帶寬極限下的寬帶平面反射陣天線設計

鄭淑梅

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

?

帶寬極限下的寬帶平面反射陣天線設計

鄭淑梅

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要平面反射陣是由金屬貼片單元組成的二維陣列，一般用喇叭饋源進行饋電，通過諧振貼片單元的相移量補償饋源到平面反射陣的空間相位延遲。平面反射陣天線的優(yōu)勢在于主波束指向靈活可控。但由于陣列單元自身的帶寬限制和反射機理所致，其主要缺陷是工作帶寬窄。在討論空間相移對天線性能的影響的基礎上，設計了一種相位線性變化達500°的新型反射陣單元。用該單元組陣的平面反射陣天線，其1 dB帶寬達到25.3%，與傳統(tǒng)平面陣結(jié)構(gòu)的天線帶寬相比，具有顯著的改善。

關鍵詞平面反射陣；寬帶單元；寬頻帶；寬帶設計

Design of Wideband Planar Reflect-array Antennas on Bandwidth Limitation

ZHENG Shu-mei

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractPlanar reflect-array is a two dimensional array consisting of metallic patches，which is illuminated by a primary feed horn.The spatial phase delay is compensated by the phase shift of the patch elements.The advantage of this antenna is that the main beam can be designed to tilt away from its broadside direction.But the significant defect is its narrow bandwidth,which is caused by the elements and the reflector’s operating principle.In this paper,the influence of the spatial phase delay on the antenna performance is discussed,and then a new kind of element with linear phase shift over 500 degree is introduced.The reflect-array antenna comprising such elements acquires 25.3% 1 dB bandwidth,which has a significant improvement over the traditional structures.

Key wordsplanar reflect-array；wideband element；wide frequency band；wideband design

0引言

平面反射陣天線是Berry，Malech與Kennedy等在20世紀60年代提出的一種新型天線的概念，他們使用不同長度的末端短路波導單元來得到等相位輻射的遠場波束。早期無線設備所用的頻率都很低，所以這種波導反射陣列的尺寸與重量都很大，且工作效率較差[1]。近年來，隨著衛(wèi)星通信[2]和深空探測技術(shù)[3]的發(fā)展，平面反射陣因其剖面低、體積小、重量輕、易攜帶和可折疊等特點再次受到了研究人員的廣泛重視[4]。

平面反射陣天線不僅架設安裝便利，而且由于陣列中的單元是從饋源接收輻射的能量，然后再將能量以一定相位輻射出去，因此對單元進行合適的相位延遲校準就可以實現(xiàn)較大的主波束傾斜角，而相位校準可由單元自身的設計來實現(xiàn)。當然，平面反射陣也有自身的一些缺陷。對于平面反射陣來說，饋源照射漏失[5]、幅度衰減[6]、材料的損耗與相位錯誤等會引起反射效率的降低[7]。另外，其帶寬相比拋物面反射器要窄很多。本文從平面反射陣天線的帶寬極限出發(fā)，通過優(yōu)化單元特性和陣列F/D比率給出一種改善平面反射陣天線寬帶設計實現(xiàn)方法。

1寬帶平面反射陣天線設計

1.1帶寬極限

1.1.1單元對于帶寬的限制

一般來講,微帶貼片單元所擁有的帶寬大約為3%～5%。為了使得一般的天線陣擁有較寬的帶寬，可使用較薄的貼片襯底，堆疊的復合貼片類型或連續(xù)旋轉(zhuǎn)的子陣列單元。通過以上方式的綜合使用，可以得到15%以上反射陣的帶寬。

1.1.2不同的空間相位延遲對于帶寬的限制

不同的空間相位延遲對帶寬也有限制，這種相位差異是由于從饋源到達不同單元的波程差引起的。這個波程差S可能是中心頻率所對應波長的許多倍，表示為：S=(N+d)λ，其中，N為整數(shù)，d為波長的小數(shù)倍。在每一個單元的位置，波長的d倍都會被合適的相位延遲所補償，這就需要對單元進行恰當?shù)脑O計?？臻g相位延遲如圖1所示。

圖1　空間相位延遲

隨著頻率的變化，(N+d)λ變?yōu)?N+d)(λ+λ)。由于每一個單元的相位補償都是針對于中心頻率進行設計的，這樣在反射波陣面上就會出現(xiàn)頻率偏移誤差。而每一個貼片的相位誤差就是(N+d)λ，而這一誤差量可能是波長的或者360°的一個很大的小數(shù)倍。這就造成了陣面在特定方向上的輻射能量隨著頻率的變化急劇下降，導致了陣面窄帶寬特性。

1.2寬帶設計方法

1.2.1優(yōu)化單元特性

在文獻[8]中，提出了一種利用復諧振亞波長單元實現(xiàn)寬帶反射陣設計方法。亞波長單元是Pozar 在2007年首次提出的一種完全不同的設計方式。在傳統(tǒng)的設計方式中，所有單元都放置于間隔為λ/2晶格之中，使得單元工作于諧振點附近，而使用亞波長單元實現(xiàn)平面陣時單元要明顯小于諧振尺寸，而且晶格之間的間距也遠小于λ/2。單元為同心雙矩形環(huán)(亞波長間隔)結(jié)構(gòu)，單元內(nèi)環(huán)的尺寸固定在一個優(yōu)化后的合適值，只有外環(huán)的尺寸進行調(diào)整。因此，不僅2個環(huán)之間的等效電感發(fā)生了變化，它們的等效電容也發(fā)生了改變。這可以使得不同頻率時相位相對于外環(huán)尺寸的響應變得相對穩(wěn)定，并在很寬的頻帶范圍內(nèi)呈現(xiàn)出了近線性相位響應，明顯改善了反射陣帶寬。

1.2.2優(yōu)化反射面幾何特性

Abdelhamid Tayebi等在2013年提出了一種利用改進的菲涅爾波帶片(FZP)結(jié)構(gòu)來獲得寬帶特性的設計方法[9]。這種反射陣的幾何模型是通過對金屬平面進行微變實現(xiàn)的。該天線的設計原理是將平面反射陣的表面進行細微變形以修正入射波相位，得到改進反射波相位所需的相位偏移，在特定方向上產(chǎn)生準直波束或賦形波束。因此，該天線與反射陣天線相比損耗更低。由于變形后的反射面是全金屬的，不需要進行陣列的布局，制造也方便。該天線具有與傳統(tǒng)的拋物面天線相近的增益，同時還具有平面輪廓、低成本、小體積和低損耗等許多優(yōu)勢；它的3 dB帶寬為32.8%，且在帶內(nèi)的交叉極化小于-33.6 dB。在12.5 GHz處得到最大增益28.06 dBi和最大孔徑效率52%[7]。

1.2.3時間延遲單元(TDU)

平面反射陣單元在結(jié)構(gòu)與原理上與頻率選擇表面(FSS)有著許多的共同特點，在文獻[10]中，Seyed Mohamad Amin等提出了一種通過使用小型化單元FSS(MEFSS)實現(xiàn)具有大帶寬特性，時間延遲反射陣天線的結(jié)構(gòu)設計。這是一種新型的具有寬帶，TRUE Time Delay(TTD)響應的低姿態(tài)反射陣天線。它由大量排列于平面上的空間時間延遲反射單元構(gòu)成，這種空間時間延遲單元就是由非諧振單元構(gòu)成的含接地層MEFSS中的一個單元，每一個單元都是一種低通的MEFSS，而這種MEFSS是由多層非諧振貼片(被電介質(zhì)隔開的)以及底層的接地面構(gòu)成的。

帶金屬底板低通MEFSS中的每一個單元都是一個TDU時間延遲單元。每一個TDU由多層的次波長電容性貼片、接地層以及許多的薄電介質(zhì)層構(gòu)成。其中，金屬貼片可以等效為電容，電介質(zhì)層可以等效為傳輸線，而接地層可以等效為一端的短路線[8]。這種反射陣設計的中心頻率為10 GHz，經(jīng)試驗驗證，其在8～12 GHz的范圍內(nèi)具有相對穩(wěn)定的輻射特性，亦即具有40%的等效帶寬。

2設計實例

2.1單元設計

根據(jù)上文寬帶設計方法，從改變單元自身特性與陣列F/D比率2個方面著手，設計了一種中心饋電的寬帶反射陣天線。單元的中心工作頻率為19 GHz，它由接地層、空氣層、介質(zhì)層以及諧振貼片4層結(jié)構(gòu)組成。單元為10 mm10 mm的方形結(jié)構(gòu)，介質(zhì)層厚度選取為0.813 mm。寬帶單元結(jié)構(gòu)及其等效電路圖如圖2所示。圖2中，電容C1，C2與C3分別等效的是圓形貼片和內(nèi)外圓環(huán)與金屬底層之間的耦合關系；L1，L2與L3分別是這3個貼片所等效的電感；C4與L4代表的是襯底與金屬底層之間空氣層的影響；而C5代表的是單元與臨近單元之間的耦合關系。通過調(diào)整襯底與金屬底層之間的空氣層間隔也就是C4與L4，可以得到較大的線性相位范圍。

圖2　寬帶單元結(jié)構(gòu)及其等效電路

經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化對比，確定中心圓形貼片的直徑為0.4 mm，外圓環(huán)的外直徑為D，內(nèi)圓環(huán)的外直徑為0.377D，并且這2個圓環(huán)的寬度均為D的0.15倍。使用CST對這種單元進行了分析。

圖3所示的是對應于不同的D值時，單元的相頻曲線。由圖3可以看出，每一條曲線幾乎相互平行，這是平面陣單元所需具備的重要特性。

圖3　不同D值下的相位響應

圖4所示的是不同頻率下，相位隨著D從2～10 mm變化的曲線，這種單元具有在中心頻率處能夠得到接近500°的相位變化范圍。根據(jù)仿真結(jié)果，確定可以用來構(gòu)建平面反射陣天線。

圖4　不同頻率下的相位響應

2.2反射陣列設計

(1)

ηs=1-cos2q+1θe。

(2)

根據(jù)相位延遲分布所得到的數(shù)據(jù)，在仿真軟件中進行單元的排列得到平面反射陣的整體結(jié)構(gòu)。并對整個的反射陣天線進行仿真(平面陣由喇叭天線饋電)。通過優(yōu)化饋源位置在中心頻率處得到了約為27 dB的增益，整體天線的1 dB帶寬大約為25.3%。

經(jīng)實際測試，反射陣天線中心頻率增益達到26.6 dB，1 dB帶寬為25.1%，效率為30%，與仿真結(jié)果基本一致。

3結(jié)束語

理想的寬帶反射陣單元應具有對應于尺寸變化的線性相位變化曲線，不同頻率下的曲線應該相互平行且與入射角度無關。文中設計的寬帶平面反射陣天線，通過一種新型的寬帶單元得到了約500°的相位近線性變化范圍，且不同頻率下的曲線相互平行，利用這種單元構(gòu)建成的平面反射陣得到了最大增益27 dB、1 dB帶寬25.3%，較文獻[12-13] 中20.56%帶寬提升了約5%。

相比拋物面天線，該平面反射陣天線的效率還不夠理想。但其在體積、重量以及拼裝等方面具有明顯優(yōu)勢，還具有靈活的波束控制與賦形的能力。未來可在平面陣結(jié)構(gòu)中引入不同的饋電分布形式，或者在滿足一定約束條件的情況下(比如單元類型及頻帶分布等)，嘗試通過單層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙頻帶平面反射陣，從而進一步提高反射陣天線的性能，拓展其應用范圍。

參考文獻

[1]ROEDERER A G.Reflectarray Antennas[C]∥3rd European Conference on Antennas and Propagation,2009:18-22.

[2]路志勇.用于衛(wèi)星通信的平面拋物面天線[J].無線電通信技術(shù)，2007,33(5):27-28.

[3]趙晉娟.低RCS及寬頻微帶平面反射陣天線的設計[D].西安：西安電子科技大學,2012:31-45.

[4]FLORENCIO R,ENCINAR J A，BOIX R R,et al.Reflectarray Antennas for Dual Polarization and Broadband Telecom Satellite Applications[J].IEEE Transcations on Antennas and Propagation,2015,63(4):1 234-1 246.

[5]POZAR D M,TARGONSKI S D,SYRIGOS H D.Design of Millimeter Wave Microstrip Reflectarrays[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1997,45(2):287-296.

[6]薛飛,王宏建,易敏,等.新型微帶反射陣單元的設計及其應用[J].電波科學學報,2015,30(3)571-573.

[7]王晨,閻魯濱.平面反射陣天線掃描特性的研究[J].航天器工程,2009,18(4):94-101.

[8]HUA Li,YONG Xin-guo.A Broadband Reflectarray Using Multiresonant and Subwavelength Elements[C]∥3rd Asia-Pacific Conference on Antennas and Propagation,2014:423-425.

[10]ABADI S M A,GHAEMI K，BEHDAD N.Ultra-wideband,True-time-delay Reflectarray Antennas Using Ground-plane-backed,Miniaturized-element Frequency Selective Surfaces[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(2):534-541.

[11]HUANG J.Analysis of a Microstrip Reflectarray Antenna for Micro Spacecraft Applications[R].JPL TDA Progress Report 42-120,1995:153-173.

[12]高尚軍,朱莉,王光明,等.Ku波段寬帶平面陣的設計[J].航天電子對抗，2007,23(2):59-61.

[13]彭樺，吳玉成，于璽，等.基于GEMS對Ku波段螺旋陣列天線的設計優(yōu)化[J].無線電通信技術(shù)，2012，38(2)：38-40.

鄭淑梅女，(1970—)，高級工程師。主要研究方向：電子工程。

作者簡介

中圖分類號TN823

文獻標志碼A

文章編號1003-3106(2016)04-0056-04

基金項目：國家部委基金資助項目。

收稿日期：2016-01-19

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.04.14

引用格式：鄭淑梅.帶寬極限下的寬帶平面反射陣天線設計[J].無線電工程,2016,46(4):56-59.