高志明，何應(yīng)然，張文靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

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一種純介質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬帶反射陣天線單元特性分析

高志明，何應(yīng)然，張文靜

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊050081)

摘要:提出一種基于純介質(zhì)結(jié)構(gòu)的寬帶反射陣單元結(jié)構(gòu)。首先通過改變介質(zhì)基片的介電常數(shù)，研究了純介質(zhì)單元的移相特性，然后采用阻抗匹配層技術(shù)，獲得了寬帶范圍內(nèi)平坦的相移曲線。由于自然材料的介電常數(shù)難以連續(xù)變化，這里使用介質(zhì)基片開孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了等效的介電常數(shù)非均勻分布。目前主流的反射陣天線使用微帶貼片作為陣列單元，它存在工作帶寬窄、相移范圍受限的問題。提出的純介質(zhì)單元?jiǎng)t為寬帶反射陣天線的設(shè)計(jì)提供了一種新思路。

關(guān)鍵詞:反射陣天線;介質(zhì)開孔結(jié)構(gòu);阻抗匹配層;移相值

0引言

反射陣天線綜合了拋物面天線和傳統(tǒng)微帶陣列天線的雙重優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)微帶貼片陣列天線相比，平面反射陣天線沒有功分網(wǎng)絡(luò)，所以不存在饋電損耗，因此它有較高的輻射效率[1];與拋物面天線相比，平面反射陣列天線體積小、剖面低和重量輕，其平面結(jié)構(gòu)可折疊，易于與其他載體共形[2]。

反射陣天線是依靠單元的相位補(bǔ)償進(jìn)行工作，相位補(bǔ)償?shù)臏?zhǔn)確度直接關(guān)系到天線的整體增益、帶寬等輻射性能。因此，相位補(bǔ)償過程中可能出現(xiàn)的相位誤差便成為制約反射陣天線帶寬的重要因素[3]。目前主流的反射陣天線使用微帶貼片作為陣列單元[4]，采用調(diào)整單元尺寸的方式移相。然而傳統(tǒng)的微帶單元移相曲線的相移范圍有限，往往不足360°，并且非線性特征明顯[5-6]。

1反射陣天線基本原理

反射陣天線由平面反射陣面和饋源喇叭組成，

如圖1所示[7]。

圖1反射陣天線組成

反射陣面是由大量反射陣單元組成的平面陣列。其工作機(jī)理是:電磁波從喇叭饋出以后，沿著不同的傳輸路徑到達(dá)每個(gè)反射陣單元，傳輸路徑長度的差異將導(dǎo)致各單元所接收的入射場發(fā)生不同的空間相位延遲，通過合理設(shè)計(jì)每個(gè)單元，使其能對(duì)入射場進(jìn)行適當(dāng)相位補(bǔ)償，讓反射場在天線口徑面上形成所需的同相位波前。

2新型單元結(jié)構(gòu)及相移特性

本文設(shè)計(jì)的新型純介質(zhì)結(jié)構(gòu)反射陣單元，工作在Ku頻段，選定其中心頻率為13．375 GHz，單元間距10 mm，近似為中心頻率半波長。設(shè)計(jì)的純介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元，由理想介質(zhì)出發(fā)，通過改變介質(zhì)介電常數(shù)來研究單元的相移特性。由于實(shí)際介質(zhì)的介電常數(shù)不能做到連續(xù)調(diào)節(jié)，通過研究得出，可以選用大介電常數(shù)的介質(zhì)基板，通過調(diào)節(jié)介質(zhì)基板開孔直徑實(shí)現(xiàn)等效的介電常數(shù)調(diào)節(jié)。

2．1理想介質(zhì)單元的移相特性

理想介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元如圖2所示，采用方形介質(zhì)結(jié)構(gòu)。介質(zhì)基板下表面為金屬地板，它使得電磁波能量被完全反射回去，但電磁波的反射相位會(huì)發(fā)生變化。由電磁波的傳播規(guī)律可知，介質(zhì)層的物理厚度不變的情況下，介電常數(shù)越大，電磁波的等效路徑越長，相應(yīng)的相移值越大。

這里使用電磁軟件CST全波仿真方法計(jì)算了理想介質(zhì)基板對(duì)電磁波的移相值。計(jì)算模型中單元的排列周期P =10 mm，采用周期性邊界條件，模擬了無限大介質(zhì)基板的相移曲線。計(jì)算過程中介質(zhì)基板的厚度t =12 mm固定不變。

通過改變介質(zhì)的介電常數(shù)，可以得到不同頻率下理想介質(zhì)單元的移相特性對(duì)比曲線如圖3所示，當(dāng)介電常數(shù)范圍在2～9變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)超過360°的移相[8]。但純介質(zhì)單元的移相曲線呈S型[9]，在較大的ε范圍內(nèi)線性度、隨頻率的變化平行度較差。造成較大的移相誤差?？梢妴螌咏橘|(zhì)的移相曲線不夠理想，工作頻率發(fā)生變化后，空間延遲相位的補(bǔ)償誤差變大，直接影響反射陣天線帶寬[10]。

圖2理想介質(zhì)單元模型

3理想介質(zhì)單元的移相曲線

2．2　匹配層技術(shù)改善單元

為了改善理想介質(zhì)單元移相曲線的線性度和平行性，通過研究進(jìn)行了匹配層設(shè)計(jì)，在介質(zhì)單元上層設(shè)置一匹配層。含匹配層設(shè)計(jì)的理想介質(zhì)單元結(jié)構(gòu)如圖4所示。

根據(jù)阻抗匹配理論，匹配層的介電常數(shù)εm與下層介質(zhì)介電常數(shù)ε的關(guān)系確定為:εm=，匹配層的厚度tm選取為1/4波長左右，這里取tm= 4 mm，下層介質(zhì)厚度t =8 mm。

利用CST全波仿真方法計(jì)算了含匹配層設(shè)計(jì)的理想介質(zhì)單元的移相特性，結(jié)果如圖5所示。對(duì)比圖3的計(jì)算結(jié)果可以看出，通過匹配層設(shè)計(jì)，介質(zhì)單元的移相曲線線性程度得到了明顯改善，能夠有效的減小單元移相誤差。曲線的移相范圍超過了360°，滿足反射陣天線的設(shè)計(jì)要求。與此同時(shí)，不同工作頻率下的介質(zhì)單元移相曲線，其平行性也得到了明顯改善。這種移相曲線在Ku工作頻段內(nèi)接近平行變化，有效減小了空間延遲相位的補(bǔ)償誤差。

圖4含匹配層設(shè)計(jì)的理想介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元

圖5含匹配層設(shè)計(jì)的理想介質(zhì)單元在不同頻率隨介電常數(shù)變化的移相曲線

2．3基于介質(zhì)開孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)等效介電常數(shù)變化

由于連續(xù)可調(diào)的介質(zhì)基片不存在，這里使用人工媒質(zhì)的設(shè)計(jì)思想獲得連續(xù)漸變的等效介電常數(shù)。人工媒質(zhì)由亞波長的人工微結(jié)構(gòu)周期排布組成，其電磁響應(yīng)可以通過底層的微結(jié)構(gòu)靈活調(diào)節(jié)。

這里采用介質(zhì)基片開孔結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)材料的等效介電常數(shù)。開孔直徑越大，等效的介電常數(shù)越小。將這種開孔結(jié)構(gòu)等效為一種均勻媒質(zhì)，通過散射參數(shù)反演算法，可以計(jì)算出所選材料的等效電磁本構(gòu)參數(shù)[11]。本文選用的介質(zhì)基片開孔結(jié)構(gòu)如圖6所示。

每個(gè)反射陣單元包含2×2個(gè)孔，基片厚度t =2 mm，介質(zhì)基片材料選取為Arlon AR 1000，對(duì)應(yīng)的介電常數(shù)ε=10。在介質(zhì)基板兩端定義2個(gè)平面波端口。將開孔介質(zhì)基板視作等效介電常數(shù)為ε、磁導(dǎo)率為μ的均勻介質(zhì)基板，則該二端口網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)一個(gè)傳輸矩陣T，其解析式為:

式中n是介質(zhì)基板折射率，z是波阻抗。n和z 與ε和μ之間關(guān)系式如下:

圖6參數(shù)提取介質(zhì)結(jié)構(gòu)單元

在工程計(jì)算及工程實(shí)踐中，散射矩陣相較于傳輸矩陣更易于計(jì)算得出，它既可以借助商業(yè)軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真計(jì)算獲取，也可以通過實(shí)驗(yàn)的方法直接測(cè)得。根據(jù)二端口網(wǎng)絡(luò)傳輸矩陣與散射矩陣的變換關(guān)系，可以得到折射率n和阻抗z用散射參數(shù)表達(dá)的計(jì)算公式:

這樣，根據(jù)超材料結(jié)構(gòu)對(duì)電磁波的散射系數(shù)，就可以得到該超材料平板的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率。

對(duì)本文使用的介質(zhì)基片開孔結(jié)構(gòu)做參數(shù)提取，將結(jié)構(gòu)單元的S11、S21參數(shù)的幅度相位值提取出來，計(jì)算得出開孔半徑R與介質(zhì)等效介電常數(shù)εeff之間關(guān)系如圖7所示。可見，開孔半徑越大，該等效媒質(zhì)的介電常數(shù)越小。該變化趨勢(shì)與理論預(yù)測(cè)一致。

圖7開孔半徑R與介質(zhì)等效介電常數(shù)ε之間關(guān)系曲線

2．4含匹配層的介質(zhì)開孔結(jié)構(gòu)的相移曲線

上述參數(shù)提取計(jì)算得出了介質(zhì)開孔半徑R與等效介電常數(shù)ε之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

根據(jù)匹配層的介電常數(shù)εm與下層介質(zhì)介電常數(shù)ε的關(guān)系式εm=，可以建立下層介質(zhì)基片的開孔半徑R與上層匹配層開孔半徑Rm之間的關(guān)系式。使用多項(xiàng)式擬合技巧，得到匹配層開孔半徑Rm與下層介質(zhì)開孔半徑R之間關(guān)系式為:

由上述關(guān)系式進(jìn)行開孔介質(zhì)單元建模，即實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)開孔等效理想介質(zhì)。

使用開孔技術(shù)，建立含匹配層的反射陣單元結(jié)構(gòu)模型如圖8所示。方形結(jié)構(gòu)邊長P =10 mm，匹配層厚度tm=4 mm，開孔半徑為Rm，下層介質(zhì)厚度為t =8 mm，開孔半徑為R。

圖8含匹配層的介質(zhì)開孔結(jié)構(gòu)單元

利用CST全波仿真方法計(jì)算了含匹配層設(shè)計(jì)的開孔介質(zhì)單元的移相特性如圖9所示。

圖9　含匹配層的開孔介質(zhì)單元移相曲線

在介質(zhì)開孔結(jié)構(gòu)中，空氣和介質(zhì)的占空比直接影響等效媒質(zhì)的電磁響應(yīng)。當(dāng)R變化范圍在0．25 ～2．5 mm之間時(shí)，反射陣單元中介質(zhì)的占空比f0= 1-4πR2/P2的變化范圍為0．21～0．99。圖9畫出介質(zhì)占空比f0對(duì)單元移相值的影響。由仿真結(jié)果可以得出，在某一特定工作頻率下，含匹配層的開孔結(jié)構(gòu)單元的移相曲線線性度較好，變化比較平緩，且移相范圍超過了360°。對(duì)比不同工作頻段的移相曲線還可得出，移相曲線隨頻點(diǎn)漂移平行度較高，能夠有效減小空間延遲相位誤差。

3結(jié)束語

設(shè)計(jì)了一種基于全介質(zhì)結(jié)構(gòu)的新型反射陣單元。改變介質(zhì)基片的介電常數(shù)，可以大范圍調(diào)節(jié)反射陣單元的反射相位。使用匹配層技術(shù)，進(jìn)一步改善了這種反射陣單元的移相曲線的線性度和平行度，有效地減小了單元的相位誤差。通過對(duì)開孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)作參數(shù)提取，實(shí)現(xiàn)了開孔介質(zhì)與理想介質(zhì)的等效，且該單元的相移范圍超過了360°，為寬帶反射陣天線的設(shè)計(jì)提供了一種新思路并打下了良好的基礎(chǔ)。

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Feature Analysis on a Broadband Reflectarray Antenna Element Based on Pure Dielectric Structure

GAO Zhi-ming，HE Ying-ran，ZHANG Wen-jing

( The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang Hebei 050081，China)

Abstract:A broadband reflectarray element based on pure dielectric structure is proposed．The phase shift property of pure dielectric element is first studied by varying the permittivity of dielectric substrate．Then the impedance matching technique is adopted to achieve flat phase shift curve in a broad frequency．Since the permittivity of a natural material is usually fixed，a perforated dielectric substrate is used to reach the inhomogeneous permittivity distribution in an effective way．Currently，micro-strip patches are frequently used to construct reflectarray antenna，which results in narrow bandwidth and limited phase shift range．The pure dielectric approach provides an alternative way for broadband reflectarray antenna design．

Key words:reflectarray antenna; perforated dielectric; impedance matching layer;phase shift value

作者簡介:高志明( 1988—)，男，碩士研究生，主要研究方向:電磁場與微波技術(shù)。何應(yīng)然( 1986—)，男，博士，主要研究方向:超材料天線技術(shù)。張文靜( 1962—)，男，研究員，主要研究方向:衛(wèi)星通信地球站天線、微波天線和饋源系統(tǒng)。

基金項(xiàng)目:中國博士后基金面上項(xiàng)目( 2015M580218)

收稿日期:2015-09-10

中圖分類號(hào):TN821

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1003-3114( 2016) 01-69-4