新型微帶反射陣單元的設(shè)計及其應(yīng)用

薛 飛 王宏建 易 敏 劉 廣

（1.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 微波遙感技術(shù)重點實驗室，北京100190；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

引 言

微帶反射陣列天線是一種結(jié)合了拋物面反射天線和微帶陣列天線優(yōu)勢的天線陣，以重量輕、體積小、價格便宜、易于制造特別是易于和其他物體共形、易與微帶電路集成等優(yōu)點，自1978年提出后就受到了很高的重視并得到快速的發(fā)展.與一般拋物面反射天線類似，微帶反射陣列天線不需要饋電網(wǎng)絡(luò)，不存在寄生輻射和阻抗插入損耗，因此輻射效率較高.微帶反射陣由饋源和一組具備移相功能的微帶輻射單元組成，在饋源的照射下，每一個單元通過自身對入射波的移相功能，使反射波在特定方向上實現(xiàn)同相疊加，從而在該方向發(fā)出高增益波束

傳統(tǒng)的微帶反射陣列天線的帶寬通常都較窄，它的帶寬受到很多因素的影響，比如饋源的帶寬、陣元的帶寬、不同位置單元的空間相位延遲以及單元間距等［1］，其中陣元帶寬和不同位置單元的空間相位延遲這兩個因素最為關(guān)鍵.理想的寬帶反射陣單元的反射相位曲線在不同頻率處應(yīng)是相互平行的，并且與入射波的入射角無關(guān)，通過合理的選擇單元的形式和結(jié)構(gòu)可以得到較為理想的寬帶反射陣單元.較大的焦徑比可以減小空間相位延遲對帶寬帶來的影響，但是饋源的照射效率會受到影響，所以在設(shè)計反射陣天線時需要折衷考慮.分形天線結(jié)構(gòu)的自相似性使得天線可以多頻工作［2］，增加天線的工作帶寬，它的自加載特性也使天線的帶寬得到了展寬.將分形技術(shù)與微帶天線的設(shè)計相結(jié)合，在移動通信和衛(wèi)星通信及其他寬頻帶應(yīng)用系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力.

Vivaldi天線是由Gibson在1979年提出的一種天線形式［3］，該天線屬于非頻變天線，具有超寬的工作頻帶、良好的輻射定向性、輸入阻抗穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、平面易集成等特點.Vivaldi天線由一端較窄的槽線過渡到另一端較寬的槽線構(gòu)成，槽線過渡呈指數(shù)變化規(guī)律.由于其平面結(jié)構(gòu)對于反射波的遮擋很小，因此采用該天線作為微帶反射陣的饋源，可以很好地解決正饋時的饋源遮擋問題.

為了將饋源輻射出來的波轉(zhuǎn)變成一個聚焦波束，從每個反射單元反射出去的波必須有合適的相移.相移補償有四種典型的方式：一是在微帶貼片上加載不同長度的相位延遲線來實現(xiàn)不同的相移［4］.二是通過改變微帶反射單元的尺寸大小來實現(xiàn)相位補償，通過合理設(shè)計每個貼片的尺寸來調(diào)節(jié)反射波相位以補償從饋源到每個貼片由于空間距離不同而造成的相位延遲［5］.三是將相同的圓極化微帶單元旋轉(zhuǎn)不同的角度來實現(xiàn)不同的相移［6］.四是通過在貼片或貼片下的地板上加載不同長度的縫隙來實現(xiàn)相位補償［7］.本文中采用改變反射單元尺寸大小的方法來實現(xiàn)相位補償

文章中提出的單層的具有分形結(jié)構(gòu)的多諧振反射陣單元可以在獲得線性度較好的反射相位曲線的同時能提供約為430°的反射相位范圍.利用該單元設(shè)計了一個微帶反射陣，使用Vivaldi天線對其進行饋電，仿真結(jié)果表明在中心頻率處增益達到了27.1dB，在12～15.5GHz的頻帶內(nèi)，增益波動約2 dB.

1 微帶反射陣的基本原理

為了在指定方向上將球面波波前轉(zhuǎn)換成平面波波前，陣列單元的反射相位曲線范圍不得小于360°.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單的單層單元很難在達到360°相移的同時具有線性度較好的反射相位曲線，尤其在諧振長度附近，反射相位曲線隨尺寸變化的斜率較大，導(dǎo)致天線的帶寬很窄，同時增加了加工難度.通常來說，可以通過增加介質(zhì)厚度的方法來平滑反射相位曲線，但是這樣會使得反射相位的范圍減小從而達不到360°的要求.文獻［8］中采用多層貼片疊加的結(jié)構(gòu)來獲得平滑的并且相移范圍大于360°的反射相位曲線，然而多層貼片疊加結(jié)構(gòu)帶來的問題是增加了設(shè)計復(fù)雜度和加工難度，同時加大了天線造價.單層多諧振單元結(jié)構(gòu)［9］可以很好的滿足反射相位曲線的范圍要求和線性度要求.文獻［9］采用圓環(huán)和圓的組合的方式獲得了約為380°的移相范圍.本文提出的分形結(jié)構(gòu)就是一種采用多諧振特性的單元，在滿足反射相位曲線線性度及范圍要求的同時還能提供較寬的帶寬.

如圖1所示的坐標系，根據(jù)陣列天線理論，對于輻射方向為（θ0，φ0）的反射陣表面相位分布為

式中：k0為真空中的傳播常數(shù)；（xi，yi）是第i個單元的中心坐標.同時，各陣元的反射相位等于其入射相位加上自身引入的補償相位，即

式中：di代表饋源相位中心到第i個貼片單元的距離；φR（xi，yi）為第i個單元反射系數(shù)相位，也就是該單元所需的補償相位.由式（1）和式（2）可得，各單元所需的移相值為

通過式（3）可以計算出各個單元所需補償?shù)南辔?，然后根?jù)單元的反射相位曲線得出每個單元的尺寸.

圖1 微帶反射陣列天線原理圖［11］

2 新型分形單元的設(shè)計及分析

本文設(shè)計的具有寬頻帶的反射陣單元采用單層多諧振結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)如圖2所示.該單元結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn).為了得到較大的相移范圍和線性度較好的反射相移曲線，在介質(zhì)材料和接地板之間增加一層空氣層（實際加工測量中采用介電常數(shù)接近空氣的泡沫材料）.

圖2 單元結(jié)構(gòu)示意圖

該單元具有分形結(jié)構(gòu)，最外邊六邊形邊長為a，介質(zhì)的介電常數(shù)εr＝2.2，厚度為h1，空氣層厚度為h2，介電常數(shù)約為1.06.采用文獻［10］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.單元工作在Ku波段，柵格周期L取為13mm，文中采用HFSS對單元的反射相位特性進行仿真分析.

當a從1.5mm增加到6mm，分析不同的h1和h2的值對反射相位的影響.由圖3可以看出，當h1＝0.5mm和h1＝0.7mm時，反射相位曲線的線性度均較好且相位變化范圍較大，文章選擇h1＝0.5mm.圖4表明了不同空氣層厚度h2對單元反射相位曲線的影響，從圖中可以看出h2對單元反射相位曲線有較大的影響.當h2＝0mm時，反射相位幾乎沒有變化，當h2＝3mm時反射相位曲線的相位變化范圍較大，且線性度最好，故本文選擇h2＝3 mm.

圖3 介質(zhì)層厚度對反射相位的影響（h2＝3mm）

圖4 空氣層厚度對反射相位的影響（h1＝0.5mm）

綜上，當h1＝0.5mm，h2＝3mm，從曲線可以看出，隨著單元尺寸a從1.5mm到6mm變化時，相移范圍約為430°，滿足了微帶反射陣單元的相移范圍不小于360°的要求.

對六邊形單元、六邊形環(huán)單元以及本文提出的具有多諧振結(jié)構(gòu)的單元在中心頻率處的反射相位進行了比較，如圖5所示.由圖中曲線可以看出，本文所設(shè)計的結(jié)構(gòu)單元的反射相位變化范圍較大并且線性度也較好.

圖5 不同單元結(jié)構(gòu)的反射相位曲線

3 微帶反射陣的設(shè)計及結(jié)果

利用上文中提出的新型單元，設(shè)計了一個工作在Ku波段的微帶反射陣列天線來驗證文章該單元的有效性，該陣列結(jié)構(gòu)如圖6所示.陣列直徑D＝325mm，介質(zhì)層厚度h1＝0.5mm，εr＝2.2，泡沫層厚度h2＝3mm，介電常數(shù)約為1.06，L＝13mm，饋源的相位中心與陣列中心的距離F＝260mm，焦徑比F／D＝0.8，由于Vivaldi天線的平面結(jié)構(gòu)對反射波的遮擋很小，故本文采用Vivaldi天線作為饋源.該Vivaldi天線的加工樣機及實測方向圖如圖7和圖8所示.

圖6 微帶反射陣列天線模型

設(shè)計的平面微帶反射陣（Vivaldi天線作為其饋源）的仿真方向圖如圖9所示，可以看到在Ku波段的中心頻率處增益可以達到27.1dB，半功率波瓣寬度均為4.96°.對于E面（yoz面）方向圖，副瓣可以達到-16dB，對于H面（xoz面），副瓣約為-20 dB.不同頻率處的仿真增益方向圖如圖10所示.可以看到在12～15.5GHz的頻帶范圍內(nèi)增益波動約2dB，具有較寬的頻帶.

圖7 Vivaldi天線的加工樣機

圖8 Vivaldi天線在中心頻率處的實測方向圖

圖9 反射陣在中心頻率處仿真的增益方向圖

圖10 反射陣在不同頻率處的仿真增益

為了驗證上述單元及陣列設(shè)計的工程可用性，對微帶反射陣列天線進行加工，圖11給出了該微帶反射陣在中心頻率處實測的E面和H面方向圖.從圖中可以看出在該頻率處實測方向性系數(shù)為27.1 dB.E面方向圖的半功率波瓣寬度為5.3°，H面為4.9°，與仿真結(jié)果的差別主要是由于加工誤差和測試誤差造成的.此外，較為簡易的工裝也會使得測試結(jié)果變差.但是總體說來與仿真結(jié)果吻合較好.

圖11 微帶反射陣的實測方向圖

4 結(jié) 論

提出了一種新型的多諧振單元作為平面微帶反射陣的陣元，該單元具有寬頻帶特性，并且為單層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn).采用該單元設(shè)計了一個微帶反射陣列天線，使用Vivaldi天線對其進行饋電，仿真結(jié)果表明，該反射陣具有較寬的帶寬.將該微帶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.由該單元組成的微帶反射陣具有高增益、寬頻帶、低副瓣的特性，具有較高的工程應(yīng)用價值.

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