基于隨機點陣的平面反射陣列天線設計

田 楚， 劉宇峰， 趙明霞， 周向遠

(山西大學 物理電子工程學院， 山西 太原 030006)

微帶反射陣列天線具有低剖面、 重量輕、 成本低等優(yōu)點， 已經(jīng)在空間遙測、 航天器應用、 廣播衛(wèi)星服務等領域得到廣泛的應用[1-4]. 微帶反射陣列天線通常由饋源和平面反射陣列組成. 常見的反射單元類型有短線加載貼片[5,6]、 可變長度貼片[7,8]、 可變貼片旋轉(zhuǎn)角度[9,10]、 孔徑耦合貼片等[11,12].

與傳統(tǒng)的方法完全不同， 本文提出了一種隨機點陣結構的反射單元. 隨機點陣結構在結構上具有高自由度， 這為高性能天線提供了極大的設計靈活性， 已經(jīng)用于天線設計中[13-15]. 不同的點陣單元結構使得反射的電磁波具有不同的反射相位， 一旦產(chǎn)生足夠數(shù)量的隨機點陣反射單元能覆蓋期望的相位補償范圍， 就可以形成對應于點陣結構的反射相位的查找表， 這簡化了微帶反射陣列天線的設計過程. 本文基于隨機點陣反射單元設計了一款7×7微帶反射陣列天線， 仿真和測試結果表明， 在工作頻率5.8 GHz處， 天線的增益為 19.7 dBi， 阻抗帶寬為 6.0% (5.71～6.06 GHz)， 主旁瓣比優(yōu)于13.1 dB， 交叉極化小于-20 dB.

1 隨機點陣反射單元設計

隨機點陣反射單元的結構如圖 1 所示， 單元劃分為4個部分并且關于單元中心旋轉(zhuǎn)對稱， 其中每個部分包含8×8個邊長為a的方形像素， 每個像素可以為金屬或者介質(zhì)， 采用二進制編碼Pij(1≤i≤8; 1≤j≤8)表示每個像素的物理特性(金屬(Pij=1)， 介質(zhì)(Pij=0)).

圖 1 隨機點陣單元結構示意圖Fig.1 Geometry of a fragmented element

整個單元結構的邊長為L=31 mm(0.6λ0，λ0是5.8 GHz電磁波的自由空間波長)可以減少反射單元間的互耦以及分布式柵瓣的產(chǎn)生[16]. 隨機點陣反射單元印刷在介電常數(shù)εr=4.4 厚度為h2=3 mm的介質(zhì)基板上. 在介質(zhì)基板和金屬地板之間加有空氣層， 空氣層厚度為h3=7 mm.

為了抑制反射單元間的互耦， 在每個隨機點陣反射單元周圍添加金屬方環(huán). 如圖 2 電場分布圖所示， 在隨機點陣反射單元加方形金屬相對于沒有方形金屬時， 電磁能幾乎被束縛在金屬環(huán)內(nèi)， 兩個隨機點陣反射單元之間的耦合效應明顯減弱. 方形金屬環(huán)與反射單元邊緣之間的距離為L1， 金屬環(huán)寬度為L2， 隨機點陣反射單元結構與金屬環(huán)之間的間距為L3.

圖 2 5.8 GHz電場分布Fig.2 Simulated E-field distribution at 5.8 GHz

表 1 列出了反射相位關于L1，L2，L3和Pij參數(shù)變化的結果， 從表 1 中可知隨著參數(shù)變化反射單元相位離散地分布在[-518.54°,-35.85°]， 可以覆蓋360°范圍， 滿足微帶陣列天線設計的要求.

表 1 反射相位隨金屬環(huán)參數(shù)變化結果Tab.1 The reflection phase varies with the metal ring parameters

2 基于隨機點陣的微帶反射陣列天線設計

本文基于隨機點陣反射單元， 設計了一款7×7微帶反射陣列天線. 它的工作頻率是5.8 GHz， 口徑尺寸為224 mm×217 mm. 如圖 3 所示， 只有10個反射單元結構是不同的， 可以通過下面公式計算每個反射元件所需的相位補償：

φ1=k(Ri-ri·r0),

式中：k是真空中的傳播常數(shù)， 等于2π/λ；Ri是從饋源的相位中心到反射單元的距離；ri是從反射陣列中心到反射單元的矢量；r0是主波束方向上的單位矢量. 表 2 列出了每個隨機點陣反射單元所需的相位補償. 根據(jù)確定的隨機點陣反射單元的結構參數(shù)加工制作了天線實物， 如圖 4 所示. 饋源采用矩形貼片天線， 由兩個FR4介質(zhì)基板支撐， 地板和上層介質(zhì)板之間用雙頭尼龍螺絲固定.

圖 3 微帶反射陣列天線的結構示意圖Fig.3 The configuration of the microstrip reflectarray antenna

圖 4 天線實物圖Fig.4 Prototype of the fabricated antenna

?1/(°)?2/(°)?3/(°)?4/(°)?5/(°)-324.3-294.1-264.0-209.6-183.2?6/(°)?7/(°)?8/(°)?9/(°)?10/(°)-108.3-444.5-421.4-354.9-252.2

3 仿真和實測結果

使用Agilent E8362B矢量網(wǎng)絡分析儀測量天線的反射系數(shù)， 如圖 5 所示， 仿真和測量結果基本一致， -10 dB的阻抗帶寬為6%. 在微波暗室中測量了該陣列天線的輻射方向圖和增益， 由圖 6 可看出， 在5.8 GHz工作頻率下XZ平面和YZ平面上的測量和仿真輻射圖吻合良好， 測得的旁瓣比主瓣低13 dB.

圖 5 仿真和測量的S11Fig.5 Measured and simulated S11

圖 6 測量和仿真的方向圖

圖 7 是將測量的兩個天線增益進行比較， 其中一個天線采用隨機點陣反射單元， 另一個采用隨機點陣和方形金屬環(huán)組合的反射單元. 結果表明， 與前一個天線相比， 帶有方形金屬環(huán)的微帶反射陣列天線增益在5.5～6 GHz的頻帶范圍內(nèi)顯著提高， 它在5.8 GHz的工作頻率下將增益提高了2 dBi(從17.7 dBi增加到19.7 dBi).

圖 7 5.6～6 GHz增益變化圖Fig.7 Gain comparison with frequency varying from 5.6 to 6.0 GHz

4 結 語

本文提出了一種新穎的隨機點陣反射單元， 該隨機點陣反射單元在結構上具有高自由度， 可以獲得廣泛的相位分布， 這為反射陣列單元設計提供了一種新的方法. 為了減少元件之間的耦合并進一步改善天線的性能， 在每個隨機點陣反射單元周圍添加方形金屬環(huán). 基于這種隨機點陣反射單元和方形金屬環(huán)的組合設計并制造了一個微帶反射陣列天線， 它由饋源和7×7隨機點陣反射單元組成. 測量結果和仿真結果表明： 在5.8 GHz 的工作頻率下， 天線實現(xiàn)了高達19.7 dBi的高增益， 阻抗帶寬為6.0% (5.71～6.06 GHz)， 主旁瓣比優(yōu)于13.1 dB， 交叉極化小于-20 dB， 印證了隨機點陣結構設計反射單元的可行性.