寬帶透射陣設計及其近場研究

張巖/ZHANG Yan，趙超超/ZHAO Chaochao，賈田揚/JIA Tianyang

（1. 北京航空航天大學，中國北京 100191；2. 中國科學院空天信息創(chuàng)新研究院，中國北京 100094）

在傳統(tǒng)設計方案中，電磁波的調控主要通過介質透鏡來實現[1]。隨著科技的發(fā)展，無線通信、航空航天等行業(yè)迫切需要具有高增益、寬頻帶、小重量等特性的天線，同時基于電磁超表面設計思路的反射陣天線和透射陣天線等概念被陸續(xù)提出。與反射陣不同，透射陣的饋源放置于輻射口徑面的前側，避免了饋源遮擋問題。1982年，R.MILNE[2]首次提出透射陣天線，隨后透射陣的發(fā)展一直比較緩慢。1997年，香港中文大學的K.W.LAM 等[3]通過口徑耦合微帶貼片加載傳輸線的方式實現了360°相移的透射陣單元。2006年，M.R.CHAHARMIR等[4]采用多層十字形陣子單元分別設計了單頻和雙頻的透射陣天線。這些均為透射陣的蓬勃發(fā)展奠定了堅實的基礎。

透射陣的代表性設計方法有3 種：多層頻率選擇性表面、 接收機- 發(fā)射機結構、 極化轉換結構。 H.NEMATOLLAHI 等[5]設計了一種3 層透射陣單元，可以實現360°相移。AN W.X.等[6]使用垂直放置的金屬圓柱連接兩個金屬層，可以有效增大傳輸系數幅度和傳輸相移范圍。然而，由于頻率選擇表面（FSS）單元的工作帶寬具有局限性，整個透射陣的工作帶寬十分狹窄。雖然我們可以通過增加層數來擴展帶寬，但是隨著層數的增加，天線的剖面和復雜度會大大增加。P.PADILLA等[7]提出了一種包括接收天線、微帶傳輸線和輻射天線3個部分的透射陣結構，通過調節(jié)微帶傳輸線的長度來實現相位調節(jié)。XIAO L.等[8]設計了一種基于緊耦合偶極子的寬帶平面透射陣天線，該天線可以在9.5～16 GHz之間穩(wěn)定工作。具有接收-發(fā)射結構的透射陣天線的帶寬取決于輻射器和移相器的性能，可有效擴大透射陣的帶寬范圍。K.MAVRAKAKIS等[9]提出了一種新的基于極化旋轉的低剖面、寬頻帶透射陣結構。透射陣單元包括3 個金屬層，相鄰金屬層之間由介質層隔開。

本文的主要研究內容包括：基于緊耦合偶極子結構和時間延遲線技術設計了一種工作于3～9 GHz 的寬帶透射陣單元，然后對其菲涅爾區(qū)電場特性進行研究，并對所設計的天線進行加工測試。

1 透射陣設計

本節(jié)主要針對基于緊耦合偶極子設計的寬帶透射陣天線展開研究，詳細介紹了寬帶透射陣天線的設計實現過程。

1.1 寬帶透射陣原理分析

透射陣天線的主要作用是將球面波轉換為平面波，如圖1所示。

圖1 透射陣工作原理示意圖

圖1 透射陣工作原理示意圖

假設產生的定向波束沿(θ0,φ0)方向傳輸，出射場的相位記為φi，φi可以表示為：

其中，k0是自由空間中的傳播常數，(xi,yi)是透射陣陣面上第i個單元中心位置的坐標。定義Ri為饋源到第i個單元的中心位置的距離，Φi(xi,yi)為第i個單元補償的相位，公式（1）中等式左右兩邊分別除以k0，可以得到：

可以看出，在一個頻率范圍內，一個透射陣單元的等效延遲距離不會隨著頻率的變化而改變。因此，該透射陣單元可用于補償該工作頻帶內任意頻率的空間相位延遲。

1.2 寬帶透射陣單元設計

寬帶透射陣單元的整體結構示意圖、上下層偶極子圖案如圖2所示。該透射陣單元由一對緊耦合偶極子、一對平行雙導線和金屬接地板3 個部分組成。為避免共模諧振的發(fā)生，本文通過基于時間延遲技術的平行雙導線來實現超寬帶工作頻帶內的相移可調。

圖2 設計的寬帶透射陣單元結構模型

其中，兩個偶極子天線分別印刷在材料為Rogers RO4003C的介質板上、下表面上。介質板厚度為0.813 mm，介電常數為3.55。緊耦合偶極子天線之間的耦合電容是通過相鄰單元末端的橫向枝節(jié)和位于介質板異側的寄生貼片引入的。偶極子天線的接地板由兩片金屬組成，兩個金屬片之間的間距為5 mm。設計的透射陣單元的具體參數如表1所示。

表1 寬帶透射陣單元的結構參數

寬帶透射陣單元的設計可以分為緊耦合偶極子天線單元設計和傳輸線設計兩個部分。

1.2.1 緊耦合偶極子天線設計

本文所設計的天線在蝶形緊耦合偶極子單元的基礎上，通過在輻射貼片同側增加橫向枝節(jié)并在輻射貼片異側增加寄生貼片實現了相鄰偶極子單元之間的耦合電容強度增強，從而實現了超寬帶的工作特性。

天線模型及其等效電路如圖3所示，C1表示由橫向枝節(jié)結構產生的耦合電容，C2表示由寄生貼片結構產生的耦合電容。圖4為本文設計的緊耦合偶極子天線反射系數與頻率的關系圖。由圖4可以看出，在3～9 GHz的頻率區(qū)間里，反射系數均小于-10 dB。

圖3 設計的緊耦合偶極子天線模型

圖4 緊耦合偶極子天線反射系數

1.2.2 傳輸線設計

為了實現良好的阻抗匹配，我們對傳輸線的直角彎頭進行了切角處理。傳輸線參數L的取值為1～15 mm內的整數，仿真得到各取值條件下對應的傳輸系數幅度曲線如圖5 所示。從仿真結果可以看出，當L取值不同時，插入損耗均小于1.8 dB，傳輸系數的相位會隨著頻率和參數L的變化而改變。

圖5 透射陣單元仿真結果

圖6給出了透射陣單元在不同頻率下的歸一化等效延遲距離。可以看出，在不同頻率下的歸一化曲線幾乎重合，這說明該透射陣單元的歸一化等效延遲距離在3～9 GHz 頻段內與頻率無關，滿足透射陣寬帶工作特性的要求。

在MATLAB 中使用數理統(tǒng)計中的最小二乘法，得到擬合函數如下：

擬合的曲線如圖6所示。使用擬合曲線能夠有效減少陣面在不同工作頻點的誤差損耗。

圖6 透射陣單元的歸一化等效延遲距離

1.2.3 饋源設計

對于本文設計的Vivaldi 天線，在輻射金屬面上進行開槽，可減小終端反射的電流，改善天線反射系數，提高天線輻射特性。同時，也可以改變扇形短路端的張角，對饋電部分的阻抗匹配進行優(yōu)化。圖7給出了相應的天線模型及其反射系數曲線和方向圖。

圖7 Vivaldi天線模型及其反射系數曲線和方向圖

1.3 陣面設計

本文設計的透射陣由30×15 個單元組成，陣面尺寸為300 mm×300 mm，焦徑比為0.5。圖8 為以透射陣中心位置的單元為參照得到的電磁波在空間傳輸過程中的等效延遲距離分布。依據等效延遲距離和單元傳輸線參數L之間的函數關系，可實現透射陣的設計。最終的模型圖如圖9所示。

圖8 透射陣口徑面歸一化等效延遲距離分布

圖9 透射陣模型圖

2 寬帶透射陣天線的性能分析

基于擬合函數的設計方法，本文實現了寬帶透射陣天線的陣面排布和聯(lián)合仿真。距離陣面150 mm 平面處的電場分布如圖10所示。

圖10 電場分布圖

由仿真結果可以看出，在透射陣的菲涅爾區(qū)，中心區(qū)域的相位波動較小，幅度波動較為明顯，這是因為透射陣是以相位為依據進行陣面設計與排布的。經過進一步細化設計后，該透射陣有望用于天線測量系統(tǒng)。

3 寬帶透射陣天線的加工應用

為了證實設計方法的有效性，我們加工制造了透射陣樣品（如圖11 所示），并對樣品進行了測試。如圖12 和圖13所示，天線具有穩(wěn)定的輻射方向圖，能夠實現較好增益。

圖11 透射陣天線測試演示圖

圖12 測試和仿真增益和口徑效率曲線

圖13 不同頻率下方向圖測試結果與仿真結果對比

4 結束語

本文提出并設計了一種基于緊耦合偶極子的寬帶透射陣天線，可實現3～9 GHz 的超寬工作帶寬。其中，寬帶透射陣單元由緊耦合偶極子結構和平行雙導線組成，在較寬工作頻帶內具有良好的傳輸特性和360°的相移特性。此外，本文還對菲涅爾區(qū)電場分布進行了研究，為了證實設計方法的有效性，對所設計的透射陣天線進行了加工與測試。

致謝

本研究得到北京航空航天大學呂善偉教授和全紹輝教授的幫助，向他們表示感謝！