基于反射陣技術(shù)的平面型副反射面設(shè)計(jì)方法

武彥飛，何應(yīng)然，張文靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

基于反射陣技術(shù)的平面型副反射面設(shè)計(jì)方法

武彥飛，何應(yīng)然，張文靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

提出一種基于反射陣技術(shù)的平面型副反射面設(shè)計(jì)方法。根據(jù)雙反射面天線的焦點(diǎn)變換關(guān)系，得到了平面型副反射面的相位補(bǔ)償規(guī)律。采用開口環(huán)形單元設(shè)計(jì)了一種平面型副反射面，將初級(jí)饋源±20°的入射波束轉(zhuǎn)化為照射角為±35°的散射波束。仿真對(duì)比了散射波束照射天線主面的口徑效率。采用所設(shè)計(jì)的平面型副反射面，天線口徑效率達(dá)到61.14%，與金屬副面64.02%的口徑效率相差無幾。平面型副反射面采用印制板工藝制作，具有精度高和成本低的技術(shù)優(yōu)勢。

平面反射陣；副反射面；相位補(bǔ)償；波束整形

0 引言

反射陣天線綜合了拋物面天線和傳統(tǒng)微帶陣列天線的雙重優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)微帶貼片陣列天線相比，平面反射陣天線沒有功分網(wǎng)絡(luò)，所以不存在饋電損耗，因此它有較高的輻射效率[1]；與拋物面天線相比，平面反射陣列天線體積小、剖面低、重量輕，其平面結(jié)構(gòu)可折疊，易于與其他物體共形[2]。

將平面反射陣直接作為高增益天線使用[3]，目前已有大量相關(guān)的設(shè)計(jì)和研究[4-6]。近些年，又有人提出將平面反射陣應(yīng)用于雙反射面天線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的雙曲面副面[7-8]，這種緊縮型的雙反射面天線，具有剖面低、易加工及成品率高等優(yōu)勢[9]，具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文提出一種平面型副反射面的設(shè)計(jì)方法。通過改變開口環(huán)單元的開口旋向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓極化波由20°入射角轉(zhuǎn)變?yōu)?5°出射角的反射移相和波束整形功能，設(shè)計(jì)了后饋的雙反射面天線并進(jìn)行仿真驗(yàn)證，結(jié)果與采用標(biāo)準(zhǔn)雙曲面金屬作為副面時(shí)的電氣指標(biāo)相差無幾。

1 設(shè)計(jì)原理

反射陣面是由大量反射陣單元組成的平面陣列[10]。其工作機(jī)理是：電磁波從喇叭饋出以后，沿著不同的傳輸路徑到達(dá)每個(gè)反射陣單元，傳輸路徑長度的差異將導(dǎo)致各單元所接收的入射場發(fā)生不同的空間相位延遲，通過合理設(shè)計(jì)每個(gè)單元，使其能對(duì)入射場進(jìn)行適當(dāng)相位補(bǔ)償，讓反射場在天線口徑面上形成所需的散射波相位波前[11]。

平面反射陣用作副面時(shí)，示意圖如圖1所示，其對(duì)后饋饋源產(chǎn)生的電磁波同時(shí)起到調(diào)節(jié)反射相位和波束整形的作用。通過改變結(jié)構(gòu)單元的尺寸或旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)單元的取向，實(shí)現(xiàn)調(diào)制副面上每一個(gè)局部對(duì)電磁波的反射相位。此外，其對(duì)應(yīng)散射波的相位中心還要與主反射面的焦點(diǎn)重合。為達(dá)到這一要求，副面上各點(diǎn)的移相角度Δφ要有規(guī)律地調(diào)整。

圖1 反射陣副反射面示意圖

根據(jù)惠更斯原理，可以得到Δφ的計(jì)算公式如下：

(1)

式中，r為副反射面上某點(diǎn)到副反射面中心的距離，d1為后饋饋源相位中心到副反射面的距離，d2為副反射面到主反射面的距離，f為工作頻率，c為光速。

2 平面型副面單元設(shè)計(jì)

反射陣典型的單元類型主要有以下3種[12]：第1種是加載傳輸線型單元，即反射陣列中每個(gè)貼片的尺寸大小都相同，通過調(diào)節(jié)與之連接的微帶線的長度來調(diào)節(jié)相移量；第2種是尺寸可變型單元，陣列中每個(gè)貼片具有不同的尺寸，通過合理選擇每個(gè)貼片的尺寸大小來提供合適的相移量；第3種是旋轉(zhuǎn)型單元，陣列中每個(gè)貼片的形狀大小完全相同，但是旋轉(zhuǎn)的角度不同，通過選擇合適的旋轉(zhuǎn)角度來提供所需相位延遲。由于旋轉(zhuǎn)型單元所有的單元尺寸相同，且都工作在諧振頻率，天線的效率較高，所以這種類型的圓極化單元較前面2種線極化單元更具優(yōu)勢[13]。

本文設(shè)計(jì)的平面型副反射面單元采用旋轉(zhuǎn)型的開口環(huán)結(jié)構(gòu)，為改善單元的寬角出射特性，單元采用三角形排陣方式，如圖2所示。通過旋轉(zhuǎn)開口旋向，實(shí)現(xiàn)對(duì)入射波的反射調(diào)相。單元工作的中心頻率為8.5 GHz,單元周期取P=15 mm，約為0.43λ。圓環(huán)外徑R=5.5 mm，線寬w=1.6 mm，介質(zhì)板厚度t=4 mm。金屬環(huán)的開口角度為30°，介質(zhì)板的介電常數(shù)為2.2。

利用CST全波仿真方法對(duì)這種三角形排陣的開口環(huán)單元的反射相位特性進(jìn)行了仿真分析，如圖3所示，并根據(jù)仿真結(jié)果可以得出，旋轉(zhuǎn)型單元具有線性反射相位特性：當(dāng)單元旋轉(zhuǎn)角度ψ時(shí)，則反射波主極化的相移量為2ψ，即這種開口環(huán)單元旋轉(zhuǎn)一周可以實(shí)現(xiàn)720°的移相范圍。

圖2 旋轉(zhuǎn)型開口環(huán)單元

圖3 開口環(huán)單元在中心頻點(diǎn)處的反射相移曲線

3 設(shè)計(jì)實(shí)例及結(jié)果

為了驗(yàn)證平面反射陣作為副面使用的可行性，本文利用上述開口環(huán)單元組建了一個(gè)口徑為0.52m的平面反射陣副面。如圖4所示，該副面僅包含一層射頻印制板。印制板的上表面排布了大量取向各不相同的反射陣單元，下表面為金屬背板。副面不同位置的單元取向根據(jù)式(1)確定。副面的初級(jí)饋源選用波紋喇叭，該喇叭的10dB照射角為±20°。使用HFSS電磁仿真軟件計(jì)算了初級(jí)饋源照射平面型副面后的電磁波特性。如圖5(a)所示，初級(jí)饋源的波束經(jīng)過副面的散射作用后，其10dB照射角由±20°轉(zhuǎn)變?yōu)椤?5°。同時(shí)副面的散射方向圖具有確定的相位中心，如圖5(b)所示。

圖4 平面反射陣副面模型

圖5 平面反射陣副面散射波

為進(jìn)一步驗(yàn)證反射陣副面的性能，將初級(jí)饋源照射副面后形成的散射方向圖用于照射口徑為5.4m、焦徑比為0.78的標(biāo)準(zhǔn)拋物面天線。焦徑比0.78對(duì)應(yīng)散射波束的照射角±35°。利用GRASP電磁軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，得到天線的增益方向圖如圖6所示，在中心頻點(diǎn)f=8.5 GHz處，最大增益為51.5 dB，對(duì)應(yīng)口徑效率為61.14%。

作為對(duì)比，本文還仿真了金屬副反射面的散射特性；進(jìn)而仿真了采用金屬副面的天線系統(tǒng)的輻射性能。圖7是波紋喇叭饋源照射金屬副面的散射方向圖特性。圖8是采用金屬副面的雙反射面天線的增益方向圖。其中，金屬副面的口徑與反射陣副面的口徑相同，金屬副面的外形為標(biāo)準(zhǔn)的雙曲面。

圖6 副面為平面反射陣的天線增益方向圖

圖7 金屬雙曲面副面散射波增益方向圖

圖8 副面為金屬雙曲面的天線增益方向圖

表1對(duì)比了采用2種不同類型的副面時(shí)，天線主面的增益、效率和交叉極化特性的仿真結(jié)果。

表1 2種副反射面結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比

由表1可以看出，本文設(shè)計(jì)的平面反射陣副面的天線增益為51.5 dB、效率為61.14%，與金屬雙曲面副面相比，增益僅降低0.2 dB。交叉極化的對(duì)比結(jié)果表明，反射陣作為副面的主極化與交叉極化的差值約為35 dB，相比于金屬雙曲面約為50 dB的差值，極化隔離指標(biāo)明顯下降。盡管如此，對(duì)大多數(shù)應(yīng)用場合來說，35 dB的交叉極化已經(jīng)能夠滿足實(shí)際需求。

4 結(jié)束語

本文提出一種平面型副反射面的設(shè)計(jì)方法。采用基于旋轉(zhuǎn)型開口環(huán)單元的平面型反射陣副面，通過改變開口環(huán)單元的開口旋向，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圓極化波由20°入射角轉(zhuǎn)變?yōu)?5°出射角的波束整形。在GRASP軟件中仿真計(jì)算了平面型副面照射天線主面的電氣性能。仿真結(jié)果表明，在中心頻點(diǎn)8.5 GHz處，天線最大增益為51.5 dB，口徑效率61.14%；與采用標(biāo)準(zhǔn)雙曲面金屬作為副面時(shí)，其最大增益為51.7 dB，口徑效率64.02%的結(jié)果接近。這表明，該方法不僅原理上可行，而且具有強(qiáng)大的技術(shù)競爭力。

最后要強(qiáng)調(diào)的是，本文給出的設(shè)計(jì)實(shí)例僅適用于圓極化的電磁波。但是設(shè)計(jì)方法可以推廣到雙線極化和雙圓極化的天線系統(tǒng)中，只要合理選取相應(yīng)的反射陣單元即可。

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Design on a Flat Sub-reflector Based on Reflectarray Technique

WU Yan-fei,HE Ying-ran,ZHANG Wen-jing

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

This paper presents the design on a flat sub-reflector based on reflectarray technique.The required phase compensation is obtained by studying the focal distance relation.A flat sub-reflector composed of split-ring elements is designed to convert the primary feed beam with ±20°radiation angle into scattered beam with ±35°radiation angle.The aperture efficiencies of the main reflector illuminated by the scattered beams are simulated and compared.It is found that the aperture efficiency reaches 61.14% when the flat sub-reflector is used,which is very close to the aperture efficiency of 64.02% when metallic sub-reflector is used.The flat sub-reflector can be fabricated with standard planar circuit board technique,which has the advantages of high precision and low cost.

flat reflectarray;sub-reflector;phase compensation;beam conversion

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.19

武彥飛,何應(yīng)然,張文靜.基于反射陣技術(shù)的平面型副反射面設(shè)計(jì)方法[J].無線電通信技術(shù),2017,43(1):77-80.

2016-10-20

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計(jì)劃重點(diǎn)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(16960404D)

武彥飛(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：電磁場與微波技術(shù)。張文靜(1962—)，男，研究員，主要研究方向：衛(wèi)星通信地球站天線、微波天線、饋源系統(tǒng)等。何應(yīng)然(1986—)，男，博士，主要研究方向：超材料天線技術(shù)。

TN821

A

1003-3114(2017)01-77-4