張翀 韋高 許家棟 李建周 吳昌英 王彥芳 朱富國(guó)

(1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129; 2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,南京 211100;3.南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

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一體化饋源大角度掃描折疊式反射陣列天線

張翀1韋高1許家棟1李建周1吳昌英1王彥芳2朱富國(guó)3

(1.西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129; 2.河海大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院,南京 211100;3.南京電子技術(shù)研究所,南京 210039)

衛(wèi)星通訊服務(wù)的快速增長(zhǎng)催生了對(duì)于“動(dòng)中通”設(shè)備旺盛的需求．由于具有低剖面、加工方便、功能實(shí)現(xiàn)多樣等特點(diǎn),折疊式反射陣列具有應(yīng)用于“動(dòng)中通”系統(tǒng)的巨大潛力．針對(duì)這一應(yīng)用需求,提出了一種具有大角度掃描能力的折疊式反射陣列設(shè)計(jì)方案,基于多層印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種工作在C波段可用于折疊式反射陣列具有60°掃描能力的微帶縫隙單元,利用該單元設(shè)計(jì)了0°、45°和60°波束指向的固定波束折疊式反射陣列．此外,使用陣列饋源替代傳統(tǒng)喇叭饋源,完成了饋源與主反射面的一體化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了折疊式反射陣列天線結(jié)構(gòu)的平面化．固定波束折疊式反射陣列的仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果表明在4.85～5.15 GHz的頻率范圍內(nèi),陣列具有60°波束掃描的能力．

折疊式反射陣列;微帶縫隙陣列單元;一體化饋源;大角度波束掃描

DOI 10.13443/j.cjors.2015100601

引 言

衛(wèi)星通訊服務(wù)的快速增長(zhǎng)催生了對(duì)于“動(dòng)中通”設(shè)備旺盛的需求,而作為整個(gè)通訊系統(tǒng)中的關(guān)鍵子系統(tǒng),高增益天線一直是該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一．由于具有加工方便、實(shí)現(xiàn)功能多樣的特點(diǎn),反射陣列天線[1-3]近年來(lái)吸引了科研人員和工程師們的大量關(guān)注．然而,反射陣列天線繼承自反射面天線的空間饋電方式使得天線整體高度無(wú)法有效降低,這極大地制約了反射陣列天線在“動(dòng)中通”系統(tǒng)中的應(yīng)用．針對(duì)這一不足,折疊式反射陣列[1, 4-7]通過(guò)極化選擇柵格的使用,將饋源嵌入到主反射面中(如圖1所示),在保留了空間饋電方式低損耗特點(diǎn)的同時(shí),從整體上降低了反射陣列天線高度．因此,折疊式反射陣列天線已成為反射陣列天線中一個(gè)重要發(fā)展分支,同時(shí)也完全具有應(yīng)用于“動(dòng)中通”系統(tǒng)的潛力．

圖1 折疊式反射陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

針對(duì)“動(dòng)中通”系統(tǒng)的應(yīng)用需求,本文設(shè)計(jì)、加工、組裝并測(cè)試了工作在C波段具有不同固定波束角度(波束指向俯仰角為0°、45°、60°)的折疊式反射陣列．在陣元設(shè)計(jì)中,周期條件下設(shè)計(jì)的微帶縫隙天線單元和低介電常數(shù)(相對(duì)介電常數(shù)εr<2)介質(zhì)覆蓋層的使用將保證陣列單元具有滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的最大掃描角度．此外,一體化設(shè)計(jì)的陣列饋源將用于代替?zhèn)鹘y(tǒng)喇叭饋源并應(yīng)用到陣列中,嘗試實(shí)現(xiàn)天線結(jié)構(gòu)上的平面化．

1 基本原理與設(shè)計(jì)重點(diǎn)

由圖1可以看出,折疊式反射陣列天線的結(jié)構(gòu)主要由使用空間饋電形式的饋源天線、實(shí)現(xiàn)極化翻轉(zhuǎn)和相位補(bǔ)償?shù)闹鞣瓷涿嬉约坝糜跇O化選擇的極化柵格這三部分組成．來(lái)自饋源天線的發(fā)射波(虛線)在極化柵格處經(jīng)過(guò)鏡面反射折回并照射到主反射面上,經(jīng)過(guò)主反射面上各處陣元的相位補(bǔ)償以及極化翻轉(zhuǎn)后進(jìn)行二次輻射．此時(shí),與饋源天線極化方向垂直的二次輻射波(實(shí)線)將無(wú)反射地透過(guò)極化柵格進(jìn)行傳播．為實(shí)現(xiàn)不同的波束方向,只需在各個(gè)陣元處做出相應(yīng)的相位補(bǔ)償即可．

根據(jù)上述基本原理可知,主反射面是整個(gè)天線設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié),而組成主反射面的陣列單元將是其中關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)．在陣元設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題主要有以下幾點(diǎn):首先,陣元設(shè)計(jì)中不僅要考慮其要達(dá)到的性能,而且還應(yīng)充分考慮到設(shè)計(jì)方案的可實(shí)現(xiàn)性和相應(yīng)的成本問(wèn)題．因此,使用印刷電路板(Printed Circuit Board,PCB)加工技術(shù)并將微帶天線作為陣列陣元是一個(gè)合適的選擇．其次,選擇何種相位補(bǔ)償?shù)姆绞剑壳?實(shí)現(xiàn)相位補(bǔ)償?shù)姆绞接袃煞N,即反射式和傳輸式．其中使用反射式相位補(bǔ)償方式的陣列設(shè)計(jì)方便且制作成本低,但是其有限的空余面積,或不利于延遲線的布線,或不利于有源器件和控制器件的集成．因此,本文中的波束掃描陣列選擇傳輸式的相位補(bǔ)償方式．

此外,饋源天線和主反射面的平面一體化是本文設(shè)計(jì)工作的另一重點(diǎn)．首先,為實(shí)現(xiàn)一體化陣列饋源對(duì)傳統(tǒng)喇叭饋源的替代,主反射陣中間四個(gè)單元的位置被用于陣列饋源的設(shè)計(jì)．其次,為了節(jié)約成本,陣列饋源的層間結(jié)構(gòu)應(yīng)與陣列單元相同,使得饋源天線和主反射面的各層結(jié)構(gòu)可以加工在同一印制板上．另外,為盡量保證饋源周?chē)鷨卧臏?zhǔn)周期工作環(huán)境以及出于簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的目的,饋源天線的單線極化陣元應(yīng)在盡量保留原有雙線極化單元整體結(jié)構(gòu)的前提下進(jìn)行單線極化設(shè)計(jì)．

2 陣元設(shè)計(jì)

文中天線主反射面所使用的雙線極化陣元為微帶線轉(zhuǎn)帶狀線饋電的背腔縫隙天線[8],其層間結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示．其中第一層為環(huán)形輻射縫隙,在對(duì)角線方向的角落處為連接第二層和第四層饋電線的準(zhǔn)同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)(連接第二層的帶狀線與第四層的微帶線)．第二層中的饋電線為非對(duì)稱的帶狀線,與轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相連部分的特性阻抗為50 Ω．為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,其末端變?yōu)?5 Ω．連接第一層和第四層的金屬化過(guò)孔與第三層的金屬地板組成了縫隙天線的背腔．單元所用介質(zhì)為聚四氟乙烯玻璃纖維,其標(biāo)稱相對(duì)介電常數(shù)為2.65．陣元中各部分結(jié)構(gòu)的具體尺寸可參見(jiàn)表1和表2．

圖2 雙線極化陣元結(jié)構(gòu)示意圖

LinLoutLSinSout13.927.628.51.20.45Ws1Ws2Ls1Ls2Ls31.51.010.710.06.0R1R2RpadRholeWm11.81.10.650.41.4

表2 介質(zhì)層厚度 mm

為了實(shí)現(xiàn)大角度掃描,在陣元結(jié)構(gòu)的最上層使用了低介電常數(shù)介質(zhì)蓋板[9](相對(duì)介電常數(shù)為1.4的低發(fā)泡聚氯乙烯泡沫板)以減弱陣元輸入阻抗隨掃描角度變化的劇烈程度,尤其能夠改善在大掃描角度時(shí)陣元輸入阻抗的性能．由于聚四氟乙烯纖維板與其他材料間的粘結(jié)性較差,所以單元的四角處留有直徑為3 mm的非金屬通孔,便于緊固件的使用．

利用商業(yè)仿真軟件,在周期邊界條件下得到雙線極化單元在不同掃描角度時(shí)TM模和TE模的|S11|仿真結(jié)果,如圖3所示．由仿真結(jié)果可知,該雙線極化單元的TE模和TM模的最大掃描角度均達(dá)到了60°．其中,TM模的掃描性能要強(qiáng)于TE模．對(duì)于TM模,在0°～60°的掃描范圍內(nèi),其反射系數(shù)幅值始終能夠保證在14%左右的帶寬內(nèi)低于-10 dB．但是,隨著掃描角度的增加,TE模|S11|帶寬在逐漸縮小,但仍然能夠保證在4.86～5.17 GHz的頻率范圍內(nèi),其反射系數(shù)幅值低于-10 dB．另外,由圖3(b)中掃描角度為60°的TE模|S11|曲線可以看出,在5.4 GHz處出現(xiàn)了諧振,但是由于單元尺寸被限制在最高工作頻率的二分之一波長(zhǎng)以下,該諧振點(diǎn)處于工作頻率之外,所以避免了掃描盲點(diǎn)的出現(xiàn)．良好的掃描性能將為陣列設(shè)計(jì)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)．

(a) TM模

(b) TE模圖3 雙線極化單元|S11|

3 饋源設(shè)計(jì)

饋源單元結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示．在盡量保留雙線極化單元結(jié)構(gòu)的前提下,將一條微帶饋電線去掉并將帶狀線饋線短路的同時(shí),經(jīng)過(guò)對(duì)部分金屬化過(guò)孔位置進(jìn)行微調(diào)就得到了組成一體化陣列饋源的單線極化單元．另外,其層間結(jié)構(gòu)與雙線極化單元完全一致．使用商業(yè)仿真軟件,在周期邊界條件下得到的|S11|仿真結(jié)果如圖5所示．

利用前文給出的單線極化單元,主反射陣中間四個(gè)單元的位置被用于陣列饋源的設(shè)計(jì)．饋源陣列的平面示意圖和背面的饋電網(wǎng)絡(luò)如圖6所示．其中,饋電網(wǎng)絡(luò)由兩級(jí)T形功分器構(gòu)成,SMA接頭將以立焊的方式固定在饋電點(diǎn)處．

圖4 饋源單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 單線極化單元|S11|

圖6 陣列饋源及其饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

中心頻率(5.0 GHz)下,陣列饋源的實(shí)測(cè)歸一化主平面方向圖如圖7所示．由圖可知,方向圖的-10 dB增益下降點(diǎn)位于43°～57°及-43°～-47°的區(qū)間內(nèi)．此外,陣列饋源正向方向的交叉極化電平均優(yōu)于-20 dB．

(a) E面

(b) H面圖7 陣列饋源實(shí)測(cè)方向圖(5.0 GHz)

4 陣列設(shè)計(jì)

本文中折疊式反射陣列的主反射面由196個(gè)單元格構(gòu)成,其中包括:作為饋源的中間部分4個(gè)單線極化單元、處于主反射面邊緣的8個(gè)安裝孔以及余下的雙線極化單元,具體排列結(jié)構(gòu)可參考圖10中的陣列實(shí)物圖．每個(gè)單元格的尺寸為28.5 mm×28.5 mm,主反射面的面積為420 mm×420 mm,約為49λ2．參照饋源方向圖的-10 dB增益下降點(diǎn),極化柵格被放置在距離主反射面120 mm的位置處,天線焦距與主反射面邊長(zhǎng)之比約為0.57．根據(jù)上述天線關(guān)鍵尺寸,主反射面上各處陣元的相位補(bǔ)償將由圖8所示的三種延遲線布線方式來(lái)實(shí)現(xiàn)．這三種布線方式將分別覆蓋0°～165°、165°～330°和310°～360°的相位補(bǔ)償范圍．

(a) 布線一 (b) 布線二 (c) 布線三圖8 微帶延遲線布線示意圖

利用商業(yè)仿真軟件,五個(gè)固定角度(方位角為0°、90°,俯仰角為0°、45°、60°)波束折疊式反射陣列在中心頻率(5.0 GHz)下的歸一化主極化方向圖以及交叉極化方向圖的仿真結(jié)果如圖9所示．由仿真結(jié)果可知,該設(shè)計(jì)在0°和90°的方位角上均實(shí)現(xiàn)了60°的最大掃描角度．波束指向?yàn)?0°的陣列增益相較于0°波束指向的陣列下降4.0 dB,略大于3 dB的理論值．此外,在-3 dB波束范圍內(nèi),除一個(gè)陣列(方位角90°,俯仰角60°)的交叉極化電平為15 dB之外,其他波束指向陣列的交叉極化電平均優(yōu)于20 dB．

(a) 方位角0°

(b) 方位角90°圖9 固定角度(0°、45°、60°)波束折疊式反射陣列方向圖仿真結(jié)果 (5.0 GHz)

文中五個(gè)陣列天線結(jié)構(gòu)均相同,僅是由于不同波束指向?qū)е滤璞趁嫦辔谎舆t線布線有所不同．因此,我們完成了方位角為0°的三個(gè)陣列(如圖10所示)的加工、組裝與測(cè)試,通過(guò)與仿真數(shù)據(jù)的對(duì)比以驗(yàn)證該設(shè)計(jì)的可行性．圖10中的三組折疊式反射陣列在中心頻率(5.0 GHz)下的歸一化主極化和交叉極化方向圖實(shí)測(cè)結(jié)果如圖11所示．由圖可見(jiàn),該設(shè)計(jì)達(dá)到了60°最大掃描角度的要求,且在-3 dB波束范圍內(nèi)具有較低交叉極化電平值．由于加工誤差、組裝和測(cè)試等相關(guān)因素的影響,45°波束指向陣列的實(shí)測(cè)增益略低于仿真結(jié)果,其余實(shí)測(cè)結(jié)果(波束寬度、副瓣電平以及交叉極化電平等)與仿真結(jié)果基本一致．

另外,這三組折疊式反射陣列的實(shí)測(cè)增益結(jié)果可參見(jiàn)圖12．由圖可見(jiàn):0°波束指向陣列在5.0 GHz頻率下的實(shí)測(cè)天線增益值為21.6 dBi;60°波束指向陣列增益值較0°波束指向陣列增益值下降不超過(guò)4.3 dB;在4.85～5.15 GHz的頻帶范圍內(nèi),陣列增益值變化小于3.0 dB．

圖10 折疊式反射陣列實(shí)物圖

圖11 固定角度(方位角0°,俯仰角0°、45°、60°)波束指向陣列方向圖測(cè)試結(jié)果(5.0 GHz)

圖12 固定角度(方位角0°,俯仰角0°、45°、60°)波束指向陣列天線增益測(cè)試結(jié)果

5 結(jié) 論

本文利用微帶背腔縫隙天線作為陣列單元,完成了工作在C波段具有大掃描角度能力的折疊式反射陣列的設(shè)計(jì)、加工與測(cè)試工作．通過(guò)對(duì)不同角度的固定波束陣列進(jìn)行的仿真與測(cè)試,證實(shí)了該設(shè)計(jì)具有60°的波束掃描能力．另外,一體化設(shè)計(jì)的陣列饋源被成功應(yīng)用到陣列中,實(shí)現(xiàn)了天線結(jié)構(gòu)上的平面化．仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證了所提出設(shè)計(jì)方案的有效性,良好的性能令該天線具有應(yīng)用于“動(dòng)中通”系統(tǒng)的巨大潛力．

[1] HUANG J, ENCINAR J A. Reflectarray antennas[M]. Piscataway, USA: IEEE Press, 2008.

[2] 薛飛, 王宏建, 易敏, 等. 新型微帶反射陣列單元的設(shè)計(jì)及其應(yīng)用[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 30(3): 571-575. XUE F, WANG H J, YI M, et al. Design of a novel multi-resonance microstrip reflectarray element and its application[J]. Chinese journal of radio science, 2015, 30(3): 571-575.(in Chinese)

[3] 鄭文泉, 萬(wàn)國(guó)賓, 甘啟宇, 等. 一種新型雙頻微帶反射陣列的設(shè)計(jì)[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 29(6): 1057-1062. ZHENG W Q, WAN G B, GAN Q Y, et al. Design of a novel dual band microstrip reflectarray[J]. Chinese journal of radio science, 2014, 29(6): 1057-1062.(in Chinese)

[4]PILZ D, MENZEL W. Folded reflectarray antenna[J]. Electronics letters, 1998, 34(9): 832-833.

[5] JIANG M, HONG W, ZHANG Y, et al. A folded reflectarray antenna with a planar SIW slot array antenna as the primary source[J]. Transaction on antennas and propagation, 2014, 62(7): 3575-3583.

[6] ZORNOZA J A, LEBERER R, ENCINAR J A, et al. Folded multilayer microstrip reflectarray with shaped beam pattern[J]. Transaction on antennas and propagation, 2006, 54(4): 510-518.

[7] MENZEL W, PILZ D, AL-TIKRITI M. MM-Wave Folded reflector antennas with high gain, low loss, and low profile[J]. Antennas and propagation magazine, 2002: 24-29.

[8] ZHANG C, WEI G, LI J Z, F. QIN, et al. Dual-polarized unit-cell element for wide-angle electrically beam-scanning reflectarray[C]//2014 Loughborough antennas and propagation conference (LAPC). November 10-11, 2014, Loughborough: 457-460.

[9] MUNK B A, frequency selective surface: theory and design[M]. New York: John Wiely & Sons, 2000:195-199.

張翀 (1985-),男,遼寧人,西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院電磁場(chǎng)與微波技術(shù)專業(yè)博士研究生,研究方向?yàn)檎郫B式反射陣列天線．

韋高 (1963-),男,山東人,西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榻橘|(zhì)測(cè)量與反射陣列天線．

許家棟 (1948-),男,安徽人,西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榻橘|(zhì)測(cè)量．

folded reflectarray; slot-type antenna unit-cell; integrated feeding source; large-angle beam scanning

Large-angle beam scanning folded reflectarray with integrated feed source

ZHANG Chong1WEI Gao1XU Jiadong1LI Jianzhou1WU Changying1WANG Yanfang2ZHU Fuguo3

(1.SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China; 2.CollegeofComputerandInformation,HohaiUniversity,Nanjing211100,China; 3.ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,Nanjing210039,China)

The booming development in satellite communication service forces the brisk demand for “SatCom-on-the-move” devices. Due to the low profile, the ease of fabrication and realization of multifunction, folded reflectarrays have the potential to be applied in the “SatCom-on-the-move” . To fill this application demand, a design method of the wide-angle scanning folded reflectarray is presented in this paper. Based on the multi-layer printed circuit board (PCB) technology, the design of a C-band microstrip slot-typed unit cell with the beam scanning angle up to 60° is accomplished and the folded refelctarrays with discrete beam angles of 0°, 45° and 60° are also designed by using the proposed slot-typed unit cell. In addition, the completely planar structure of the whole antenna is achieved through integrating the array source with the main reflecting face instead of using the traditional horn source. The simulated and measured results demonstrate that the proposed folded reflectarrays have the capability of realizing the large beam scanning angle up to 60° from 4.85 GHz to 5.15 GHz.

10.13443/j.cjors.2015100601

2015-10-06

TN82

A

1005-0388(2016)04-0766-06

張翀, 韋高, 許家棟, 等. 一體化饋源大角度掃描折疊式反射陣列天線[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(4):766-771.

ZHANG C, WEI G, XU J D, et al. Large-angle beam scanning folded reflectarray with integrated feed source[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):766-771. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015100601

聯(lián)系人： 張翀 E-mail: zczcdale@163.com