薛 飛 王宏建 易 敏 劉 廣

（1.中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

引 言

微帶反射陣列天線是一種結(jié)合了拋物面反射天線和微帶陣列天線優(yōu)勢(shì)的天線陣，以重量輕、體積小、價(jià)格便宜、易于制造特別是易于和其他物體共形、易與微帶電路集成等優(yōu)點(diǎn)，自1978年提出后就受到了很高的重視并得到快速的發(fā)展.與一般拋物面反射天線類(lèi)似，微帶反射陣列天線不需要饋電網(wǎng)絡(luò)，不存在寄生輻射和阻抗插入損耗，因此輻射效率較高.微帶反射陣由饋源和一組具備移相功能的微帶輻射單元組成，在饋源的照射下，每一個(gè)單元通過(guò)自身對(duì)入射波的移相功能，使反射波在特定方向上實(shí)現(xiàn)同相疊加，從而在該方向發(fā)出高增益波束

傳統(tǒng)的微帶反射陣列天線的帶寬通常都較窄，它的帶寬受到很多因素的影響，比如饋源的帶寬、陣元的帶寬、不同位置單元的空間相位延遲以及單元間距等［1］，其中陣元帶寬和不同位置單元的空間相位延遲這兩個(gè)因素最為關(guān)鍵.理想的寬帶反射陣單元的反射相位曲線在不同頻率處應(yīng)是相互平行的，并且與入射波的入射角無(wú)關(guān)，通過(guò)合理的選擇單元的形式和結(jié)構(gòu)可以得到較為理想的寬帶反射陣單元.較大的焦徑比可以減小空間相位延遲對(duì)帶寬帶來(lái)的影響，但是饋源的照射效率會(huì)受到影響，所以在設(shè)計(jì)反射陣天線時(shí)需要折衷考慮.分形天線結(jié)構(gòu)的自相似性使得天線可以多頻工作［2］，增加天線的工作帶寬，它的自加載特性也使天線的帶寬得到了展寬.將分形技術(shù)與微帶天線的設(shè)計(jì)相結(jié)合，在移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信及其他寬頻帶應(yīng)用系統(tǒng)中具有很大的應(yīng)用潛力.

Vivaldi天線是由Gibson在1979年提出的一種天線形式［3］，該天線屬于非頻變天線，具有超寬的工作頻帶、良好的輻射定向性、輸入阻抗穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、平面易集成等特點(diǎn).Vivaldi天線由一端較窄的槽線過(guò)渡到另一端較寬的槽線構(gòu)成，槽線過(guò)渡呈指數(shù)變化規(guī)律.由于其平面結(jié)構(gòu)對(duì)于反射波的遮擋很小，因此采用該天線作為微帶反射陣的饋源，可以很好地解決正饋時(shí)的饋源遮擋問(wèn)題.

為了將饋源輻射出來(lái)的波轉(zhuǎn)變成一個(gè)聚焦波束，從每個(gè)反射單元反射出去的波必須有合適的相移.相移補(bǔ)償有四種典型的方式：一是在微帶貼片上加載不同長(zhǎng)度的相位延遲線來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的相移［4］.二是通過(guò)改變微帶反射單元的尺寸大小來(lái)實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償，通過(guò)合理設(shè)計(jì)每個(gè)貼片的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)反射波相位以補(bǔ)償從饋源到每個(gè)貼片由于空間距離不同而造成的相位延遲［5］.三是將相同的圓極化微帶單元旋轉(zhuǎn)不同的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的相移［6］.四是通過(guò)在貼片或貼片下的地板上加載不同長(zhǎng)度的縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償［7］.本文中采用改變反射單元尺寸大小的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償

文章中提出的單層的具有分形結(jié)構(gòu)的多諧振反射陣單元可以在獲得線性度較好的反射相位曲線的同時(shí)能提供約為430°的反射相位范圍.利用該單元設(shè)計(jì)了一個(gè)微帶反射陣，使用Vivaldi天線對(duì)其進(jìn)行饋電，仿真結(jié)果表明在中心頻率處增益達(dá)到了27.1dB，在12～15.5GHz的頻帶內(nèi)，增益波動(dòng)約2 dB.

1 微帶反射陣的基本原理

為了在指定方向上將球面波波前轉(zhuǎn)換成平面波波前，陣列單元的反射相位曲線范圍不得小于360°.傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單層單元很難在達(dá)到360°相移的同時(shí)具有線性度較好的反射相位曲線，尤其在諧振長(zhǎng)度附近，反射相位曲線隨尺寸變化的斜率較大，導(dǎo)致天線的帶寬很窄，同時(shí)增加了加工難度.通常來(lái)說(shuō)，可以通過(guò)增加介質(zhì)厚度的方法來(lái)平滑反射相位曲線，但是這樣會(huì)使得反射相位的范圍減小從而達(dá)不到360°的要求.文獻(xiàn)［8］中采用多層貼片疊加的結(jié)構(gòu)來(lái)獲得平滑的并且相移范圍大于360°的反射相位曲線，然而多層貼片疊加結(jié)構(gòu)帶來(lái)的問(wèn)題是增加了設(shè)計(jì)復(fù)雜度和加工難度，同時(shí)加大了天線造價(jià).單層多諧振單元結(jié)構(gòu)［9］可以很好的滿(mǎn)足反射相位曲線的范圍要求和線性度要求.文獻(xiàn)［9］采用圓環(huán)和圓的組合的方式獲得了約為380°的移相范圍.本文提出的分形結(jié)構(gòu)就是一種采用多諧振特性的單元，在滿(mǎn)足反射相位曲線線性度及范圍要求的同時(shí)還能提供較寬的帶寬.

如圖1所示的坐標(biāo)系，根據(jù)陣列天線理論，對(duì)于輻射方向?yàn)椋é?，φ0）的反射陣表面相位分布為

式中：k0為真空中的傳播常數(shù)；（xi，yi）是第i個(gè)單元的中心坐標(biāo).同時(shí)，各陣元的反射相位等于其入射相位加上自身引入的補(bǔ)償相位，即

式中：di代表饋源相位中心到第i個(gè)貼片單元的距離；φR（xi，yi）為第i個(gè)單元反射系數(shù)相位，也就是該單元所需的補(bǔ)償相位.由式（1）和式（2）可得，各單元所需的移相值為

通過(guò)式（3）可以計(jì)算出各個(gè)單元所需補(bǔ)償?shù)南辔唬缓蟾鶕?jù)單元的反射相位曲線得出每個(gè)單元的尺寸.

圖1 微帶反射陣列天線原理圖［11］

2 新型分形單元的設(shè)計(jì)及分析

本文設(shè)計(jì)的具有寬頻帶的反射陣單元采用單層多諧振結(jié)構(gòu)，單元結(jié)構(gòu)如圖2所示.該單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn).為了得到較大的相移范圍和線性度較好的反射相移曲線，在介質(zhì)材料和接地板之間增加一層空氣層（實(shí)際加工測(cè)量中采用介電常數(shù)接近空氣的泡沫材料）.

圖2 單元結(jié)構(gòu)示意圖

該單元具有分形結(jié)構(gòu)，最外邊六邊形邊長(zhǎng)為a，介質(zhì)的介電常數(shù)εr＝2.2，厚度為h1，空氣層厚度為h2，介電常數(shù)約為1.06.采用文獻(xiàn)［10］中提出的WGA對(duì)單元的反射相位進(jìn)行分析，得到單元的反射相位曲線.單元工作在Ku波段，柵格周期L取為13mm，文中采用HFSS對(duì)單元的反射相位特性進(jìn)行仿真分析.

當(dāng)a從1.5mm增加到6mm，分析不同的h1和h2的值對(duì)反射相位的影響.由圖3可以看出，當(dāng)h1＝0.5mm和h1＝0.7mm時(shí)，反射相位曲線的線性度均較好且相位變化范圍較大，文章選擇h1＝0.5mm.圖4表明了不同空氣層厚度h2對(duì)單元反射相位曲線的影響，從圖中可以看出h2對(duì)單元反射相位曲線有較大的影響.當(dāng)h2＝0mm時(shí)，反射相位幾乎沒(méi)有變化，當(dāng)h2＝3mm時(shí)反射相位曲線的相位變化范圍較大，且線性度最好，故本文選擇h2＝3 mm.

圖3 介質(zhì)層厚度對(duì)反射相位的影響（h2＝3mm）

圖4 空氣層厚度對(duì)反射相位的影響（h1＝0.5mm）

綜上，當(dāng)h1＝0.5mm，h2＝3mm，從曲線可以看出，隨著單元尺寸a從1.5mm到6mm變化時(shí)，相移范圍約為430°，滿(mǎn)足了微帶反射陣單元的相移范圍不小于360°的要求.

對(duì)六邊形單元、六邊形環(huán)單元以及本文提出的具有多諧振結(jié)構(gòu)的單元在中心頻率處的反射相位進(jìn)行了比較，如圖5所示.由圖中曲線可以看出，本文所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)單元的反射相位變化范圍較大并且線性度也較好.

圖5 不同單元結(jié)構(gòu)的反射相位曲線

3 微帶反射陣的設(shè)計(jì)及結(jié)果

利用上文中提出的新型單元，設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在Ku波段的微帶反射陣列天線來(lái)驗(yàn)證文章該單元的有效性，該陣列結(jié)構(gòu)如圖6所示.陣列直徑D＝325mm，介質(zhì)層厚度h1＝0.5mm，εr＝2.2，泡沫層厚度h2＝3mm，介電常數(shù)約為1.06，L＝13mm，饋源的相位中心與陣列中心的距離F＝260mm，焦徑比F／D＝0.8，由于Vivaldi天線的平面結(jié)構(gòu)對(duì)反射波的遮擋很小，故本文采用Vivaldi天線作為饋源.該Vivaldi天線的加工樣機(jī)及實(shí)測(cè)方向圖如圖7和圖8所示.

圖6 微帶反射陣列天線模型

設(shè)計(jì)的平面微帶反射陣（Vivaldi天線作為其饋源）的仿真方向圖如圖9所示，可以看到在Ku波段的中心頻率處增益可以達(dá)到27.1dB，半功率波瓣寬度均為4.96°.對(duì)于E面（yoz面）方向圖，副瓣可以達(dá)到-16dB，對(duì)于H面（xoz面），副瓣約為-20 dB.不同頻率處的仿真增益方向圖如圖10所示.可以看到在12～15.5GHz的頻帶范圍內(nèi)增益波動(dòng)約2dB，具有較寬的頻帶.

圖7 Vivaldi天線的加工樣機(jī)

圖8 Vivaldi天線在中心頻率處的實(shí)測(cè)方向圖

圖9 反射陣在中心頻率處仿真的增益方向圖

圖10 反射陣在不同頻率處的仿真增益

為了驗(yàn)證上述單元及陣列設(shè)計(jì)的工程可用性，對(duì)微帶反射陣列天線進(jìn)行加工，圖11給出了該微帶反射陣在中心頻率處實(shí)測(cè)的E面和H面方向圖.從圖中可以看出在該頻率處實(shí)測(cè)方向性系數(shù)為27.1 dB.E面方向圖的半功率波瓣寬度為5.3°，H面為4.9°，與仿真結(jié)果的差別主要是由于加工誤差和測(cè)試誤差造成的.此外，較為簡(jiǎn)易的工裝也會(huì)使得測(cè)試結(jié)果變差.但是總體說(shuō)來(lái)與仿真結(jié)果吻合較好.

圖11 微帶反射陣的實(shí)測(cè)方向圖

4 結(jié) 論

提出了一種新型的多諧振單元作為平面微帶反射陣的陣元，該單元具有寬頻帶特性，并且為單層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn).采用該單元設(shè)計(jì)了一個(gè)微帶反射陣列天線，使用Vivaldi天線對(duì)其進(jìn)行饋電，仿真結(jié)果表明，該反射陣具有較寬的帶寬.將該微帶反射陣進(jìn)行加工并在微波暗室中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好.由該單元組成的微帶反射陣具有高增益、寬頻帶、低副瓣的特性，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值.

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