一種應用于衛(wèi)星通信的 Ku頻段寬帶反射陣天線

劉偉

【摘要】? ? 設計了一款工作于Ku頻段、應用于衛(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)化單元結構，得到寬頻帶范圍內(nèi)較線性的反射相位響應及較大的相位變化區(qū)間。在此單元的基礎上，設計了一個口徑480mm的共40×40個單元的反射陣天線，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合陣列天線的若干優(yōu)點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構而更易于加工、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陣元的傳播距離不一致，陣面上的每個單元都需要通過設計使其具有特定的反射相位來補償因傳播距離不一致引入的相位延遲。通過對各個單元的結構進行優(yōu)化設計使其具備所需的反射相位，就能在輻射遠場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，可以采用多層結構，但相應的加工成本和復雜性也會提高[3-5]。本設計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，同時單層的結構又保證了加工簡易度。

一、單元設計與分析

本設計中采用五個平行偶極子形式的單元，結構如圖1所示。此形式的單元本質(zhì)上是一種多諧振結構，增加單元中偶極子的數(shù)量可以增加諧振點的數(shù)量，從而展寬反射陣的有效相位響應頻率帶寬，也能展寬單一頻點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，中間最長偶極子的長度為l0，而兩側(cè)偶極子相互對稱，且長度與l0成比例變化，長度分別為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度l0，可以獲得比較線性的反射相位曲線，而且不同頻點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、反射陣設計與分析

根據(jù)優(yōu)化好的反射陣單元，設計了一款由40×40個單元組成的反射陣天線，饋源采用矩形標準喇叭天線，饋電采用中饋方式，焦距為330mm。

2.1單元相位計算

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

（1）

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

（2）

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

（3）

2.2反射陣天線分析

根據(jù)上節(jié)計算得出的反射陣中每個單元需要的相位值，通過Matlab編寫腳本，在HFSS軟件中建立了40×40個單元的反射陣模型，結合饋源喇叭天線進行了仿真計算，并加工制作了天線樣機進行了測試，樣機如圖4所示。

天線的仿真與實測方向圖如圖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。實測與仿真的曲線吻合較好，之間輕微的差異主要是由測試工裝和環(huán)境引起的。

三、 結論

本文設計了一款工作于Ku頻段、應用于衛(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個單元。

最終加工了樣機進行驗證，天線的實測與仿真性能非常吻合。

參? 考? 文? 獻

[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.