X波段圓極化透射陣天線

韓杼濱，齊洋瀟，李建瀛，杜 彪

(1.西北工業大學 電子信息學院，陜西 西安 710129；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

透射陣天線是透鏡天線和微帶陣列天線的組合，具有高增益、低質量、低成本和無饋電網絡等優點。透射陣天線與反射陣天線相比，天然地解決了饋源遮擋地問題。近年來，透射陣天線逐漸成為一個研究熱點，許多研究方向都值得探索，比如多波束[1]、高口徑效率[2]、低剖面[1,3-4]和波束掃描[5-8]等。文獻[1]采用了縫隙陣列天線來代替傳統的饋源天線，從而降低了透射陣天線的剖面，并且根據優化算法計算補償相位實現了多波束方向圖的賦形。文獻[2]基于電路的分析方法提出了一種全金屬的透射陣單元，由于完全沒有電介質材料的損耗且采用了不同層數的單元設計透射陣，該透射陣天線可以達到62%的最大口徑效率。文獻[3]基于一種寬帶的帶通頻率選擇超表面設計了一種透射陣單元，該單元能夠在大入射角度下保持穩定的性能，因此能夠在0.36的焦距比下擁有16%的1 dB增益帶寬和60%的最大口徑效率。文獻[4]采用了將傳統透射陣進行折疊的方法，可以讓透射陣天線剖面降低到原來的1/3，但是由于電磁波的多次反射會引入較大損耗，導致該透射陣天線口徑效率的降低，最終該天線在0.22的焦徑比下實現了32.8%的口徑效率。文獻[5-7]均基于PIN二極管的通斷特性實現透射陣單元的相位可重構，通過控制每個透射陣單元上二極管的狀態實現波束的偏轉。文獻[8]基于饋源天線的波束切換實現了透射陣天線的波束掃描。

透射陣天線一般由一個饋源天線和透射陣面組成，其中透射陣面是由周期結構排布的透射陣單元組成。由于饋源天線到陣面上每個透射單元的距離不同，因此單元需要能夠實現相位補償。相位補償的典型方法有：① 圓極化透射陣通過旋轉單元實現相位補償[9-10]；② 通過改變單元的尺寸實現相位補償[11-13]；③ 采用相位延遲線實現相位補償[14-15]。

本文設計和仿真分析了一種具有極化轉換功能的透射陣單元，并基于此單元設計了透射陣天線。與傳統的透射陣天線相比，該透射陣能夠將線極化波轉換為圓極化波，并且剖面較低。

1 透射陣天線設計

1.1 透射陣相位補償原理

透射陣天線由2部分組成：饋源和透射陣面。由于透射陣面上不同位置的單元到饋源的距離不同，因此需要不同位置的單元提供特定的傳輸相位來抵消空間相位延遲，從而將球面波轉化為平面波，實現高增益。平面透射陣上不同單元的傳輸相位φ(x,y)為：

(1)

式中，λ為自由空間波長；(x,y)為不同透射陣單元的位置坐標；F為饋源天線的相位中心到透射陣的距離，即焦距。對于某一個單元，其位置坐標和焦距都是已知值，因此可以直接計算出其傳輸相位，再根據計算出的傳輸相位添加特定的補償相位從而實現相位補償。

1.2 透射陣單元的設計

典型的單元結構如圖1所示，單元尺寸參數在表1中給出。該單元由2層介質基板和3層金屬貼片交疊組成：頂層圓極化貼片、地板和底層U形槽貼片。底層的U形槽貼片作為接收層用于接收來自饋源的電磁波，之后電流通過中心處的金屬化通孔傳輸到頂層圓極化金屬貼片從而輻射圓極化波，并且輻射層和接收層貼片中間用地板隔離。介質基板使用的材料為Rogers RO4350(相對介電常數為3.66)，厚度t= 0.762 mm。采用旋轉圓極化貼片的設計方案，每個單元均可以實現0°～360°的相位補償。

圖1 透射陣單元結構示意

表1 透射陣單元參數

為了更好地解釋該單元的極化轉換原理，在HFSS中采用周期邊界和FloquetPort進行仿真，電磁波透過該單元后2個正交模式的幅度和相位情況如圖2所示。從圖2中可以看出，在10 GHz時，線極化波透過該單元后的2個正交模式電磁波的幅度相等，相位相差90°，即線極化波轉化為了圓極化波。透射陣單元透射幅度與圓極化貼片旋轉角度的關系如圖3所示，可以看出隨著圓極化貼片的旋轉，透射陣單元的透射系數變化較大，但是10 GHz仍然能夠達到-3 dB以上。不同頻率下的移相曲線如圖4所示，可以看出該透射陣單元的移相方法對頻率比較敏感。由于透射陣單元在實際情況下大多采用斜入射，因此，圖5展示了在斜入射情況下的移相情況。可以看出，在60°的入射角范圍內均可以實現要求的移相，且誤差可以接受，因此采用0.33焦徑比的設計是可以的。

(a) 2個模式的幅度情況

圖3 透射陣單元透射幅度與圓極化貼片旋轉角度的關系

圖4 不同頻率下圓極化貼片的旋轉角度與傳輸相位的關系

圖5 10 GHz時不同入射角度下圓極化貼片的旋轉角度與傳輸相位的關系

1.3 饋源天線與陣列設計

饋源采用角錐喇叭，由BJ-100標準波導饋電。喇叭參數為：a= 25.4 mm,b= 12.7 mm,W= 22.54 mm,L= 37.54 mm,h= 5 mm。喇叭饋源的E面和H面仿真方向圖如圖6所示，圖中的虛線表示饋源喇叭的E面和H面照射透射陣的邊緣照射電平。在半照射角43.9°和56.5°時，邊緣照射電平分別為-6.5 dB和-9.0 dB。

圖6 喇叭饋源方向圖

透射陣及其饋源結構示意如圖7所示。

圖7 透射陣天線及其饋源結構示意

該極化轉換透射陣由周期排布的13×20個單元組成，該矩形口徑的尺寸為195 mm×300 mm。透射陣的焦距為101.5 mm，長邊口徑的焦徑比為0.33，短邊口徑的焦徑比為0.52，工作頻率為9.6～10.5 GHz。天線在10 GHz時的仿真方向圖如圖8所示，可以看出形成了一個約24.1 dBi的高增益波束，副瓣電平在-20 dB以下，交叉極化電平也低于-20 dB。

(a) E面仿真方向圖

2 天線樣機與實測結果

透射陣天線樣機照片、喇叭饋源的S11和天線軸比的仿真和測試結果如圖9所示，饋源喇叭和透射陣之間用FR4介質板和尼龍柱支撐。從圖9可以看出，在9.5～10.5 GHz的頻率范圍內，天線的S11均小于-10 dB，天線的軸比均在3 dB以下。實測曲線與仿真存在一定差異，主要是由加工誤差和測量誤差引起的。

(a) 天線S11的仿真與實測

在微波暗室中測試了天線的輻射方向圖，10 GHz頻率的測試結果如圖10所示。從圖10可以看出，天線的實測副瓣在-20 dB以下，交叉極化電平小于-20 dB，這與圖8中的仿真結果相符。

(a) E面實測方向圖

天線增益和口徑效率的測試與仿真結果如圖11所示。由圖11可以看出，透射陣天線在10 GHz處增益和口徑效率均達到最大，其中增益約為24 dBi，口徑效率約為31%，3 dB增益帶寬約為9% (9.6～10.5 GHz)。

圖11 透射陣天線的增益和口徑效率曲線

表2比較了近幾年圓極化透射陣天線的相關文獻。可以看出，提出的透射陣天線與已有的圓極化透射陣相比，天線的剖面較低，結構比較緊湊，但是其3 dB增益帶寬較小，且口徑效率不高，這是后續有待改進的地方。從圖3中可以發現，所設計的透射陣單元的透射系數隨圓極化貼片的旋轉波動較大，在某些角度下的透射系數下降明顯，限制了該天線的最大增益以及最大口徑效率。從圖4中可以看出，透射陣的調相方式對頻率較為敏感，限制了該天線的3 dB增益帶寬。

表2 同類天線測試性能比較

注：文獻[13]與文獻[16]中的透射陣為圓形，因此天線口徑中給出的是天線口徑面半徑的電尺寸，其余文獻均為矩形。

3 結束語

本文提出了一種X波段圓極化透射陣天線。采用線極化貼片作為接收單元和圓極化貼片作為輻射單元實現了線極化波到圓極化波的轉換，通過旋轉圓極化貼片實現相位補償。基于上述單元設計的透射陣天線在10 GHz處增益達到24 dBi，其口徑效率為31%，3 dB增益帶寬為9.6～10.5 GHz(9%)。后期可以通過增加介質匹配層來提高透射陣單元的透射系數，從而提高天線的增益和口徑效率。