一種應(yīng)用于衛(wèi)星通信的 Ku頻段寬帶反射陣天線

劉偉

【摘要】? ? 設(shè)計(jì)了一款工作于Ku頻段、應(yīng)用于衛(wèi)星通信的寬帶反射陣天線。陣列單元采用的是單層多諧振平行偶極子形式，通過優(yōu)化單元結(jié)構(gòu)，得到寬頻帶范圍內(nèi)較線性的反射相位響應(yīng)及較大的相位變化區(qū)間。在此單元的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)口徑480mm的共40×40個(gè)單元的反射陣天線，天線在Ku頻帶內(nèi)具有穩(wěn)定的增益及較低的副瓣電平。

【關(guān)鍵詞】? ? 衛(wèi)星通信? ? 寬帶? ? 單層? ? 反射相位

引言

反射陣天線是將拋物反射面天線平面化并結(jié)合陣列天線的若干優(yōu)點(diǎn)而形成的一種新的天線類型。相比于彎曲的拋物反射面天線，反射陣天線因其平面化的結(jié)構(gòu)而更易于加工、剖面更低、體積更小、重量更輕[1]。其一般由呈周期性排布單元組成的反射陣面和饋源組成，由于饋源發(fā)出的電磁波到反射陣面上每個(gè)陣元的傳播距離不一致，陣面上的每個(gè)單元都需要通過設(shè)計(jì)使其具有特定的反射相位來補(bǔ)償因傳播距離不一致引入的相位延遲。通過對(duì)各個(gè)單元的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使其具備所需的反射相位，就能在輻射遠(yuǎn)場(chǎng)的所需方向上將饋源發(fā)出的球面波匯聚成等相位波前的窄波束。

然而，微帶反射陣天線也不可避免地繼承了微帶的窄帶特性，使得天線的增益帶寬相對(duì)于拋物反射面天線較窄[2]。為了提高反射陣天線的帶寬，可以采用多層結(jié)構(gòu)，但相應(yīng)的加工成本和復(fù)雜性也會(huì)提高[3-5]。本設(shè)計(jì)中采用單層多諧振平行偶極子單元形式，通過多諧振拓寬天線帶寬，同時(shí)單層的結(jié)構(gòu)又保證了加工簡(jiǎn)易度。

一、單元設(shè)計(jì)與分析

本設(shè)計(jì)中采用五個(gè)平行偶極子形式的單元，結(jié)構(gòu)如圖1所示。此形式的單元本質(zhì)上是一種多諧振結(jié)構(gòu)，增加單元中偶極子的數(shù)量可以增加諧振點(diǎn)的數(shù)量，從而展寬反射陣的有效相位響應(yīng)頻率帶寬，也能展寬單一頻點(diǎn)處單元的有效相位變化范圍。

單元印刷在厚度3.175mm、介電常數(shù)2.2、損耗角正切0.0009的Arlon Diclad 880介質(zhì)基板上側(cè)，介質(zhì)板下側(cè)為反射板。單元周期為12mm，中間最長(zhǎng)偶極子的長(zhǎng)度為l0，而兩側(cè)偶極子相互對(duì)稱，且長(zhǎng)度與l0成比例變化，長(zhǎng)度分別為l1=l0×r1，l2=l0×r2。中間偶極子的寬度為w0，兩側(cè)第一根和第二根偶極子的寬度分別為w1和w2。中間偶極子與兩側(cè)第一根偶極子之間的間距為g1，兩側(cè)第一根與第二根偶極子之間的間距為g2。

通過優(yōu)化調(diào)整參數(shù)l0，r1，r2，g1和g2的值，可以使單元獲得最佳的反射相位響應(yīng)曲線。單元通過仿真優(yōu)化后，確定的各參數(shù)數(shù)值如表1所示。固定其他參數(shù)數(shù)值后，通過改變中間偶極子的長(zhǎng)度l0，可以獲得比較線性的反射相位曲線，而且不同頻點(diǎn)處的反射相位曲線幾乎平行，如圖2所示，說明此單元形式具有非常好的寬帶特性。

二、反射陣設(shè)計(jì)與分析

根據(jù)優(yōu)化好的反射陣單元，設(shè)計(jì)了一款由40×40個(gè)單元組成的反射陣天線，饋源采用矩形標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，饋電采用中饋方式，焦距為330mm。

2.1單元相位計(jì)算

在圖3所示的示意圖中，要產(chǎn)生圖中所需方向的波束，反射陣中每個(gè)單元所需相位值依據(jù)以下公式計(jì)算：

（1）

k0為真空中的傳播常數(shù)，（xi ， yi）是單元i的坐標(biāo)?？紤]到饋源輻射到每個(gè)單元的傳播路徑不同，因此每個(gè)單元需要一個(gè)補(bǔ)償?shù)南辔恢?，?/p>

（2）

di為饋源的相位中心到單元的距離，為每個(gè)單元需要補(bǔ)償?shù)南辔恢?，通過（1）和（2）可以得出反射陣上每個(gè)單元需要設(shè)計(jì)的補(bǔ)償相位為

（3）

2.2反射陣天線分析

根據(jù)上節(jié)計(jì)算得出的反射陣中每個(gè)單元需要的相位值，通過Matlab編寫腳本，在HFSS軟件中建立了40×40個(gè)單元的反射陣模型，結(jié)合饋源喇叭天線進(jìn)行了仿真計(jì)算，并加工制作了天線樣機(jī)進(jìn)行了測(cè)試，樣機(jī)如圖4所示。

天線的仿真與實(shí)測(cè)方向圖如圖5所示，從中可以看出，天線在Ku頻段內(nèi)的增益穩(wěn)定，在接收和發(fā)射頻段的中心頻點(diǎn)處增益分別為33.7dBi和34.7dBi。

在12.5GHz處的波束寬度為3.6°，副瓣電平為-21.3dB。在14.25GHz處的波束寬度為3.4°，副瓣電平為-22.8dB。實(shí)測(cè)與仿真的曲線吻合較好，之間輕微的差異主要是由測(cè)試工裝和環(huán)境引起的。

三、 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款工作于Ku頻段、應(yīng)用于衛(wèi)星通信的寬帶反射陣天線。反射陣元采用的是多諧振平行偶極子形式，陣面為40×40個(gè)單元。

最終加工了樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證，天線的實(shí)測(cè)與仿真性能非常吻合。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]? J. Huang and J. A. Encinar， Reflectarray Antennas[M]. Hoboken， NJ，USA： Wiley–IEEE， 2008.

[2]? Ji Hwan Yoon， Y. J. Yoon. Broadband Microstrip Reflectarray With Five Parallel Dipole Elements[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2015， 14： 1109-1112.

[3]? J. Encinar and J. A. Zornoza. Broadband design of a three-layer printed reflectarray[J]. IEEE Trans. Antennas Propag， 2003， 51（7）： 1662–1664.

[4]? J. H. Park， H. K. Choi， and S. H. Kim. Design of Ku-band reflectarrayusing hexagonal patch with crossed slots[J]. Microw. Opt. Technol. Letters， 2012， 54（10）： pp. 2383–2387.

[5]? D. M. Pozar. Bandwidth of reflectarrays[J]. Electron. Lett.， 2003， 39（21）： 1490–1491.