新型單層雙頻雙極化微帶反射陣天線的設(shè)計

薛 飛 王宏建 董興超

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新型單層雙頻雙極化微帶反射陣天線的設(shè)計

薛 飛①②王宏建*①董興超①②

①(中國科學院國家空間科學中心微波遙感技術(shù)重點實驗室 北京 100190)②(中國科學院大學 北京 100149)

該文提出一種新型的具有多諧振結(jié)構(gòu)的單層微帶反射陣單元，是由6個振子以一定的間隔平行放置組合而成，該單元具有良好的線極化特性。采用高頻電磁仿真軟件HFSS對單元的各個參數(shù)進行優(yōu)化分析，使得單元的反射相位曲線在兩個頻段內(nèi)均具有良好的線性度。根據(jù)此單元設(shè)計了一個工作在X/Ku波段的偏饋雙頻雙極化微帶反射陣天線，在兩個頻段內(nèi)采用同一個角錐喇叭天線作為其饋源。將此反射陣天線進行加工并測試，測試結(jié)果表明，在X波段中心頻率10 GHz和Ku波段中心頻率13.58 GHz處，天線均具有良好的輻射性能。實測和仿真結(jié)果吻合較好，證明了該反射陣天線具有良好的雙頻輻射性能。該文的設(shè)計對于微帶反射陣列天線實現(xiàn)雙頻雙極化性能具有重要的參考價值。

微帶反射陣天線；雙頻雙極化；多諧振結(jié)構(gòu)；偏饋

1 引言

近年來，高增益天線的應(yīng)用日益廣泛，傳統(tǒng)的高增益天線主要包括拋物面反射天線和陣列天線，但是兩者都存在明顯的缺點。高增益拋物面反射天線體積龐大，風阻大容易損壞，難以運輸，波束掃描范圍較小[1]，而且其曲面也對加工精度提出了很高的要求。陣列天線則是需要復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，這會導(dǎo)致其傳輸損耗增大，天線的效率很難保證。微帶反射陣天線是一種結(jié)合了上述兩種高增益天線的陣列，其具有質(zhì)量輕，加工簡單，價格低廉，易與微帶電路集成，易于和其他物體共形等特點，近年來得到了快速的發(fā)展與應(yīng)用。此外，微帶反射陣易于實現(xiàn)高天線效率，并且可以很容易地進行寬角度的波束掃描[2]。

傳統(tǒng)的微帶反射陣天線的帶寬通常都較窄[3]，因此實現(xiàn)雙頻或者多頻口徑復(fù)用是非常有意義的。雖然現(xiàn)有的雙頻雙極化反射陣天線已經(jīng)獲得了初步的應(yīng)用，但是要實現(xiàn)兩個頻段相近而且設(shè)計簡單的單層雙頻反射陣仍舊存在一定的難度。目前來說，微帶反射陣天線實現(xiàn)雙頻或者多頻工作主要有以下兩種形式：(1)將高低頻段的單元都置于同一層介質(zhì)上的單層結(jié)構(gòu)形式。在這種情況下，當高低頻率之間離得比較近時，其單元可以采用相同的周期，但是此時需要合理設(shè)計單元的形式以及排列方式，來減小頻率之間的互相干擾影響。但是當兩個頻率離得比較遠時，比如相差3~4倍時，高頻和低頻單元各自的周期以及單元與地板之間的距離的選取會存在一定的難度。文獻[6]中采用單層形式實現(xiàn)了7.1 GHz, 8.4 GHz和32 GHz的3頻段圓極化工作，其單元形式分別采用裂開的正方形環(huán)，十字形振子和嵌入偶極子的裂開圓環(huán)。相對于雙層結(jié)構(gòu)來說，單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于不存在上層對下層的遮擋及損耗影響，但不同頻率單元之間的互耦較大。(2)將不同頻段的單元置于不同的介質(zhì)層上的雙層結(jié)構(gòu)形式。低頻陣面置于高頻陣面之上[9,10]或者高頻陣面置于低頻陣面之上[11,12]這兩種形式都可以實現(xiàn)雙頻工作，文獻[9]中提出了一種新的單元形式，利用該單元設(shè)計了一個直徑為0.5 m的雙頻右旋圓極化反射陣，在7.3 GHz和31.75 GHz處均得到了較高的效率和較低的交叉極化性能。文獻[11]使用雙層結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了L波段和Ka波段的雙頻工作性能，上層高頻陣列的地板采用頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)有效地降低了上層對于下層的影響，較好地實現(xiàn)了雙頻工作性能。然而，雙層結(jié)構(gòu)形式具有其固有的缺點。首先，上層單元及其地板對于下層單元的遮擋會對下層單元工作的頻段的增益有很大的影響。其次，下層單元激發(fā)的諧振模式會影響上層單元陣列的增益和副瓣。最后，雙層結(jié)構(gòu)難以對齊且加工成本高。此外，采用具有分形結(jié)構(gòu)的單元也可實現(xiàn)雙頻或多頻工作，分形單元所具有的自相似性和自加載特性可以用來實現(xiàn)多頻工作或者展寬帶寬。然而上述文獻中均是對兩個頻段相距較遠時才適用，對于距離較近的兩個頻段來說，傳統(tǒng)的設(shè)計對于實現(xiàn)雙頻雙極化的的性能來說是具有一定的難度的。

本文提出了一種具有多諧振結(jié)構(gòu)的單層六平行振子微帶反射陣單元，通過對單元的各個參數(shù)進行掃描分析，得出一組較為合理的參數(shù)組合，然后對單元的極化特性進行了分析，驗證了采用該單元實現(xiàn)雙頻雙極化的可行性。接著采用該單元設(shè)計了一個工作于X/Ku波段的雙頻雙線極化微帶反射陣天線，該天線在不同的極化方向?qū)崿F(xiàn)不同的工作頻率。采用同一喇叭天線對反射陣的兩個不同頻段進行饋電，饋電方式為偏饋，并分別在兩個頻段處對反射陣進行仿真分析，結(jié)果表明反射陣具有較好的雙頻雙極化輻射性能。將此反射陣天線進行加工并測試，得到的測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合得較好。

2 微帶反射陣的基本原理

微帶反射陣天線與拋物面天線都是將饋源輻射出來的球面波波前，經(jīng)過天線的反射轉(zhuǎn)換成平面波波前，拋物面是利用其特有的幾何特性來調(diào)整入射波經(jīng)過反射后的相位，而微帶反射陣天線是利用每個單元的調(diào)相能力來調(diào)節(jié)天線口徑面上的相位分布的。微帶反射陣中的每個單元都要經(jīng)過合理的相位調(diào)節(jié)才能實現(xiàn)特定的波束指向或者波束特性。考慮如圖1所示的坐標系，對于波束指向為的微帶反射陣天線來說，第個單元所需引入的相移可表示為

3 單元的設(shè)計及分析

本文中提出的單層六平行振子單元結(jié)構(gòu)及其在陣中的排列方式如圖2所示，X波段單元與Ku波段單元以相同的周期交叉排列，該單元結(jié)構(gòu)簡單且具有多諧振結(jié)構(gòu)，適合作為微帶反射陣的單元，單元的工作極化方向為振子長度方向。周期取14 mm，即在10 GHz處為0.47個波長，在13.58 GHz處為0.63個波長。介質(zhì)的介電常數(shù)為2.25，厚度= 3 mm。中間兩個振子長度，兩邊振子的長度和正比于中間振子長度:,，其中為常數(shù)。振子寬度均為，相鄰振子之間的間距均為。采用文獻[16]中提出的WGA對單元的反射相位進行分析，得到單元的反射相位曲線。

圖1 微帶反射陣列天線原理圖

圖2 六平行振子單元結(jié)構(gòu)及排列方式

當入射波極化方向垂直于振子長度方向時，計算單元的反射相位曲線，其結(jié)果如圖6所示(該圖是在13.58 GHz處得出的結(jié)果，10 GHz處同樣可以得到類似的結(jié)論)。從圖6可知，在入射波的極化方向正交于單元振子的長度方向的情況下，當振子長度變化時，單元的反射相位變化很小，說明與該單元工作極化正交的線極化入射波對該單元的影響很小，也意味著單元具有良好的線極化特性。

對不同頻段的單元之間的互耦影響進行了研究，其單元模型如圖7所示，其中,，以低頻單元對高頻單元反射相位曲線的影響為例。圖8為低頻單元影響下的高頻單元的反射相位曲線。從圖8可以看出，低頻單元的存在與否，以及其尺寸大小對高頻單元反射相位曲線幾乎沒有影響。因此得出本文提出的單層六平行振子單元低頻對高頻的影響很小，通過類似的分析也可以得出高頻對低頻的影響很小。

4 反射陣的設(shè)計與仿真/實測結(jié)果

利用上述提出的單層六平行振子單元設(shè)計了一個工作在X/Ku波段的雙頻雙線極化微帶反射陣天線，天線模型結(jié)構(gòu)如圖9所示。在X波段處，其工作極化方向為極化，共有13×13=169個單元，饋源的相位中心距陣列的垂直距離=157.6 mm。在Ku波段處，其工作極化方向為極化，共有12×12=144個單元，饋源的相位中心距陣列的垂直距離=145.5 mm。為了消除正饋時饋源對反射陣的遮擋，該反射陣在兩個頻段內(nèi)均采用角錐喇叭天線偏饋的方式進行饋電，其入射角度均為，主波束方向均為垂直陣面方向，即圖9中軸方向。喇叭饋源天線在10 GHz和13.58 GHz處的仿真方向圖如圖10所示。

設(shè)計的微帶反射陣天線在X波段(10 GHz)的仿真方向圖如圖11所示，從圖11中可以看出，在10 GHz處仿真增益達到23.7 dB，波束準確地指向了=的方向。對于E面方向圖，副瓣為-15.5 dB，交叉極化低于-29 dB，對于H面方向圖，副瓣為-18 dB，交叉極化低于-34.4 dB。圖12 為反射陣天線在Ku波段(13.58 GHz)的仿真方向圖，從圖12可以得出，在13.58 GHz處仿真增益為24.7 dB，波束指向準確地指向=的方向。對于E面方向圖副瓣為-18.5 dB，交叉極化低于-28.6 dB，對于H面方向圖，副瓣為-13.5 dB，交叉極化低于-33.7 dB。

圖3 不同d的值對單元反射相位的影響(w=0.8 mm, k=0.7)

圖4 不同w的值對單元反射相位的影響(d=0.5 mm, k=0.7)

圖5 不同k值對單元反射相位的影響(d=0.5 mm,w=0.8 mm)

圖6 入射波極化方向垂直于振子單元長度方向時單元的反射相位曲線(13.58 GHz)

圖7 不同頻段的單元之間的互耦影響分析模型

圖8 低頻單元影響下的高頻單元的反射相位曲線(13.58 GHz)

圖9 雙頻雙極化微帶反射陣天線模型

為了驗證上述單元及所設(shè)計的微帶反射陣天線的有效性，對該天線進行加工并測試。圖13和圖14分別給出了反射陣天線在10 GHz和13.58 GHz處的實測方向圖。實測結(jié)果表明，在兩個頻段處波束指向均準確地指向了=的方向，反射陣天線在10 GHz處的實測增益為23.68 dB，E面方向圖的副瓣為-14.8 dB，H面副瓣為-17.2 dB，E面和H面的交叉極化均低于-26 dB。在13.58 GHz的實測增益為24.56 dB，E面方向圖副瓣為-19.5 dB，交叉極化低于-30 dB，H面副瓣為-13.5 dB，交叉極化低于-26.5 dB。在10 GHz處仿真與實測結(jié)果基本吻合，在13.58 GHz處實測與仿真的E面方向圖副瓣有些許差異，主要是由于天線的簡陋工裝使得饋源橫向偏焦引起的?？偟膩碚f，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合的較好。圖15和圖16分別給出了反射陣天線在X波段和Ku波段的實測增益和效率隨頻率變化的曲線，從圖15和圖16中可以得出，在X波段內(nèi)，1 dB增益帶寬(增益波動小于1 dB)約為12.5%(9.95~11.2 GHz)，在中心頻率10 GHz處，其實測效率為50.43%。在Ku波段內(nèi)，1 dB增益帶寬約為12.9%(12.41~14.17 GHz)，在中心頻率13.58 GHz處，其實測效率為40%。由于本文中設(shè)計的微帶反射陣天線饋源的偏置角度較大，因此在不同極化和不同頻率處的最大輻射方向會發(fā)生較小的變化。圖17給出了反射陣天線的最大輻射方向隨頻率變化的曲線，從圖17中可以看出，在上述X和Ku波段的1 dB增益帶寬范圍內(nèi)，最大輻射方向偏離方向的角度很小，均在±以內(nèi)。上述實測結(jié)果驗證了本文設(shè)計的反射陣天線良好的雙頻雙極化輻射性能。

圖10 喇叭饋源在10 GHz和13.58 GHz處的輻射方向圖

圖11 反射陣在X波段處的仿真方向圖(10 GHz)

圖12 反射陣在Ku波段處的仿真方向圖(13.58 GHz)

圖13 反射陣在X波段處的實測方向圖(10 GHz)

圖14 反射陣在Ku波段處的實測方向圖(13.58 GHz)

圖15 反射陣實測增益和效率與頻率的關(guān)系(X波段)

圖16 反射陣實測增益和效率與頻率的關(guān)系(Ku波段)

圖17 反射陣最大輻射方向與頻率的關(guān)系

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的多諧振單層微帶反射陣單元，該單元由6個振子平行放置組合而成，其結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)。利用該單元設(shè)計了一個工作在X/Ku波段的雙頻雙極化微帶反射陣天線，其X波段單元與Ku波段單元以相同的周期交叉排列于陣中。采用同一個角錐喇叭天線對反射陣的兩個不同頻段以偏饋的方式進行饋電。仿真分析表明該反射陣具有較好的雙頻雙極化輻射性能，將該反射陣進行加工并在微波暗室中進行測試，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好，驗證了該單元的有效性及反射陣天線工程可行性。本文中所介紹的設(shè)計思路及單元形式對于微帶反射陣列天線實現(xiàn)雙頻雙極化性能來說具有重要的參考價值。

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Design of Novel Single Layer Dual-band Dual-polarization Microstrip Reflectarray Antenna

XUE Fei①②WANG Hongjian①DONG Xingchao①②

①(,,,100190,)②(,100149,)

A novel single layer microstrip reflectarray element with multi-resonance structure is presented. The element is composed of six dipoles which are placed in parallel at a certain distance. The element has good linear polarization properties. Ansoft HFSS is used to optimize the parameters and linear reflection phase curves in two bands are achieved. A dual-band dual-polarization reflectarray composed of the elements is designed, fabricated and measured. The proposed reflectarray operates in two frequency bands within X band centered at 10 GHz and Ku band centered at 13.58 GHz. The reflectarray is offset fed by only one horn antenna for both bands in two orthogonal polarizations. Measured results show good radiation performance in both bands. A well coincide is obtained between the simulated and measured results, which demonstrate the desirable dual-band dual-polarization radiation performance of the reflectarray. The design is valuable to other reflectarray in achieving dual-band dual-polarization performance.

Microstrip reflectarray antenna; Dual-band dual-polarization; Multi-resonance; Offset fed

TN823

A

1009-5896(2017)03-0697-06

10.11999/JEIT160332

2016-04-07；改回日期：2016-08-25；

2016-10-17

王宏建 wanghongjian@mirslab.cn

薛 飛： 男，1989年生，博士生，研究方向為微帶反射陣列天線的研究與設(shè)計.

王宏建： 男，1969年生，研究員，博士生導(dǎo)師，研究方向為電磁場與微波技術(shù).

董興超： 男，1988年生，博士生，研究方向為微帶天線、縫隙耦合陣列天線的研究.