一種新型單層微帶反射陣列設計

劉騰元，陳文俊

(南京船舶雷達研究所，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著衛星通訊、遙感探測、高分辨雷達的迅猛發展，大口徑、高增益、小型化天線顯得越來越重要。拋物面天線和平面相控陣天線是2種常被選擇的天線。拋物面天線結構簡單、方向性強、功率容量大并且有較寬的工作頻帶，但是其缺點也比較明顯，它體積龐大，不易共形，并且難以實現寬角度掃描；而平面相控陣天線雖然設計靈活，易于寬角度掃描和實現波束賦形等功能，但由于復雜的饋電網絡，導致天線整體輻射效率較低，成本較大。為了克服上述2種天線的缺點，國內外學者提出了平面微帶反射陣列天線。

平面微帶反射陣列天線結合了拋物面天線和平面相控陣天線的優點。采用空間饋電方式，減少了天線的結構復雜程度，降低了成本。同時，通過相位補償使得天線波束實現定向性、高增益。這些顯著的優點使得微帶反射陣列幾年來獲得了快速的發展與應用[1-5]。

雖然微帶反射陣列天線有很多的優點，但是已知其帶寬都比較窄，尤其是單層微帶反射陣列。影響其帶寬的因素有：饋源的工作帶寬，單元之間的間距，空間延遲相位的補償誤差，微帶貼片單元自身的窄帶移相缺陷。針對這些問題，文獻[6]中提出多層堆疊方形貼片結構的反射陣單元，通過增加單元諧振點來獲得一個較寬的頻段。但是，該方法結構較為復雜，不易實現。文獻[7]中提出使用不同貼片與加載延遲線混合結構的反射單元，可以優化單元的反射方向圖，保證陣列的效率；文獻[8]中通過設計雙層雙頻帶反射陣，以實現雙頻口徑復用。文獻[9]中提出采用亞波長結構的反射單元以減小空間延遲相位的誤差。文獻[10]中提出使用分形結構單元作為反射陣元以實現多頻化。除此之外，有的學者使用緊耦合結構反射面來增加反射陣的帶寬[11]。

本文設計了一種新型微帶反射單元，采用雙方環與方形金屬貼片結構組合而成，通過改變內側方環的邊長來實現超過360°的移相范圍。陣列單元間距約1/4中心頻率波長。饋源選擇角錐喇叭天線。利用仿真軟件Ansoft HFSS建立16×16單元的平面微帶反射陣列并進行仿真分析。結果表明：本文所設計的單層微帶平面反射陣列在9～12 GHz的頻段內有較高的增益，且可以靈活設定主波束方向，具有一定的工程利用價值。

1 基本原理

微帶反射陣列天線由平面反射陣和饋源天線組成，如圖1所示。反射陣面是由印制于接地介質基片上的微帶貼片單元組成的平面陣列，饋源為喇叭天線。其工作原理是：喇叭天線發出電磁波，沿著不同的傳輸路徑到達每個單元，傳輸路徑長度的差異將導致各個單元所接收的入射場有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的相位補償，讓反射場在天線口徑面上形成所需的同相位波前[12]。

根據陣列天線理論，平面陣的總輻射場為

(1)

由式(1)可得，假設主波束方向為(θb,φb)，則陣列上第i個單元的相位分布為

φ(xi,yi)=k0sinθbcosφbxi-k0sinθbsinφbyi,

(2)

式中：k0為真空中的自由波數；(xi,yi)為陣元i的坐標。同時，陣元i的反射場相位又等于饋源照射到該單元的入射場相位和該單元自身的反射相移之和，即

φ(xi,yi)=-k0di+φR(xi,yi),

(3)

式中：φR(xi,yi)為陣元i自身提供的反射相移；-k0di為饋源照射到該單元的入射電場相位；di為饋源天線的相位中心到第i個單元的空間距離。如果饋源天線的相位中心的坐標為(xf,yf,zf)，則di可寫為

(4)

由式(2)和式(3)得，陣列上每個單元所需補償的相位為

φR=k0[di-(cosφbxi+sinφbyi)sinθb]，

(5)

即當平面微帶反射陣列的波束指向為(θb,φb)時，需要將反射面上每個單元的反射相移調整為式(5)中的φR，這樣由饋源發出的入射波可以合理補償陣面上各個單元的空間相位差，使得陣列在(θb,φb)方向上形成高增益波束。

2 天線設計

2.1 單元設計分析

本文設計的陣列單元由正方形金屬貼片與雙方環金屬貼片結構組合而成，如圖2所示。陣列單元中心工作頻率為10.5 GHz，單元間距為7.5 mm，大約為中心頻率的1/4個波長。介質基板選擇介電常數為3.55的Rogers RO4003，厚度為t1。介質基板下面加載厚度為t2的泡沫材料，起到支撐作用。單元中間的正方形金屬貼片邊長為d，外側方環形金屬貼片寬度為w1，內側方環形金屬貼片寬度為w2，邊長為l+2w2。通過高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS中的Floquet模式及主從邊界條件，模擬無限大陣列結構進行仿真，可以得到不同單元結構參數(t1,t2,w1,w2,d)條件下的單元反射相移曲線，如圖3～7所示。

從圖3～7中可以看出，當單元內側方環邊長l從2 mm變化到7.5 mm時，陣列單元在工作頻段內可得到超過360°的反射相移曲線。對圖3～7進行分析，結果表明：介質基板厚度t1對反射相移曲線的移相范圍影響不大，但隨著t1的增大，相移曲線的線性度逐漸變好。泡沫材料的厚度t2對反射相移曲線的移相范圍和線性度影響較小。外側方環寬度w1、內側方環寬度w2對工作頻段內的單元反射相移曲線影響很小，移相范圍及線性度基本沒有發生變化。當正方形貼片的邊長取不同的值時，單元反射相移曲線也基本不變。

綜上所述并通過優化各個參數，本文確定介質基板厚度t1=1 mm，泡沫材料厚度t2=3 mm，外內側金屬方環形貼片寬度w1=w2=0.25 mm，正方形金屬貼片邊長d=2 mm。在此結構參數下，分別在9.0，10.0，10.5，11.0，12.0 GHz頻點對單元進行仿真，如圖8所示。仿真結果表明：在9～12 GHz，陣列單元都有著超過360°且平滑的反射相移曲線，可以用來作為反射面陣列單元。

2.2 饋源天線設計

平面微帶反射陣列采用空間饋電方式，所以饋源天線的電磁性能對整個陣列的性能影響很大。饋源的形式有很多種，包括喇叭、振子、微帶貼片、縫隙、螺旋和對數周期天線等，其中喇叭天線是最常用的饋源天線。

本文選用角錐喇叭作為反射陣列的饋源，優化后的喇叭天線S11曲線如圖9所示，從圖中可以看出：饋源從9～12 GHz頻段內的S11值均小于-10 dB，具有良好的反射系數帶寬。圖10為角錐喇叭在中心頻率的相位方向圖，從圖中可以看出：當θ角在±30°之間時，喇叭天線的相位值變化不大，可以作為反射陣列的饋源。

2.3 陣列設計

平面微帶反射陣列天線的陣列結構由焦徑比和口徑利用效率決定,如式(6)和式(7)所示。其中，D為反射陣面邊長，F為饋源等效相位中心到反射陣面距離。ηa為陣列口徑利用效率，ηt為正饋條件下反射陣列的口徑照射效率，ηs為饋源天線的漏射效率。θe為饋源從陣列中心到邊緣的夾角，高階函數cosqθe代表饋源天線的方向圖。已知，在給定饋源天線方向圖的前提下，饋源從陣列中心到邊緣的夾角θe存在最優值。因此，通過調整陣列的焦徑比，可以獲得最優陣列輻射方向圖。

0.5D/F=tanθe,

(6)

ηa=ηtηs,

(7)

(8)

ηs=1-cos2q+1θe.

(9)

除此之外，陣列口徑的電尺寸也是一個重要的設計參數。陣列口徑的電尺寸越小，天線的副瓣電平和交叉極化電平就越高，進而導致口徑利用效率降低。所以，設計相對較大電尺寸的反射陣面很有必要[13]。

本文設計的平面微帶反射陣列如圖11所示。反射面尺寸為120 mm×120 mm，陣元間距為7.5 mm，一共包含16×16個單元。饋源喇叭采用中心饋電方式。根據式(6)及圖10，令天線的焦徑比F/D=1，即饋源喇叭的相位中心到反射面中心的距離約為120 mm，θe≈25°，以保證反射陣列天線的輻射效率。反射陣列工作于中心頻率時的主波束方向垂直于反射面，通過式(5)計算每個陣元所需要補償的相位值，計算結果如圖12所示。從圖中可以看出：饋源中心饋電時，陣列單元所需補償的相位值在坐標系Oxy面的4個象限內是相等的，只需計算一個象限內的陣元尺寸即可得到所有陣元尺寸。已知陣列單元在工作頻段內的反射相移曲線如圖8所示，則根據圖12中第Ⅰ象限內陣元所需補償的相位值，可得到第Ⅰ象限內的陣元尺寸，如表1所示。根據表1可知所有陣元尺寸，完成陣列天線的設計。

mm

3 仿真結果

利用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設計的平面微帶反射陣列進行仿真分析，得到反射陣列的遠場方向圖如圖13所示。從圖中可以看出：在中心頻率處陣列增益約為20.5 dB，波束指向θ=0°方向，3 dB波瓣寬度約為18°。9～12 GHz的工作頻帶內，反射陣列的增益曲線如圖14所示。可以看出，反射陣列的增益變化不大，其1 dB增益帶絕對寬約為2.2 GHz，相對帶寬為20.9%。對與表2中文獻對比表明：本文所設計的單層微帶反射陣列有效地提升了反射陣的帶寬。在此基礎上，調整陣列單元的尺寸，使得陣列的主波束指向φ=0°,θ=30°或φ=0°,θ=-45°方向，得到的遠場方向圖如圖15所示。從圖中可以看出：當主波束方向為φ=0°,θ=30°或φ=0°,θ=-45°時，反射陣列有著良好的遠場輻射特性，證明了所設計的平面微帶反射陣列具有改變波束指向角的功能。

文獻[9][14][15]1 dB增益帶寬(%)17.09.016.7

4 結束語

本文設計了一個雙方環與方形金屬貼片組合結構的反射陣列單元，通過調整內側方環的長度可以使得陣列單元在9～12 GHz頻段內獲得超過360°且平穩光滑的反射相移曲線。采用該單元設計16×16的反射陣列面，并選擇角錐喇叭作為饋源來建立一個平面微帶反射陣列。通過仿真分析可得：該微帶反射陣列在中心頻率處的增益為20.5 dB，9.8～12 GHz頻帶內的1 dB增益相對帶寬可達20.9%，有效擴展了工作帶寬，且可通過調整陣元尺寸設定主波束指向，具有較高的工程使用價值。