多層雙平板微帶反射陣列天線研究

魏 旭

(中國電子科技集團公司第10研究所 共性技術(shù)部，四川 成都 610036)

多層雙平板微帶反射陣列天線研究

魏 旭

(中國電子科技集團公司第10研究所 共性技術(shù)部，四川 成都 610036)

針對單層雙平板微帶反射陣天線帶寬窄的問題，采用雙層貼片反射板形式設(shè)計了一個K波段的雙層雙平板微帶反射陣列天線，并進行了仿真計算，在相對帶寬為10%的工作頻帶內(nèi)，增益起伏<1.5 dB。通過與單層雙平板微帶反射陣列天線的結(jié)果進行對比分析，證明了該設(shè)計方法的正確性和可行性，可用于設(shè)計帶寬要求較高的微帶反射陣列天線。

微帶反射陣;多層;雙平板;扭轉(zhuǎn)極化

雙平板微帶反射陣列天線是一種結(jié)合反射面天線和相控陣天線優(yōu)點的天線形式。由不同尺寸的貼片組成反射陣面，對饋源激勵的電磁波進行移相，達到相位補償?shù)淖饔肹1-3]。由于采用空饋形式，在保持微帶陣列天線大部分優(yōu)點的基礎(chǔ)上，增加了天線效率。同時雙平板結(jié)構(gòu)的采用，大幅縮小了縱向尺寸[4-5]，具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低和批生產(chǎn)性好等優(yōu)點[6]。還可以通過其特殊的雙平板結(jié)構(gòu)進一步實現(xiàn)多波束及其波束賦形等功能。另外，雙平板微帶反射陣列天線還可以與天線罩結(jié)合，實現(xiàn)天線罩-天線的整體設(shè)計，在降低了天線罩設(shè)計難度的同時，也進一步減小了天線分系統(tǒng)的總體尺寸。

一般的雙平板微帶反射陣列天線是單層雙平板微帶反射陣，其微帶反射板采用的是單層貼片反射板，其帶寬較窄，而多層雙平板微帶反射陣是單層雙平板微帶反射陣的改進形式，它采用兩層或者多層貼片反射板，使得反射相位隨貼片尺寸的變化范圍大幅展寬[7-9]，同時還可使貼片的反射相位變化更平坦更線性，從而減小貼片尺寸加工誤差的敏感性，增加天線陣的帶寬。

1 基本原理

多層微帶反射陣天線的設(shè)計原理和單層微帶反射陣的原理[10-11]相同，主要由輻射饋源、金屬柵條板和微帶貼片反射板構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。多層微帶反射陣的反射板由兩層以上的貼片反射板組成，具有空間相位補償和極化扭轉(zhuǎn)的功能，而金屬柵條反射板則對不同的極化波實現(xiàn)全反射和全透射[12-13]。

圖1 雙平板反射陣列天線結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，雙平板微帶反射陣的饋源可以通過鏡像饋源進行等效。當饋源產(chǎn)生的電磁波通過柵條板反射回來照射到貼片反射面上時，由于入射波到達各反射貼片單元上的路徑不同，存在空間相位差，須通過調(diào)整微帶反射板各離散的反射單元尺寸對入射波進行空間相位補償，使反射波在口徑面具有相同的相位。

雙平板微帶反射陣列，其饋源產(chǎn)生的輻射波經(jīng)柵條反射板和微帶反射板后，可形成與普通微帶反射陣列相同的口徑場分布，僅電場極化方向產(chǎn)生90°扭轉(zhuǎn)[4]，其輻射性能不會發(fā)生變化[14]。但是雙平板微帶反射陣列的縱向尺寸卻減小為1/2。

多層雙平板微帶反射陣與單層雙平板微帶反射陣的區(qū)別在于，多層微帶反射陣的微帶反射板由兩層或兩層以上的微帶貼片反射板層疊而成，圖2所示為兩層雙平板微帶反射陣的示意圖。

圖2 雙層雙平板微帶反射陣示意圖

由于貼片單元反射相位的范圍隨著介質(zhì)厚度的變化而變化，介質(zhì)越厚，相位變化越平坦，但是相位的覆蓋范圍卻將變小，當相位覆蓋范圍在300°以內(nèi)時，沒有實際的應(yīng)用價值。在設(shè)計過程中，一方面要保證反射相位的變化范圍覆蓋360°，另一方面又要求反射相位隨貼片尺寸的變換更平坦[15]。在單層雙平板微帶反射陣的設(shè)計中就遇到這一矛盾現(xiàn)象，360°相位覆蓋是以相位隨單元尺寸變化陡峭為代價的，用此反射相位設(shè)計出來的陣列對頻率變化較敏感、帶寬較窄。而多層雙平板微帶反射陣則可以使相位變化遠>360°，那么適當?shù)脑黾用繉咏橘|(zhì)的厚度將獲得更平坦、更線性的相位變化，并且相位覆蓋仍然>360°，由此設(shè)計的雙平板微帶反射陣列天線的帶寬將大幅增加，加工誤差的敏感性也將減低[5]。

2 陣列設(shè)計及其分析

以K頻段雙層雙平板微帶反射陣列的設(shè)計為例，介紹其設(shè)計步驟，并與單層情況進行對比。設(shè)計主要有以下3個步驟：

(1)反射相位的提取。建立如圖3 所示的相位提取單元模型。經(jīng)過仿真優(yōu)化，選擇介電常數(shù)εr=2.2的介質(zhì)板材，每層介質(zhì)的厚度為0.7 mm。上下兩層對應(yīng)貼片的長寬比為0.85。另外用單層雙平板微帶反射陣作對比，選擇的介質(zhì)板材介電常數(shù)為εr=2.2，厚度為20 mil(1 mil=0.025 4 mm)。

圖3 相位提取單元的仿真模型

提取反射相位與單元尺寸的關(guān)系如圖4所示，對比圖4(a)和圖4(b)可以看出，單層微帶反射單元的相位覆蓋約為360°，中間段變化陡峭，而雙層微帶反射單元的相位變化范圍超過500°，相位隨著尺寸變化比較平坦，呈線性變化；

圖4 微帶反射單元的反射相位與單元尺寸的關(guān)系圖

(2)貼片尺寸的確定。通過上述提取的反射相位與單元尺寸的關(guān)系曲線，如圖4(a)所示，選擇天線焦徑比F/D=0.5和貼片間距d=0.45λ(λ為中心頻率波長)，可以確定滿足極化扭轉(zhuǎn)和相位補償?shù)馁N片單元尺寸。滿足上述兩個條件的單元尺寸由下式確定

(1)

φ(w1,d1)-φ(d1,w1)=180°

(2)

其中，ln表示第n個單元到焦點的波程；l0表示選擇的相位零點到焦點的波程；Δφn表示第n個單元相對于相位零點的相位差；φ(w1,d1)表示上下兩層貼片尺寸分別為w1,d1,w2,d2時的反射相位；φ(d1,w1)表示上下兩層貼片尺寸分別為d1,w1,d2,w2時的反射相位。由于貼片均為矩形貼片，因此當貼片的長寬尺寸滿足式(2)時，可以實現(xiàn)90°相位扭轉(zhuǎn)。由式(1)和式(2)即可確定陣列中貼片的結(jié)構(gòu)尺寸；

3 仿真結(jié)果及其分析

根據(jù)上述設(shè)計步驟，設(shè)計了一個單元數(shù)為414的陣列，中心頻率為f=22.4 GHz，工作頻率范圍為21.2～23.6 GHz，天線的口徑尺寸D=10λ，要求天線增益在頻帶內(nèi)起伏<2 dB。如圖5所示，雙層雙平板微帶天線陣的饋源喇叭的口徑為14 mm×14 mm。另外，用作對比的單層雙平板微帶反射陣的頻率、口徑尺寸和饋源喇叭與雙層雙平板微帶反射陣的相同。下面分別給出了雙層和單層雙平板微帶反射陣列的仿真結(jié)果。

圖5 雙層雙平板微帶反射陣模型

圖6 雙平板微帶反射陣方向圖

圖6為雙層和單層雙平板微帶反射陣的方向圖，分別給出了3個頻率點的方向圖(f=21.2 ，22.4，23.6 GHz)。雙層雙平板微帶反射陣在高頻和低頻處，其副瓣電平明顯比單層雙平板微帶反射陣的有所降低，并且主瓣寬度展寬。同時，單層雙平板微帶反射陣在頻率偏離中心頻率 1.2 GHz時，增益起伏最大達3.5 dB，而雙層雙平板微帶反射陣在同樣頻率范圍變化內(nèi)的起伏控制在1.5 dB內(nèi)，滿足了設(shè)計要求，可見雙層雙平板微帶反射陣大幅改善了微帶反射陣列的帶寬。

4 結(jié)束語

多層雙平板微帶反射陣保持了微帶反射陣的基本電性能，并且繼承了單層雙平板微帶反射陣縱向尺寸小的特點，采用反射貼片層疊的方式改善了陣列天線的帶寬。因此，多層微帶反射陣列天線是一種帶寬較寬的微帶反射陣天線形式，具有較高的工程實用價值。

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Research on Multi-layer Dual Planar Microstrip Reflectarray Antenna

WEI Xu

(Common Technology Department, 10th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

According to the narrow band width of single-layer dual planar microstrip reflectarray antenna, a K band two-layer dual planar microstrip reflectarray antenna with the use of double layer microstrip patch reflector plate has been designed. The antenna has been simulated and the results indicate a gain fluctuation of less than 1.5 dB within 10% relative bandwidth of working frequency band. Comparison with the results of single layer dual planar microstrip reflectarray antenna shows that the design method is correct and feasible, and can be used to design the microstrip antenna with high bandwidth requirement.

microstrip reflectarray; multi-layer; dual planar; twist polarization

2016- 06- 14

魏旭(1982- )，女，碩士，工程師。研究方向：天線孔徑綜合等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.027

TN823

A

1007-7820(2017)05-098-04