寬帶透射陣設(shè)計(jì)及其近場(chǎng)研究

張巖/ZHANG Yan，趙超超/ZHAO Chaochao，賈田揚(yáng)/JIA Tianyang

（1. 北京航空航天大學(xué)，中國(guó)北京 100191；2. 中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院，中國(guó)北京 100094）

在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中，電磁波的調(diào)控主要通過(guò)介質(zhì)透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。隨著科技的發(fā)展，無(wú)線通信、航空航天等行業(yè)迫切需要具有高增益、寬頻帶、小重量等特性的天線，同時(shí)基于電磁超表面設(shè)計(jì)思路的反射陣天線和透射陣天線等概念被陸續(xù)提出。與反射陣不同，透射陣的饋源放置于輻射口徑面的前側(cè)，避免了饋源遮擋問(wèn)題。1982年，R.MILNE[2]首次提出透射陣天線，隨后透射陣的發(fā)展一直比較緩慢。1997年，香港中文大學(xué)的K.W.LAM 等[3]通過(guò)口徑耦合微帶貼片加載傳輸線的方式實(shí)現(xiàn)了360°相移的透射陣單元。2006年，M.R.CHAHARMIR等[4]采用多層十字形陣子單元分別設(shè)計(jì)了單頻和雙頻的透射陣天線。這些均為透射陣的蓬勃發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

透射陣的代表性設(shè)計(jì)方法有3 種：多層頻率選擇性表面、 接收機(jī)- 發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)、 極化轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。 H.NEMATOLLAHI 等[5]設(shè)計(jì)了一種3 層透射陣單元，可以實(shí)現(xiàn)360°相移。AN W.X.等[6]使用垂直放置的金屬圓柱連接兩個(gè)金屬層，可以有效增大傳輸系數(shù)幅度和傳輸相移范圍。然而，由于頻率選擇表面（FSS）單元的工作帶寬具有局限性，整個(gè)透射陣的工作帶寬十分狹窄。雖然我們可以通過(guò)增加層數(shù)來(lái)擴(kuò)展帶寬，但是隨著層數(shù)的增加，天線的剖面和復(fù)雜度會(huì)大大增加。P.PADILLA等[7]提出了一種包括接收天線、微帶傳輸線和輻射天線3個(gè)部分的透射陣結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)節(jié)微帶傳輸線的長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)相位調(diào)節(jié)。XIAO L.等[8]設(shè)計(jì)了一種基于緊耦合偶極子的寬帶平面透射陣天線，該天線可以在9.5～16 GHz之間穩(wěn)定工作。具有接收-發(fā)射結(jié)構(gòu)的透射陣天線的帶寬取決于輻射器和移相器的性能，可有效擴(kuò)大透射陣的帶寬范圍。K.MAVRAKAKIS等[9]提出了一種新的基于極化旋轉(zhuǎn)的低剖面、寬頻帶透射陣結(jié)構(gòu)。透射陣單元包括3 個(gè)金屬層，相鄰金屬層之間由介質(zhì)層隔開(kāi)。

本文的主要研究?jī)?nèi)容包括：基于緊耦合偶極子結(jié)構(gòu)和時(shí)間延遲線技術(shù)設(shè)計(jì)了一種工作于3～9 GHz 的寬帶透射陣單元，然后對(duì)其菲涅爾區(qū)電場(chǎng)特性進(jìn)行研究，并對(duì)所設(shè)計(jì)的天線進(jìn)行加工測(cè)試。

1 透射陣設(shè)計(jì)

本節(jié)主要針對(duì)基于緊耦合偶極子設(shè)計(jì)的寬帶透射陣天線展開(kāi)研究，詳細(xì)介紹了寬帶透射陣天線的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

1.1 寬帶透射陣原理分析

透射陣天線的主要作用是將球面波轉(zhuǎn)換為平面波，如圖1所示。

圖1 透射陣工作原理示意圖

圖1 透射陣工作原理示意圖

假設(shè)產(chǎn)生的定向波束沿(θ0,φ0)方向傳輸，出射場(chǎng)的相位記為φi，φi可以表示為：

其中，k0是自由空間中的傳播常數(shù)，(xi,yi)是透射陣陣面上第i個(gè)單元中心位置的坐標(biāo)。定義Ri為饋源到第i個(gè)單元的中心位置的距離，Φi(xi,yi)為第i個(gè)單元補(bǔ)償?shù)南辔唬剑?）中等式左右兩邊分別除以k0，可以得到：

可以看出，在一個(gè)頻率范圍內(nèi)，一個(gè)透射陣單元的等效延遲距離不會(huì)隨著頻率的變化而改變。因此，該透射陣單元可用于補(bǔ)償該工作頻帶內(nèi)任意頻率的空間相位延遲。

1.2 寬帶透射陣單元設(shè)計(jì)

寬帶透射陣單元的整體結(jié)構(gòu)示意圖、上下層偶極子圖案如圖2所示。該透射陣單元由一對(duì)緊耦合偶極子、一對(duì)平行雙導(dǎo)線和金屬接地板3 個(gè)部分組成。為避免共模諧振的發(fā)生，本文通過(guò)基于時(shí)間延遲技術(shù)的平行雙導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)超寬帶工作頻帶內(nèi)的相移可調(diào)。

圖2 設(shè)計(jì)的寬帶透射陣單元結(jié)構(gòu)模型

其中，兩個(gè)偶極子天線分別印刷在材料為Rogers RO4003C的介質(zhì)板上、下表面上。介質(zhì)板厚度為0.813 mm，介電常數(shù)為3.55。緊耦合偶極子天線之間的耦合電容是通過(guò)相鄰單元末端的橫向枝節(jié)和位于介質(zhì)板異側(cè)的寄生貼片引入的。偶極子天線的接地板由兩片金屬組成，兩個(gè)金屬片之間的間距為5 mm。設(shè)計(jì)的透射陣單元的具體參數(shù)如表1所示。

表1 寬帶透射陣單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)

寬帶透射陣單元的設(shè)計(jì)可以分為緊耦合偶極子天線單元設(shè)計(jì)和傳輸線設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

1.2.1 緊耦合偶極子天線設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的天線在蝶形緊耦合偶極子單元的基礎(chǔ)上，通過(guò)在輻射貼片同側(cè)增加橫向枝節(jié)并在輻射貼片異側(cè)增加寄生貼片實(shí)現(xiàn)了相鄰偶極子單元之間的耦合電容強(qiáng)度增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)了超寬帶的工作特性。

天線模型及其等效電路如圖3所示，C1表示由橫向枝節(jié)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的耦合電容，C2表示由寄生貼片結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的耦合電容。圖4為本文設(shè)計(jì)的緊耦合偶極子天線反射系數(shù)與頻率的關(guān)系圖。由圖4可以看出，在3～9 GHz的頻率區(qū)間里，反射系數(shù)均小于-10 dB。

圖3 設(shè)計(jì)的緊耦合偶極子天線模型

圖4 緊耦合偶極子天線反射系數(shù)

1.2.2 傳輸線設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，我們對(duì)傳輸線的直角彎頭進(jìn)行了切角處理。傳輸線參數(shù)L的取值為1～15 mm內(nèi)的整數(shù)，仿真得到各取值條件下對(duì)應(yīng)的傳輸系數(shù)幅度曲線如圖5 所示。從仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)L取值不同時(shí)，插入損耗均小于1.8 dB，傳輸系數(shù)的相位會(huì)隨著頻率和參數(shù)L的變化而改變。

圖5 透射陣單元仿真結(jié)果

圖6給出了透射陣單元在不同頻率下的歸一化等效延遲距離。可以看出，在不同頻率下的歸一化曲線幾乎重合，這說(shuō)明該透射陣單元的歸一化等效延遲距離在3～9 GHz 頻段內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)，滿足透射陣寬帶工作特性的要求。

在MATLAB 中使用數(shù)理統(tǒng)計(jì)中的最小二乘法，得到擬合函數(shù)如下：

擬合的曲線如圖6所示。使用擬合曲線能夠有效減少陣面在不同工作頻點(diǎn)的誤差損耗。

圖6 透射陣單元的歸一化等效延遲距離

1.2.3 饋源設(shè)計(jì)

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的Vivaldi 天線，在輻射金屬面上進(jìn)行開(kāi)槽，可減小終端反射的電流，改善天線反射系數(shù)，提高天線輻射特性。同時(shí)，也可以改變扇形短路端的張角，對(duì)饋電部分的阻抗匹配進(jìn)行優(yōu)化。圖7給出了相應(yīng)的天線模型及其反射系數(shù)曲線和方向圖。

圖7 Vivaldi天線模型及其反射系數(shù)曲線和方向圖

1.3 陣面設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的透射陣由30×15 個(gè)單元組成，陣面尺寸為300 mm×300 mm，焦徑比為0.5。圖8 為以透射陣中心位置的單元為參照得到的電磁波在空間傳輸過(guò)程中的等效延遲距離分布。依據(jù)等效延遲距離和單元傳輸線參數(shù)L之間的函數(shù)關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)透射陣的設(shè)計(jì)。最終的模型圖如圖9所示。

圖8 透射陣口徑面歸一化等效延遲距離分布

圖9 透射陣模型圖

2 寬帶透射陣天線的性能分析

基于擬合函數(shù)的設(shè)計(jì)方法，本文實(shí)現(xiàn)了寬帶透射陣天線的陣面排布和聯(lián)合仿真。距離陣面150 mm 平面處的電場(chǎng)分布如圖10所示。

圖10 電場(chǎng)分布圖

由仿真結(jié)果可以看出，在透射陣的菲涅爾區(qū)，中心區(qū)域的相位波動(dòng)較小，幅度波動(dòng)較為明顯，這是因?yàn)橥干潢囀且韵辔粸橐罁?jù)進(jìn)行陣面設(shè)計(jì)與排布的。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)后，該透射陣有望用于天線測(cè)量系統(tǒng)。

3 寬帶透射陣天線的加工應(yīng)用

為了證實(shí)設(shè)計(jì)方法的有效性，我們加工制造了透射陣樣品（如圖11 所示），并對(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試。如圖12 和圖13所示，天線具有穩(wěn)定的輻射方向圖，能夠?qū)崿F(xiàn)較好增益。

圖11 透射陣天線測(cè)試演示圖

圖12 測(cè)試和仿真增益和口徑效率曲線

圖13 不同頻率下方向圖測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于緊耦合偶極子的寬帶透射陣天線，可實(shí)現(xiàn)3～9 GHz 的超寬工作帶寬。其中，寬帶透射陣單元由緊耦合偶極子結(jié)構(gòu)和平行雙導(dǎo)線組成，在較寬工作頻帶內(nèi)具有良好的傳輸特性和360°的相移特性。此外，本文還對(duì)菲涅爾區(qū)電場(chǎng)分布進(jìn)行了研究，為了證實(shí)設(shè)計(jì)方法的有效性，對(duì)所設(shè)計(jì)的透射陣天線進(jìn)行了加工與測(cè)試。

致謝

本研究得到北京航空航天大學(xué)呂善偉教授和全紹輝教授的幫助，向他們表示感謝！