一種毫米波超材料反射面天線設(shè)計(jì)

聶星河，范逸風(fēng)，孫永志，繆 偉

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

隨著微波毫米波技術(shù)在雷達(dá)、成像和通信系統(tǒng)中的快速發(fā)展，高增益（大于25 d Bi）、高定向性天線受到了越來越多的關(guān)注[1-3]。出于高增益的需求，利用空氣饋電的形式實(shí)現(xiàn)大口徑的反射面天線成為了研究的重點(diǎn)。傳統(tǒng)的拋物面天線采用金屬結(jié)構(gòu)，尺寸較大且笨重，不利于系統(tǒng)集成。因此，無論從技術(shù)發(fā)展還是系統(tǒng)集成需求的角度出發(fā)，研究平面結(jié)構(gòu)的反射面天線都具有重要意義[4-6]。

超材料是指將具有特定幾何形狀的亞波長(zhǎng)宏觀基本單元周期性排列所構(gòu)成的人造電磁材料[7-8]。理論上超材料可以實(shí)現(xiàn)任意介電常數(shù)與磁導(dǎo)率，因而廣受關(guān)注。由于超材料具有控制電磁波的特性，可以將其應(yīng)用于平面反射陣天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中。傳統(tǒng)的反射面天線利用曲面的形狀來實(shí)現(xiàn)波束聚焦的功能，而本文的設(shè)計(jì)中采用介質(zhì)打孔型超材料這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)波束匯聚。通過調(diào)節(jié)超表面材料單元的各個(gè)物理尺寸以實(shí)現(xiàn)所需的相位補(bǔ)償值，并將具有不同相位補(bǔ)償值的各個(gè)超表面材料單元按照一定的相位分布進(jìn)行排布，最終實(shí)現(xiàn)這種新型平面反射陣。

1 平面超材料反射陣相位補(bǔ)償原理

傳統(tǒng)的拋物面天線依靠反射面外形對(duì)饋源發(fā)出的球面波進(jìn)行補(bǔ)償，使其“加速”轉(zhuǎn)換為平面波，從而提高天線的增益。超材料結(jié)構(gòu)具有操縱電磁波的特性，可以用于反射面天線的設(shè)計(jì)當(dāng)中。通過調(diào)節(jié)組成超材料結(jié)構(gòu)的各個(gè)單元的物理尺寸以實(shí)現(xiàn)不同的相位補(bǔ)償值。再將各個(gè)移相單元按一定的相位分布排布。這種超材料反射面可以像傳統(tǒng)的拋物面天線一樣匯聚波束。

目前，研究者使用最頻繁的基本結(jié)構(gòu)主要有電諧振結(jié)構(gòu)、磁諧振結(jié)構(gòu)和非諧振的介質(zhì)打孔結(jié)構(gòu)。其中電磁諧振結(jié)構(gòu)的應(yīng)用帶寬較窄，本文使用介質(zhì)打孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)超材料單元。

為驗(yàn)證理論的正確性，使用HFSS仿真軟件對(duì)介質(zhì)打孔型超材料單元進(jìn)行了一系列仿真。圖1給出了這種超材料單元在仿真軟件中的模型圖。通過在介質(zhì)上打孔并調(diào)整孔徑的大小來調(diào)整介質(zhì)與空氣的比例，由此調(diào)整移相單元的相位補(bǔ)償值。移相單元的尺寸為3.2 mm×3.2 mm，單孔結(jié)構(gòu)在仿真中會(huì)出現(xiàn)諧振，因此采用4孔結(jié)構(gòu)。單元的厚度就是透鏡的厚度為2.54 mm，使用介電常數(shù)10.2的Rogges 6010LM介質(zhì)基板。單元孔徑的變化范圍是0.20～0.76 mm。單元的底部為整塊金屬反射板。

圖1 超材料單元模型圖

圖2給出了在不同頻率、不同孔徑條件下，超材料移相單元的相移曲線。從相移曲線可以看出，當(dāng)孔徑在0.20～0.76 mm之間時(shí)，移相單元的相移值可以覆蓋0°～360°。

圖2 超材料移相單元在不同孔徑下的移相能力

2 反射面設(shè)計(jì)

超材料反射面天線設(shè)計(jì)的核心是反射面的相位補(bǔ)償設(shè)計(jì)。這種平面反射面天線不再依靠拋物面外形匯聚波束，而是通過超材料單元對(duì)饋源發(fā)出的球面波進(jìn)行補(bǔ)償，使其轉(zhuǎn)換為平面波，從而提高波束的增益。圖3為平面反射陣相位補(bǔ)償示意圖。在反射面天線的設(shè)計(jì)中，除了移相單元，焦徑比F/D是另一個(gè)重要的參數(shù)，反射面的直徑D（口徑）越大，天線的增益也越高。而對(duì)于焦距F，一般希望越小越好，以降低反射面的剖面。但是過小的焦徑比會(huì)導(dǎo)致反射面的相位誤差，從而導(dǎo)致反射面增益的降低，通常反射面天線的焦徑比設(shè)為0.5～1之間。本設(shè)計(jì)中，反射面直徑為120 mm，焦距F設(shè)為90 mm，焦徑比F/D=0.75。正如上文中提到的，反射面表面每一位置連續(xù)的相移可以將球面波轉(zhuǎn)換為平面波。每個(gè)位置對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償相位可以由以下公式計(jì)算得出[9]：

圖3 反射面天線相位補(bǔ)償示意圖

式中，λ0為設(shè)計(jì)頻率下自由空間中的波長(zhǎng)，r為反射面中心到反射面表面上任意一點(diǎn)的距離，φ為各個(gè)超材料移相單元的補(bǔ)償相位。各個(gè)移相單元的相位補(bǔ)償值應(yīng)該為0°～360°，需要對(duì)超出部分減去N個(gè)波長(zhǎng)，所以在公式末尾添加了2πN。

饋源天線的形式是反射陣設(shè)計(jì)的另一個(gè)重點(diǎn)。對(duì)于反射面來說，饋源天線的口徑應(yīng)該足夠小，以降低反射陣中普遍存在的口徑遮擋問題。但饋源的口徑也不能無限減小，這樣意味著低增益與方向性差，導(dǎo)致電磁繞射，會(huì)降低反射陣天線的口徑效率和增益。在本設(shè)計(jì)中，饋源天線采用常規(guī)的喇叭天線，該饋源天線在35 GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖如圖4所示，增益在8 d Bi左右。

圖4 饋源天線在35 GHz的遠(yuǎn)場(chǎng)3D方向圖

3 整體天線仿真結(jié)果

圖5為整個(gè)反射面天線在CST中的模型圖，整個(gè)反射面直徑為120 mm，分為了8個(gè)圓環(huán)區(qū)域，每2個(gè)區(qū)域之間的間隔為15 mm，每個(gè)區(qū)域?qū)?yīng)著一個(gè)相位補(bǔ)償值。反射面使用介電常數(shù)10.2的介質(zhì)基板，厚度為2.54 mm。

圖5 超材料反射面天線在CST中的模型圖

圖6為反射面天線在35 GHz時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)3D方向圖，和圖4中饋源喇叭的方向圖相比，反射面大大壓縮了饋源天線的波束，在35 GHz頻率處提升了大約18 d B的增益。圖7（a）與（b）分別為33～37 GHz時(shí)反射面天線E面和H面的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。從圖7中可以看出，這種反射面天線具有低旁瓣電平的優(yōu)點(diǎn)。圖8給出了30～40 GHz頻率范圍內(nèi)反射面天線的增益與饋源天線的增益對(duì)比。可以看出，反射面天線在32～37 GHz頻率范圍內(nèi)增益大于26 d Bi。

圖6 反射面天線在35 GHz處遠(yuǎn)場(chǎng)3D方向圖

圖7 反射面天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖（33～37 GHz）

圖8 反射面天線增益

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種應(yīng)用于毫米波頻段的超材料反射面天線，和傳統(tǒng)立體結(jié)構(gòu)的反射面天線相比，這種新型超材料反射面為平面結(jié)構(gòu)，具有低成本、輕量化、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。這種反射面天線在32～37 GHz頻率范圍內(nèi)增益大于26 d Bi，同時(shí)歸一化后的副瓣電平小于-18 d B。該天線可以在衛(wèi)星通信、氣象雷達(dá)等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中取代傳統(tǒng)金屬反射面天線，具有很高的工程應(yīng)用價(jià)值。