一種純介質結構的寬帶反射陣天線單元特性分析

高志明，何應然，張文靜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

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一種純介質結構的寬帶反射陣天線單元特性分析

高志明，何應然，張文靜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

摘要:提出一種基于純介質結構的寬帶反射陣單元結構。首先通過改變介質基片的介電常數，研究了純介質單元的移相特性，然后采用阻抗匹配層技術，獲得了寬帶范圍內平坦的相移曲線。由于自然材料的介電常數難以連續變化，這里使用介質基片開孔結構，實現了等效的介電常數非均勻分布。目前主流的反射陣天線使用微帶貼片作為陣列單元，它存在工作帶寬窄、相移范圍受限的問題。提出的純介質單元則為寬帶反射陣天線的設計提供了一種新思路。

關鍵詞:反射陣天線;介質開孔結構;阻抗匹配層;移相值

0引言

反射陣天線綜合了拋物面天線和傳統微帶陣列天線的雙重優點。與傳統微帶貼片陣列天線相比，平面反射陣天線沒有功分網絡，所以不存在饋電損耗，因此它有較高的輻射效率[1];與拋物面天線相比，平面反射陣列天線體積小、剖面低和重量輕，其平面結構可折疊，易于與其他載體共形[2]。

反射陣天線是依靠單元的相位補償進行工作，相位補償的準確度直接關系到天線的整體增益、帶寬等輻射性能。因此，相位補償過程中可能出現的相位誤差便成為制約反射陣天線帶寬的重要因素[3]。目前主流的反射陣天線使用微帶貼片作為陣列單元[4]，采用調整單元尺寸的方式移相。然而傳統的微帶單元移相曲線的相移范圍有限，往往不足360°，并且非線性特征明顯[5-6]。

1反射陣天線基本原理

反射陣天線由平面反射陣面和饋源喇叭組成，

如圖1所示[7]。

圖1反射陣天線組成

反射陣面是由大量反射陣單元組成的平面陣列。其工作機理是:電磁波從喇叭饋出以后，沿著不同的傳輸路徑到達每個反射陣單元，傳輸路徑長度的差異將導致各單元所接收的入射場發生不同的空間相位延遲，通過合理設計每個單元，使其能對入射場進行適當相位補償，讓反射場在天線口徑面上形成所需的同相位波前。

2新型單元結構及相移特性

本文設計的新型純介質結構反射陣單元，工作在Ku頻段，選定其中心頻率為13．375 GHz，單元間距10 mm，近似為中心頻率半波長。設計的純介質結構單元，由理想介質出發，通過改變介質介電常數來研究單元的相移特性。由于實際介質的介電常數不能做到連續調節，通過研究得出，可以選用大介電常數的介質基板，通過調節介質基板開孔直徑實現等效的介電常數調節。

2．1理想介質單元的移相特性

理想介質結構單元如圖2所示，采用方形介質結構。介質基板下表面為金屬地板，它使得電磁波能量被完全反射回去，但電磁波的反射相位會發生變化。由電磁波的傳播規律可知，介質層的物理厚度不變的情況下，介電常數越大，電磁波的等效路徑越長，相應的相移值越大。

這里使用電磁軟件CST全波仿真方法計算了理想介質基板對電磁波的移相值。計算模型中單元的排列周期P =10 mm，采用周期性邊界條件，模擬了無限大介質基板的相移曲線。計算過程中介質基板的厚度t =12 mm固定不變。

通過改變介質的介電常數，可以得到不同頻率下理想介質單元的移相特性對比曲線如圖3所示，當介電常數范圍在2～9變化時，可以實現超過360°的移相[8]。但純介質單元的移相曲線呈S型[9]，在較大的ε范圍內線性度、隨頻率的變化平行度較差。造成較大的移相誤差。可見單層介質的移相曲線不夠理想，工作頻率發生變化后，空間延遲相位的補償誤差變大，直接影響反射陣天線帶寬[10]。

圖2理想介質單元模型

3理想介質單元的移相曲線

2．2　匹配層技術改善單元

為了改善理想介質單元移相曲線的線性度和平行性，通過研究進行了匹配層設計，在介質單元上層設置一匹配層。含匹配層設計的理想介質單元結構如圖4所示。

根據阻抗匹配理論，匹配層的介電常數εm與下層介質介電常數ε的關系確定為:εm=，匹配層的厚度tm選取為1/4波長左右，這里取tm= 4 mm，下層介質厚度t =8 mm。

利用CST全波仿真方法計算了含匹配層設計的理想介質單元的移相特性，結果如圖5所示。對比圖3的計算結果可以看出，通過匹配層設計，介質單元的移相曲線線性程度得到了明顯改善，能夠有效的減小單元移相誤差。曲線的移相范圍超過了360°，滿足反射陣天線的設計要求。與此同時，不同工作頻率下的介質單元移相曲線，其平行性也得到了明顯改善。這種移相曲線在Ku工作頻段內接近平行變化，有效減小了空間延遲相位的補償誤差。

圖4含匹配層設計的理想介質結構單元

圖5含匹配層設計的理想介質單元在不同頻率隨介電常數變化的移相曲線

2．3基于介質開孔結構實現等效介電常數變化

由于連續可調的介質基片不存在，這里使用人工媒質的設計思想獲得連續漸變的等效介電常數。人工媒質由亞波長的人工微結構周期排布組成，其電磁響應可以通過底層的微結構靈活調節。

這里采用介質基片開孔結構，調節材料的等效介電常數。開孔直徑越大，等效的介電常數越小。將這種開孔結構等效為一種均勻媒質，通過散射參數反演算法，可以計算出所選材料的等效電磁本構參數[11]。本文選用的介質基片開孔結構如圖6所示。

每個反射陣單元包含2×2個孔，基片厚度t =2 mm，介質基片材料選取為Arlon AR 1000，對應的介電常數ε=10。在介質基板兩端定義2個平面波端口。將開孔介質基板視作等效介電常數為ε、磁導率為μ的均勻介質基板，則該二端口網絡對應一個傳輸矩陣T，其解析式為:

式中n是介質基板折射率，z是波阻抗。n和z 與ε和μ之間關系式如下:

圖6參數提取介質結構單元

在工程計算及工程實踐中，散射矩陣相較于傳輸矩陣更易于計算得出，它既可以借助商業軟件對模型進行仿真計算獲取，也可以通過實驗的方法直接測得。根據二端口網絡傳輸矩陣與散射矩陣的變換關系，可以得到折射率n和阻抗z用散射參數表達的計算公式:

這樣，根據超材料結構對電磁波的散射系數，就可以得到該超材料平板的等效介電常數和等效磁導率。

對本文使用的介質基片開孔結構做參數提取，將結構單元的S11、S21參數的幅度相位值提取出來，計算得出開孔半徑R與介質等效介電常數εeff之間關系如圖7所示。可見，開孔半徑越大，該等效媒質的介電常數越小。該變化趨勢與理論預測一致。

圖7開孔半徑R與介質等效介電常數ε之間關系曲線

2．4含匹配層的介質開孔結構的相移曲線

上述參數提取計算得出了介質開孔半徑R與等效介電常數ε之間的對應關系。

根據匹配層的介電常數εm與下層介質介電常數ε的關系式εm=，可以建立下層介質基片的開孔半徑R與上層匹配層開孔半徑Rm之間的關系式。使用多項式擬合技巧，得到匹配層開孔半徑Rm與下層介質開孔半徑R之間關系式為:

由上述關系式進行開孔介質單元建模，即實現了介質開孔等效理想介質。

使用開孔技術，建立含匹配層的反射陣單元結構模型如圖8所示。方形結構邊長P =10 mm，匹配層厚度tm=4 mm，開孔半徑為Rm，下層介質厚度為t =8 mm，開孔半徑為R。

圖8含匹配層的介質開孔結構單元

利用CST全波仿真方法計算了含匹配層設計的開孔介質單元的移相特性如圖9所示。

圖9　含匹配層的開孔介質單元移相曲線

在介質開孔結構中，空氣和介質的占空比直接影響等效媒質的電磁響應。當R變化范圍在0．25 ～2．5 mm之間時，反射陣單元中介質的占空比f0= 1-4πR2/P2的變化范圍為0．21～0．99。圖9畫出介質占空比f0對單元移相值的影響。由仿真結果可以得出，在某一特定工作頻率下，含匹配層的開孔結構單元的移相曲線線性度較好，變化比較平緩，且移相范圍超過了360°。對比不同工作頻段的移相曲線還可得出，移相曲線隨頻點漂移平行度較高，能夠有效減小空間延遲相位誤差。

3結束語

設計了一種基于全介質結構的新型反射陣單元。改變介質基片的介電常數，可以大范圍調節反射陣單元的反射相位。使用匹配層技術，進一步改善了這種反射陣單元的移相曲線的線性度和平行度，有效地減小了單元的相位誤差。通過對開孔介質結構作參數提取，實現了開孔介質與理想介質的等效，且該單元的相移范圍超過了360°，為寬帶反射陣天線的設計提供了一種新思路并打下了良好的基礎。

參考文獻

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Feature Analysis on a Broadband Reflectarray Antenna Element Based on Pure Dielectric Structure

GAO Zhi-ming，HE Ying-ran，ZHANG Wen-jing

( The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Abstract:A broadband reflectarray element based on pure dielectric structure is proposed．The phase shift property of pure dielectric element is first studied by varying the permittivity of dielectric substrate．Then the impedance matching technique is adopted to achieve flat phase shift curve in a broad frequency．Since the permittivity of a natural material is usually fixed，a perforated dielectric substrate is used to reach the inhomogeneous permittivity distribution in an effective way．Currently，micro-strip patches are frequently used to construct reflectarray antenna，which results in narrow bandwidth and limited phase shift range．The pure dielectric approach provides an alternative way for broadband reflectarray antenna design．

Key words:reflectarray antenna; perforated dielectric; impedance matching layer;phase shift value

作者簡介:高志明( 1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向:電磁場與微波技術。何應然( 1986—)，男，博士，主要研究方向:超材料天線技術。張文靜( 1962—)，男，研究員，主要研究方向:衛星通信地球站天線、微波天線和饋源系統。

基金項目:中國博士后基金面上項目( 2015M580218)

收稿日期:2015-09-10

中圖分類號:TN821

文獻標識碼:A

文章編號:1003-3114( 2016) 01-69-4