜交概率為0.8,雜交池比例為0.2,最大迭代次數(shù)為5 000.在適應(yīng)度函數(shù)中,W1為500,W2為200.圖6給出了優(yōu)化前后口徑面相位分布.

圖6 三焦點(diǎn)口徑面相位分布優(yōu)化前后對(duì)比

3 陣列設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證優(yōu)化后的掃描性能,利用上述結(jié)果設(shè)計(jì)了與上文相同的圓極化波束掃描反射陣天線,并對(duì)其進(jìn)行仿真、加工、測(cè)試.圖7表示不同α1對(duì)應(yīng)的天線仿真方向圖.表1總結(jié)了相位優(yōu)化前后出射波的增益和旁瓣數(shù)據(jù).圖8給出天線的實(shí)物圖和實(shí)測(cè)方向圖（由于對(duì)稱性僅測(cè)試了α1=0°、10°、20°、30°時(shí)的方向圖).圖9給出天線的實(shí)測(cè)增益和軸比隨頻率變化的曲線.

結(jié)果表明,雖然波束掃描過(guò)程中最高增益減小1.41 dB,但增益更加平穩(wěn),波動(dòng)范圍只有0.38 dB,滿足通信鏈路對(duì)增益穩(wěn)定性的要求.同時(shí),α1為10°、20°、30°時(shí)所對(duì)應(yīng)方向圖的最高旁瓣電平分別降低了3.51 d B、6.55 d B、7.58 d B,相比傳統(tǒng)方法最高旁瓣下降了11.4d B,保證天線在-26°到26°掃描范圍內(nèi)旁瓣電平均小于-18d B,其作為接收天線可以有效地提高接收信號(hào)的信噪比.需要說(shuō)明的是,如果將傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的口徑面相位分布作為初始相位分布進(jìn)行優(yōu)化,雖然同樣可以有效地降低最大掃描方向上的旁瓣,但其他掃描方向的旁瓣會(huì)發(fā)生惡化,不能保證整個(gè)掃描過(guò)程的低旁瓣特性.圖8所示天線實(shí)物加工在厚度為1.5 mm、介電常數(shù)為4.4的FR4介質(zhì)基板上,并在基板與地板間加入了厚度為2 mm的泡沫層,饋源是中心頻率為12 GHz的右旋圓極化波紋喇叭天線.實(shí)測(cè)結(jié)果顯示,方向圖主瓣區(qū)域與仿真較為吻合,但在旁瓣區(qū)域由于加工誤差、測(cè)量誤差以及測(cè)試設(shè)備的遮擋效應(yīng)等使得測(cè)量的旁瓣電平略高于仿真值.由圖9可以得到反射陣的1 dB增益帶寬和3 d B軸比帶寬均可覆蓋11.1～12.4 GHz,帶寬達(dá)到10.8%.帶寬內(nèi)波束最大偏移為0.87°.

圖7 混合粒子群算法優(yōu)化后天線掃描特性

圖8 天線實(shí)物圖及實(shí)測(cè)方向圖

圖9 不同α1時(shí)出射波增益與軸比隨頻率變化曲線

表1 天線優(yōu)化前后增益旁瓣數(shù)據(jù)表

4 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)波束掃描反射陣天線寬角度、低旁瓣特性,提出一種基于三焦點(diǎn)口徑面相位分布的波束掃描反射陣天線設(shè)計(jì)方法.該方法首先對(duì)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法中的口徑面相位分布進(jìn)行改進(jìn),提出三焦點(diǎn)確定的口徑面相位分布計(jì)算方法,并仿真對(duì)比了該相位分布和傳統(tǒng)拋物面相位分布的掃描特性;其次引入混合粒子群算法對(duì)該相位分布進(jìn)一步優(yōu)化以降低最高旁瓣;最后,設(shè)計(jì)加工了一副Ku波段的圓極化波束掃描反射陣天線,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性.仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明,天線在52°掃描范圍內(nèi)旁瓣均小于-18 dB,且1 dB增益帶寬和3 d B軸比帶寬均可覆蓋11.1～12.4 GHz,帶寬達(dá)到10.8%.

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（編輯:郭 華)

Design of the beam scanning microstrip reflectarray antenna

CHEN Hongwei1,ZHANG Guangqiu1,LEI Xue1,WU Junmo1,SUN Wujian2
(1.Information System Engineering Institute,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China;2.Institute of North Electronic Equipment,Beijing 100876,China)

For the aim of designing a wide-angle low sidelobe beam scanning microstrip reflectarray antenna,a new design method based on a new aperture phase distribution of three focuses is proposed.This method introduces a new phase distribution determined by three focuses for wide-angle beam scanning firstly.Then the aperture phase distribution is further optimized by the hybrid particle swarm algorithm to reduce the side lobe level of the pattern.Based on the optimization,the antenna realizes beam scanning by use of a moving feed.In order to verify the effectiveness of the design method,a Ku-band circular polarized beam scanning reflectarray antenna is designed and fabricated.The measured results agree well with the simulated ones,with the side lobe level being below-18 dB within the scan range of 52°and the band reaching 10.8%(the overlapping 3 dB axial-ratio(AR)and 1 dB gain bandwidth).

beam scanning;reflectarray antenna;three focuses;hybrid particle swarm optimization algorithm

TN820.2+1

A

1001-2400（2015)06-0173-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2015.06.029

2014-06-27

時(shí)間:2015-03-13

國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014AA01A707)

陳宏偉（1990-),男,信息工程大學(xué)碩士研究生,E-mail:laovidyx@126.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150313.1719.029.html