X波段圓極化透射陣天線

韓杼濱，齊洋瀟，李建瀛，杜 彪

(1.西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安 710129；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

透射陣天線是透鏡天線和微帶陣列天線的組合，具有高增益、低質(zhì)量、低成本和無饋電網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)點。透射陣天線與反射陣天線相比，天然地解決了饋源遮擋地問題。近年來，透射陣天線逐漸成為一個研究熱點，許多研究方向都值得探索，比如多波束[1]、高口徑效率[2]、低剖面[1,3-4]和波束掃描[5-8]等。文獻(xiàn)[1]采用了縫隙陣列天線來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的饋源天線，從而降低了透射陣天線的剖面，并且根據(jù)優(yōu)化算法計算補(bǔ)償相位實現(xiàn)了多波束方向圖的賦形。文獻(xiàn)[2]基于電路的分析方法提出了一種全金屬的透射陣單元，由于完全沒有電介質(zhì)材料的損耗且采用了不同層數(shù)的單元設(shè)計透射陣，該透射陣天線可以達(dá)到62%的最大口徑效率。文獻(xiàn)[3]基于一種寬帶的帶通頻率選擇超表面設(shè)計了一種透射陣單元，該單元能夠在大入射角度下保持穩(wěn)定的性能，因此能夠在0.36的焦距比下?lián)碛?6%的1 dB增益帶寬和60%的最大口徑效率。文獻(xiàn)[4]采用了將傳統(tǒng)透射陣進(jìn)行折疊的方法，可以讓透射陣天線剖面降低到原來的1/3，但是由于電磁波的多次反射會引入較大損耗，導(dǎo)致該透射陣天線口徑效率的降低，最終該天線在0.22的焦徑比下實現(xiàn)了32.8%的口徑效率。文獻(xiàn)[5-7]均基于PIN二極管的通斷特性實現(xiàn)透射陣單元的相位可重構(gòu)，通過控制每個透射陣單元上二極管的狀態(tài)實現(xiàn)波束的偏轉(zhuǎn)。文獻(xiàn)[8]基于饋源天線的波束切換實現(xiàn)了透射陣天線的波束掃描。

透射陣天線一般由一個饋源天線和透射陣面組成，其中透射陣面是由周期結(jié)構(gòu)排布的透射陣單元組成。由于饋源天線到陣面上每個透射單元的距離不同，因此單元需要能夠?qū)崿F(xiàn)相位補(bǔ)償。相位補(bǔ)償?shù)牡湫头椒ㄓ校孩?圓極化透射陣通過旋轉(zhuǎn)單元實現(xiàn)相位補(bǔ)償[9-10]；② 通過改變單元的尺寸實現(xiàn)相位補(bǔ)償[11-13]；③ 采用相位延遲線實現(xiàn)相位補(bǔ)償[14-15]。

本文設(shè)計和仿真分析了一種具有極化轉(zhuǎn)換功能的透射陣單元，并基于此單元設(shè)計了透射陣天線。與傳統(tǒng)的透射陣天線相比，該透射陣能夠?qū)⒕€極化波轉(zhuǎn)換為圓極化波，并且剖面較低。

1 透射陣天線設(shè)計

1.1 透射陣相位補(bǔ)償原理

透射陣天線由2部分組成：饋源和透射陣面。由于透射陣面上不同位置的單元到饋源的距離不同，因此需要不同位置的單元提供特定的傳輸相位來抵消空間相位延遲，從而將球面波轉(zhuǎn)化為平面波，實現(xiàn)高增益。平面透射陣上不同單元的傳輸相位φ(x,y)為：

(1)

式中，λ為自由空間波長；(x,y)為不同透射陣單元的位置坐標(biāo)；F為饋源天線的相位中心到透射陣的距離，即焦距。對于某一個單元，其位置坐標(biāo)和焦距都是已知值，因此可以直接計算出其傳輸相位，再根據(jù)計算出的傳輸相位添加特定的補(bǔ)償相位從而實現(xiàn)相位補(bǔ)償。

1.2 透射陣單元的設(shè)計

典型的單元結(jié)構(gòu)如圖1所示，單元尺寸參數(shù)在表1中給出。該單元由2層介質(zhì)基板和3層金屬貼片交疊組成：頂層圓極化貼片、地板和底層U形槽貼片。底層的U形槽貼片作為接收層用于接收來自饋源的電磁波，之后電流通過中心處的金屬化通孔傳輸?shù)巾攲訄A極化金屬貼片從而輻射圓極化波，并且輻射層和接收層貼片中間用地板隔離。介質(zhì)基板使用的材料為Rogers RO4350(相對介電常數(shù)為3.66)，厚度t= 0.762 mm。采用旋轉(zhuǎn)圓極化貼片的設(shè)計方案，每個單元均可以實現(xiàn)0°～360°的相位補(bǔ)償。

圖1 透射陣單元結(jié)構(gòu)示意

表1 透射陣單元參數(shù)

為了更好地解釋該單元的極化轉(zhuǎn)換原理，在HFSS中采用周期邊界和FloquetPort進(jìn)行仿真，電磁波透過該單元后2個正交模式的幅度和相位情況如圖2所示。從圖2中可以看出，在10 GHz時，線極化波透過該單元后的2個正交模式電磁波的幅度相等，相位相差90°，即線極化波轉(zhuǎn)化為了圓極化波。透射陣單元透射幅度與圓極化貼片旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如圖3所示，可以看出隨著圓極化貼片的旋轉(zhuǎn)，透射陣單元的透射系數(shù)變化較大，但是10 GHz仍然能夠達(dá)到-3 dB以上。不同頻率下的移相曲線如圖4所示，可以看出該透射陣單元的移相方法對頻率比較敏感。由于透射陣單元在實際情況下大多采用斜入射，因此，圖5展示了在斜入射情況下的移相情況?？梢钥闯?，在60°的入射角范圍內(nèi)均可以實現(xiàn)要求的移相，且誤差可以接受，因此采用0.33焦徑比的設(shè)計是可以的。

(a) 2個模式的幅度情況

圖3 透射陣單元透射幅度與圓極化貼片旋轉(zhuǎn)角度的關(guān)系

圖4 不同頻率下圓極化貼片的旋轉(zhuǎn)角度與傳輸相位的關(guān)系

圖5 10 GHz時不同入射角度下圓極化貼片的旋轉(zhuǎn)角度與傳輸相位的關(guān)系

1.3 饋源天線與陣列設(shè)計

饋源采用角錐喇叭，由BJ-100標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)饋電。喇叭參數(shù)為：a= 25.4 mm,b= 12.7 mm,W= 22.54 mm,L= 37.54 mm,h= 5 mm。喇叭饋源的E面和H面仿真方向圖如圖6所示，圖中的虛線表示饋源喇叭的E面和H面照射透射陣的邊緣照射電平。在半照射角43.9°和56.5°時，邊緣照射電平分別為-6.5 dB和-9.0 dB。

圖6 喇叭饋源方向圖

透射陣及其饋源結(jié)構(gòu)示意如圖7所示。

圖7 透射陣天線及其饋源結(jié)構(gòu)示意

該極化轉(zhuǎn)換透射陣由周期排布的13×20個單元組成，該矩形口徑的尺寸為195 mm×300 mm。透射陣的焦距為101.5 mm，長邊口徑的焦徑比為0.33，短邊口徑的焦徑比為0.52，工作頻率為9.6～10.5 GHz。天線在10 GHz時的仿真方向圖如圖8所示，可以看出形成了一個約24.1 dBi的高增益波束，副瓣電平在-20 dB以下，交叉極化電平也低于-20 dB。

(a) E面仿真方向圖

2 天線樣機(jī)與實測結(jié)果

透射陣天線樣機(jī)照片、喇叭饋源的S11和天線軸比的仿真和測試結(jié)果如圖9所示，饋源喇叭和透射陣之間用FR4介質(zhì)板和尼龍柱支撐。從圖9可以看出，在9.5～10.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，天線的S11均小于-10 dB，天線的軸比均在3 dB以下。實測曲線與仿真存在一定差異，主要是由加工誤差和測量誤差引起的。

(a) 天線S11的仿真與實測

在微波暗室中測試了天線的輻射方向圖，10 GHz頻率的測試結(jié)果如圖10所示。從圖10可以看出，天線的實測副瓣在-20 dB以下，交叉極化電平小于-20 dB，這與圖8中的仿真結(jié)果相符。

(a) E面實測方向圖

天線增益和口徑效率的測試與仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，透射陣天線在10 GHz處增益和口徑效率均達(dá)到最大，其中增益約為24 dBi，口徑效率約為31%，3 dB增益帶寬約為9% (9.6～10.5 GHz)。

圖11 透射陣天線的增益和口徑效率曲線

表2比較了近幾年圓極化透射陣天線的相關(guān)文獻(xiàn)?？梢钥闯觯岢龅耐干潢囂炀€與已有的圓極化透射陣相比，天線的剖面較低，結(jié)構(gòu)比較緊湊，但是其3 dB增益帶寬較小，且口徑效率不高，這是后續(xù)有待改進(jìn)的地方。從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，所設(shè)計的透射陣單元的透射系數(shù)隨圓極化貼片的旋轉(zhuǎn)波動較大，在某些角度下的透射系數(shù)下降明顯，限制了該天線的最大增益以及最大口徑效率。從圖4中可以看出，透射陣的調(diào)相方式對頻率較為敏感，限制了該天線的3 dB增益帶寬。

表2 同類天線測試性能比較

注：文獻(xiàn)[13]與文獻(xiàn)[16]中的透射陣為圓形，因此天線口徑中給出的是天線口徑面半徑的電尺寸，其余文獻(xiàn)均為矩形。

3 結(jié)束語

本文提出了一種X波段圓極化透射陣天線。采用線極化貼片作為接收單元和圓極化貼片作為輻射單元實現(xiàn)了線極化波到圓極化波的轉(zhuǎn)換，通過旋轉(zhuǎn)圓極化貼片實現(xiàn)相位補(bǔ)償?；谏鲜鰡卧O(shè)計的透射陣天線在10 GHz處增益達(dá)到24 dBi，其口徑效率為31%，3 dB增益帶寬為9.6～10.5 GHz(9%)。后期可以通過增加介質(zhì)匹配層來提高透射陣單元的透射系數(shù)，從而提高天線的增益和口徑效率。