一種寬角圓極化平面反射陣天線單元設(shè)計

賈 丹，武彥飛，何應(yīng)然

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

一種寬角圓極化平面反射陣天線單元設(shè)計

賈 丹，武彥飛，何應(yīng)然

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

平面反射陣天線單元的電性能直接決定天線系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)，而常規(guī)反射陣單元在大角度照射時工作性能下降，從而難以應(yīng)用于小焦徑比(即大照射角)的緊湊型天線中。針對常規(guī)反射陣天線單元寬角性能差的技術(shù)難題，提出一種采用匹配層設(shè)計的新型反射陣單元。該匹配層將空氣中大入射角電磁波轉(zhuǎn)化為介質(zhì)中的小入射角電磁波，從而改善了單元的寬角工作性能。以一種工作于X頻段的金屬開口環(huán)形反射陣單元為例，采用匹配層設(shè)計技術(shù)后，天線單元在寬角度范圍內(nèi)的主極化反射率提高，交叉極化反射率下降。

平面反射陣；寬角圓極化；匹配層；折射定律

0 引言

反射陣天線是一種新型的高增益天線，1978年Berry D G等人首次提出反射陣天線[1]。反射陣天線與拋物面天線工作原理類似，反射陣天線系統(tǒng)主要包含饋源和反射面板2部分。與傳統(tǒng)反射面天線不同的是，反射陣天線的天線面板為平面形式，面板表面排列大量亞波長尺寸微結(jié)構(gòu)，這些微結(jié)構(gòu)是組成反射面板的反射陣單元，反射陣單元具有相位調(diào)制功能[2-3]。通過控制反射面板上不同位置反射陣單元的移相值，可以將饋源發(fā)出的球面波轉(zhuǎn)化為高增益的定向波束。目前，反射陣天線技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高增益天線[4]、多頻天線[5]、低雷達(dá)散射截面天線[6]以及多頻天線副反射面[7]等設(shè)計中。反射陣天線的工作頻段也在逐步擴(kuò)展，逐漸從微波頻段拓展到毫米波[8]和太赫茲波段[9]。

最早的反射陣天線單元采用短路波導(dǎo)口作為天線單元，天線體積龐大而笨重。隨著印刷電路板工藝的發(fā)展，基于金屬銅箔微結(jié)構(gòu)單元成為反射陣天線設(shè)計的主流形式。與拋物面天線相比，反射陣天線系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、加工容易以及便于收藏等優(yōu)點[10]。

反射陣天線的面板為平面結(jié)構(gòu)，當(dāng)饋源發(fā)出的電磁波沿法向照射反射陣天線單元時，天線單元具有良好的移相特性和交叉極化特性，其缺陷在于寬角特性較差[11]。當(dāng)電磁波斜照射反射陣天線單元時，天線單元的交叉極化電平會明顯升高。電磁波的入射角越大，交叉極化惡化越嚴(yán)重。反射陣單元的性能下降將直接導(dǎo)致反射陣天線的性能劣化。另外，工程中使用的反射式天線普遍采用緊湊型的小焦徑比設(shè)計，相應(yīng)的饋源照射角在±60°以上。然而常見的反射陣天線單元保持良好反射特性的角度范圍不超過±45°。因此，反射陣天線單元的角度特性成為制約反射陣技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的技術(shù)瓶頸之一。

為了解決平面反射陣天線單元寬角性能差的技術(shù)難題，提出一種加載介質(zhì)匹配層的新型反射陣單元設(shè)計方法。該匹配層可以將空氣中的大入射角電磁波轉(zhuǎn)化為介質(zhì)中的小入射角電磁波，從而改善單元的寬角工作性能。在理論分析基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款工作于X頻段的寬角圓極化反射陣單元，仿真結(jié)果說明該新型反射陣單元設(shè)計可提高單元的寬角特性。

1 反射陣單元的角度特性分析

目前，主流反射陣單元采用印刷電路板工藝制作，典型的反射陣單元形式有金屬貼片、金屬十字、多層金屬貼片、金屬開口環(huán)等[12]。金屬開口環(huán)單元是一種適用于圓極化電磁波的單元形式，并且通過旋轉(zhuǎn)金屬開口環(huán)的取向，可以實現(xiàn)360°范圍的相位補(bǔ)償。由于金屬開口環(huán)單元均工作于諧振頻率附近，這種單元組成的反射陣天線具有較高的天線效率[13]。

反射陣天線和拋物反射面天線類似，都采用饋源照射反射面的辦法實現(xiàn)高增益天線。為了減小天線系統(tǒng)的體積，饋源的照射角一般在±60°以上。目前文獻(xiàn)中報道的反射陣單元的寬角特性并不理想。

為了說明常規(guī)反射陣單元的角度特性，對工作于X頻段的金屬開口環(huán)形單元進(jìn)行仿真分析。圖1為金屬開口環(huán)單元的結(jié)構(gòu)示意圖,在介質(zhì)板(厚度為2.7 mm)上表面印刷金屬開口環(huán)，金屬環(huán)外徑為3.6 mm，金屬環(huán)線寬為0.3 mm,金屬環(huán)開口方向與x軸夾角(α)為60°。介質(zhì)基板選Arlon AR600，其介電常數(shù)為6.0，損耗正切為0.003 5。與方形陣列相比，三角形排布方式具有更好的角度穩(wěn)定性，因此反射陣單元采用三角形排布方式，相鄰反射陣單元的中心距離為6.3 mm。

圖1 常規(guī)反射陣單元的結(jié)構(gòu)示意圖

反射陣天線的下表面為金屬地板，因此，當(dāng)饋源發(fā)出的電磁波照射到反射陣單元時，入射電磁波會發(fā)生全反射。電磁波經(jīng)過反射陣單元和金屬地板的作用后，其極化純度會出現(xiàn)一定程度的惡化。為保證反射陣天線系統(tǒng)良好的交叉極化，反射陣單元要求具有高主極化反射率和低交叉極化反射率。

采用左旋圓極化電磁波作為圖1反射陣單元的入射波，經(jīng)過開口環(huán)陣列和金屬地板反射后的電磁波可以分解為左旋圓極化和右旋圓極化。當(dāng)電磁波入射到金屬板表面時，電磁波的圓極化旋向會發(fā)生反轉(zhuǎn);但是對于金屬開口環(huán)形反射陣單元，其電磁波的圓極化旋向保持不變。因此，對圖 1所示的金屬開口環(huán)反射陣單元來說，左旋極化為主極化，右旋極化為交叉極化。

在電磁仿真軟件CST中采用周期性邊界條件，并使用Floquet模式作為端口的激勵源，可以模擬無限大周期結(jié)構(gòu)對入射電磁波的響應(yīng)特性。Floquet模式是周期性邊界條件下的電磁場本征模式，它既可以模擬法向入射的電磁波，也可以模擬斜入射電磁波。圖2和圖3給出了不同入射角度下，反射陣單元的主極化反射系數(shù)和交叉極化反射系數(shù)。

從圖2仿真結(jié)果可以看出，在9～12 GHz頻率范圍內(nèi)，隨照射角增加，主極化能量損耗高達(dá)1.0 dB。如圖3所示，隨著入射角度的增加，交叉極化反射系數(shù)逐漸增大。電磁波入射角為50°時，交叉極化反射系數(shù)高達(dá)-7 dB，這說明損耗的入射能量全部轉(zhuǎn)化為交叉極化。交叉極化上升會導(dǎo)致主極化反射系數(shù)減小，天線效率降低。因此，反射陣單元的角度特性導(dǎo)致反射陣技術(shù)難以應(yīng)用于小焦徑比天線系統(tǒng)中。

圖2 常規(guī)反射陣單元的主極化反射系數(shù)仿真結(jié)果

圖3 常規(guī)反射陣單元的交叉極化反射系數(shù)仿真結(jié)果

2 寬角反射陣單元設(shè)計原理

為了降低反射陣單元的角度依賴性，本文提出一種基于介質(zhì)匹配層結(jié)構(gòu)的寬角反射陣單元設(shè)計方法。新型反射陣單元的結(jié)構(gòu)組成和工作原理如圖 4所示，這種反射陣單元是常規(guī)反射陣單元的改進(jìn)設(shè)計。

(a)寬角反射陣單元結(jié)構(gòu)示意圖

(b)寬角反射陣單元工作原理示意圖圖4 寬角反射陣單元的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖

在介質(zhì)基板上表面覆蓋一層介質(zhì)匹配層，匹配層的介電常數(shù)介于空氣和反射陣單元的介電常數(shù)之間，金屬開口環(huán)位于兩層介質(zhì)板的交界面處。另外，介質(zhì)匹配層有阻抗匹配作用，減小空氣和介質(zhì)基板間的能量反射，有利于改善單元的交叉極化特性。(為了清晰地示意單元結(jié)構(gòu)，在圖4(a)中只畫出一部分匹配層結(jié)構(gòu))。

采用麥克斯韋邊界條件和折射定律，對圖4所示單元實現(xiàn)寬角反射的工作原理進(jìn)行定性分析。根據(jù)麥克斯韋邊界條件，在兩種介質(zhì)的分界面處，介質(zhì)中的電磁波波矢切向分量相等，由此可以得到：

k0·n1·sin(θ1)=k0·n2·sin(θ2)=k0·n3·sin(θ3)，

消掉等式中的波矢k0后，可簡化為：

n1·sin(θ1)=n2·sin(θ2)=n3·sin(θ3)，

該等式為折射定律。其中，折射率n1、n2、n3滿足n1=sqrt(ε1),n2=sqrt(ε2),n3=sqrt(ε3)。ε1、ε2和ε3分別是空氣、匹配層和介質(zhì)基板的介電常數(shù)?？諝狻⑵ヅ鋵雍徒橘|(zhì)基板的介電常數(shù)滿足ε1<ε2<ε3，因此，空氣、匹配層和介質(zhì)基板中電磁波入射角滿足θ1>θ2>θ3。當(dāng)電磁波在空氣中以較大角度入射到介質(zhì)匹配層時，電磁波的入射角度減?。划?dāng)電磁波繼續(xù)入射到介質(zhì)基板時，電磁波的入射角度進(jìn)一步減小。綜上分析，加載匹配層的反射陣單元，從空氣中入射的大角度電磁波被轉(zhuǎn)化為介質(zhì)基板中的小入射角電磁波，改善了反射陣單元的寬角工作特性。

3 寬角反射陣單元的性能分析

基于上述寬角原理，設(shè)計了一種X頻段寬角圓極化反射陣單元。匹配層選用Arlon AD 250，厚度為4.8 mm，其介電常數(shù)和損耗正切分別為2.5和0.001 8；介質(zhì)基板選用Arlon AR 600，厚度為3.3 mm，其介電常數(shù)和損耗正切分別為6和0.003 5。金屬開口環(huán)位于兩層介質(zhì)的交界面處，金屬環(huán)外徑為6.6 mm，金屬環(huán)線寬為0.3 mm，金屬環(huán)開口方向與x軸夾角(α)為60°。反射陣單元同樣采用三角形排列，相鄰陣元的中心距離為8.0 mm。

圖 5為不同開口方向的反射陣單元的主極化和交叉極化反射系數(shù)仿真結(jié)果，其中電磁波的入射方向為法向入射。由仿真結(jié)果可知，該反射陣單元在法向電磁波激勵的情況下，具有穩(wěn)定的主極化反射特性和低交叉極化特性，交叉極化反射系數(shù)小于-20 dB。

圖5 法向電磁波的主極化反射系數(shù)和交叉極化反射系數(shù)仿真結(jié)果

采用周期性邊界條件模擬無限大反射陣面對斜入射電磁波的主極化反射系數(shù)和交叉極化反射系數(shù)。圖6為寬角反射陣單元的主極化反射曲線仿真結(jié)果。由于反射陣單元間距變大，并加載了匹配層，其透波頻帶向低頻移動。從圖6中可看出，在7～10.5 GHz的寬頻帶范圍內(nèi)，當(dāng)入射角逐漸增大到70°的過程中，主極化反射系數(shù)優(yōu)于0.37 dB。與常規(guī)單元的主極化反射系數(shù)相比，寬角單元的主極化反射系數(shù)提高了約0.63 dB。

圖6 寬角反射陣單元的主極化反射系數(shù)仿真結(jié)果

圖7為寬角反射陣單元的交叉極化反射曲線。從圖7可看出，在0°～70°入射角范圍內(nèi)，寬角單元的交叉極化反射系數(shù)優(yōu)于-13.2 dB。與常規(guī)單元的交叉極化反射系數(shù)相比，寬角單元的交叉極化反射系數(shù)降低了約6.2 dB。上述仿真結(jié)果證明，該設(shè)計方法改善了反射陣單元的角度特性，擴(kuò)展了反射陣單元的照射角度范圍。

圖7 寬角反射陣單元的交叉極化反射系數(shù)仿真結(jié)果

4 結(jié)束語

針對常規(guī)反射陣單元對饋源入射角度敏感、大角度入射時單元交叉極化差的技術(shù)難題，提出一種基于匹配層技術(shù)的寬角單元設(shè)計方法，并采用折射定律對該新型寬角單元的工作原理進(jìn)行定性分析。以金屬開口環(huán)單元為例，對常規(guī)反射陣單元和新型寬角單元進(jìn)行了大量仿真計算，對比它們在不同入射角度下的主極化反射系數(shù)和交叉極化反射系數(shù)，仿真分析說明該新型反射陣單元顯著提高了反射陣單元的寬角工作性能，可推廣應(yīng)用于緊湊型反射式天線系統(tǒng)中。

[1] Berry D G,Malec H R G,Kennedy W A. The Reflectarray Antenna [J]. IEEE Trans.Antennas Propagat,1963,11:645-651.

[2] 高志明，何應(yīng)然，張文靜.一種純介質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬帶反射陣天線單元特性分析[J].無線電通信技術(shù),2015,42(1):69-72.

[3] 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)計方法[J]. 無線電通信技術(shù),2017,43(1):77-80.

[4] Chaharmir M R,Shaker J,Gagnon N,et al. Design of Broadband,Single Layer Dual-Band Large Reflectarray Using Multi Open Loop Elements [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2010,58:2875-2883.

[5] Pan Y,Zhang Y,Yu X. A X/Ku Dual-band Reflectarray Design with Cosecant Squared Shaped Beam [J]. Microwave and Optical Technology Letters,2014,56(9):2028-2034.

[6] 趙晉娟,龔書喜. 低RCS及寬頻微帶平面反射陣天線的設(shè)計[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[7] Xu S, Rajagopalan H. Subreflectarrays for Compact Dual Reflector Antenna Systems [C]∥2011 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI),2011：2195-2197.

[8]Abd-Elhady M,Hong W,Zhang Y. A Ka-Band Reflectarray Implemented with a Single-Layer Perforated Dielectric Substrate [J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,11：600-603.

[9] Nayeri P, Liang M,Sabory-García R,et al. High Gain Dielectric Reflectarray Antennas for THz Applications [C]∥2013 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium (APSURSI) ,2013,9(6):1124-1125.

[10]李瑞華.寬帶反射陣天線的研究與設(shè)計[D]. 西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[11]陳青勇,屈世偉. 微帶平面反射陣列天線的研究與設(shè)計[D]. 成都：電子科技大學(xué)，2010.

[12]趙明洋.張廣求.寬帶圓極化微帶反射陣列研究[D].鄭州：解放軍信息工程學(xué)院，2013.

[13]Huang J,Encinar J A. Reflectarray Antenas [M]. New York:John Wiley & Sons,2008:27-29.

Design of a Broad-angle Circular Polarization Element Used in Reflectarray Antenna

JIA Dan,WU Yan-fei,HE Ying-ran

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

The element design is critical to the overall performance of a reflectarray antenna. Unfortunately,the performance of an ordinary reflectarray element will degrade as the incident angle of an electromagnetic wave gets large,which prevents its application in a compact antenna with small focal-length-diameter ratio. A novel reflectarray element loaded with matching layer is proposed in this paper to deal with the narrow-angle range issue of ordinary elements. The matching layer can convert the large incident angle of electromagnetic excitation in the air into small incident angle within the dielectric layer,so the element can work in broad angle. As an example,a metallic split-ring element working at X-band is designed and simulated. The reflectivity of co-polarization wave is elevated and the reflectivity of cross polarization wave is reduced when the matching layer technique is adopted.

reflectarray;broad-angle circular polarization;matching layer;refraction law

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.14

賈丹,武彥飛,何應(yīng)然.一種寬角圓極化平面反射陣天線單元設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2017,43(4):60-63.

[JIA Dan,WU Yanfei,HE Yingran. Design of a Broad-angle Circular Polarization Element Used in Reflectarray Antenna[J].Radio Communications Technology,2017,43(4):60-63.]

2017-02-21

河北省應(yīng)用基礎(chǔ)研究計劃重點基礎(chǔ)研究項目(16960404D)

賈 丹(1987—)，女，博士，工程師，主要研究方向：超材料天線技術(shù)。武彥飛(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：超材料天線技術(shù)。何應(yīng)然(1986—)，男，博士，高級工程師，主要研究方向：超材料天線技術(shù)。

TN821

A

1003-3114(2017)04-60-4