一種新型單層微帶反射陣列設(shè)計

劉騰元，陳文俊

(南京船舶雷達(dá)研究所，江蘇 南京 211106)

0 引言

隨著衛(wèi)星通訊、遙感探測、高分辨雷達(dá)的迅猛發(fā)展，大口徑、高增益、小型化天線顯得越來越重要。拋物面天線和平面相控陣天線是2種常被選擇的天線。拋物面天線結(jié)構(gòu)簡單、方向性強(qiáng)、功率容量大并且有較寬的工作頻帶，但是其缺點(diǎn)也比較明顯，它體積龐大，不易共形，并且難以實(shí)現(xiàn)寬角度掃描；而平面相控陣天線雖然設(shè)計靈活，易于寬角度掃描和實(shí)現(xiàn)波束賦形等功能，但由于復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)，導(dǎo)致天線整體輻射效率較低，成本較大。為了克服上述2種天線的缺點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者提出了平面微帶反射陣列天線。

平面微帶反射陣列天線結(jié)合了拋物面天線和平面相控陣天線的優(yōu)點(diǎn)。采用空間饋電方式，減少了天線的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，降低了成本。同時，通過相位補(bǔ)償使得天線波束實(shí)現(xiàn)定向性、高增益。這些顯著的優(yōu)點(diǎn)使得微帶反射陣列幾年來獲得了快速的發(fā)展與應(yīng)用[1-5]。

雖然微帶反射陣列天線有很多的優(yōu)點(diǎn)，但是已知其帶寬都比較窄，尤其是單層微帶反射陣列。影響其帶寬的因素有：饋源的工作帶寬，單元之間的間距，空間延遲相位的補(bǔ)償誤差，微帶貼片單元自身的窄帶移相缺陷。針對這些問題，文獻(xiàn)[6]中提出多層堆疊方形貼片結(jié)構(gòu)的反射陣單元，通過增加單元諧振點(diǎn)來獲得一個較寬的頻段。但是，該方法結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[7]中提出使用不同貼片與加載延遲線混合結(jié)構(gòu)的反射單元，可以優(yōu)化單元的反射方向圖，保證陣列的效率；文獻(xiàn)[8]中通過設(shè)計雙層雙頻帶反射陣，以實(shí)現(xiàn)雙頻口徑復(fù)用。文獻(xiàn)[9]中提出采用亞波長結(jié)構(gòu)的反射單元以減小空間延遲相位的誤差。文獻(xiàn)[10]中提出使用分形結(jié)構(gòu)單元作為反射陣元以實(shí)現(xiàn)多頻化。除此之外，有的學(xué)者使用緊耦合結(jié)構(gòu)反射面來增加反射陣的帶寬[11]。

本文設(shè)計了一種新型微帶反射單元，采用雙方環(huán)與方形金屬貼片結(jié)構(gòu)組合而成，通過改變內(nèi)側(cè)方環(huán)的邊長來實(shí)現(xiàn)超過360°的移相范圍。陣列單元間距約1/4中心頻率波長。饋源選擇角錐喇叭天線。利用仿真軟件Ansoft HFSS建立16×16單元的平面微帶反射陣列并進(jìn)行仿真分析。結(jié)果表明：本文所設(shè)計的單層微帶平面反射陣列在9～12 GHz的頻段內(nèi)有較高的增益，且可以靈活設(shè)定主波束方向，具有一定的工程利用價值。

1 基本原理

微帶反射陣列天線由平面反射陣和饋源天線組成，如圖1所示。反射陣面是由印制于接地介質(zhì)基片上的微帶貼片單元組成的平面陣列，饋源為喇叭天線。其工作原理是：喇叭天線發(fā)出電磁波，沿著不同的傳輸路徑到達(dá)每個單元，傳輸路徑長度的差異將導(dǎo)致各個單元所接收的入射場有不同的空間相位延遲，通過合理設(shè)計每個單元，使其能對入射場進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔谎a(bǔ)償，讓反射場在天線口徑面上形成所需的同相位波前[12]。

根據(jù)陣列天線理論，平面陣的總輻射場為

(1)

由式(1)可得，假設(shè)主波束方向?yàn)?θb,φb)，則陣列上第i個單元的相位分布為

φ(xi,yi)=k0sinθbcosφbxi-k0sinθbsinφbyi,

(2)

式中：k0為真空中的自由波數(shù)；(xi,yi)為陣元i的坐標(biāo)。同時，陣元i的反射場相位又等于饋源照射到該單元的入射場相位和該單元自身的反射相移之和，即

φ(xi,yi)=-k0di+φR(xi,yi),

(3)

式中：φR(xi,yi)為陣元i自身提供的反射相移；-k0di為饋源照射到該單元的入射電場相位；di為饋源天線的相位中心到第i個單元的空間距離。如果饋源天線的相位中心的坐標(biāo)為(xf,yf,zf)，則di可寫為

(4)

由式(2)和式(3)得，陣列上每個單元所需補(bǔ)償?shù)南辔粸?/p>

φR=k0[di-(cosφbxi+sinφbyi)sinθb]，

(5)

即當(dāng)平面微帶反射陣列的波束指向?yàn)?θb,φb)時，需要將反射面上每個單元的反射相移調(diào)整為式(5)中的φR，這樣由饋源發(fā)出的入射波可以合理補(bǔ)償陣面上各個單元的空間相位差，使得陣列在(θb,φb)方向上形成高增益波束。

2 天線設(shè)計

2.1 單元設(shè)計分析

本文設(shè)計的陣列單元由正方形金屬貼片與雙方環(huán)金屬貼片結(jié)構(gòu)組合而成，如圖2所示。陣列單元中心工作頻率為10.5 GHz，單元間距為7.5 mm，大約為中心頻率的1/4個波長。介質(zhì)基板選擇介電常數(shù)為3.55的Rogers RO4003，厚度為t1。介質(zhì)基板下面加載厚度為t2的泡沫材料，起到支撐作用。單元中間的正方形金屬貼片邊長為d，外側(cè)方環(huán)形金屬貼片寬度為w1，內(nèi)側(cè)方環(huán)形金屬貼片寬度為w2，邊長為l+2w2。通過高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS中的Floquet模式及主從邊界條件，模擬無限大陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，可以得到不同單元結(jié)構(gòu)參數(shù)(t1,t2,w1,w2,d)條件下的單元反射相移曲線，如圖3～7所示。

從圖3～7中可以看出，當(dāng)單元內(nèi)側(cè)方環(huán)邊長l從2 mm變化到7.5 mm時，陣列單元在工作頻段內(nèi)可得到超過360°的反射相移曲線。對圖3～7進(jìn)行分析，結(jié)果表明：介質(zhì)基板厚度t1對反射相移曲線的移相范圍影響不大，但隨著t1的增大，相移曲線的線性度逐漸變好。泡沫材料的厚度t2對反射相移曲線的移相范圍和線性度影響較小。外側(cè)方環(huán)寬度w1、內(nèi)側(cè)方環(huán)寬度w2對工作頻段內(nèi)的單元反射相移曲線影響很小，移相范圍及線性度基本沒有發(fā)生變化。當(dāng)正方形貼片的邊長取不同的值時，單元反射相移曲線也基本不變。

綜上所述并通過優(yōu)化各個參數(shù)，本文確定介質(zhì)基板厚度t1=1 mm，泡沫材料厚度t2=3 mm，外內(nèi)側(cè)金屬方環(huán)形貼片寬度w1=w2=0.25 mm，正方形金屬貼片邊長d=2 mm。在此結(jié)構(gòu)參數(shù)下，分別在9.0，10.0，10.5，11.0，12.0 GHz頻點(diǎn)對單元進(jìn)行仿真，如圖8所示。仿真結(jié)果表明：在9～12 GHz，陣列單元都有著超過360°且平滑的反射相移曲線，可以用來作為反射面陣列單元。

2.2 饋源天線設(shè)計

平面微帶反射陣列采用空間饋電方式，所以饋源天線的電磁性能對整個陣列的性能影響很大。饋源的形式有很多種，包括喇叭、振子、微帶貼片、縫隙、螺旋和對數(shù)周期天線等，其中喇叭天線是最常用的饋源天線。

本文選用角錐喇叭作為反射陣列的饋源，優(yōu)化后的喇叭天線S11曲線如圖9所示，從圖中可以看出：饋源從9～12 GHz頻段內(nèi)的S11值均小于-10 dB，具有良好的反射系數(shù)帶寬。圖10為角錐喇叭在中心頻率的相位方向圖，從圖中可以看出：當(dāng)θ角在±30°之間時，喇叭天線的相位值變化不大，可以作為反射陣列的饋源。

2.3 陣列設(shè)計

平面微帶反射陣列天線的陣列結(jié)構(gòu)由焦徑比和口徑利用效率決定,如式(6)和式(7)所示。其中，D為反射陣面邊長，F(xiàn)為饋源等效相位中心到反射陣面距離。ηa為陣列口徑利用效率，ηt為正饋條件下反射陣列的口徑照射效率，ηs為饋源天線的漏射效率。θe為饋源從陣列中心到邊緣的夾角，高階函數(shù)cosqθe代表饋源天線的方向圖。已知，在給定饋源天線方向圖的前提下，饋源從陣列中心到邊緣的夾角θe存在最優(yōu)值。因此，通過調(diào)整陣列的焦徑比，可以獲得最優(yōu)陣列輻射方向圖。

0.5D/F=tanθe,

(6)

ηa=ηtηs,

(7)

(8)

ηs=1-cos2q+1θe.

(9)

除此之外，陣列口徑的電尺寸也是一個重要的設(shè)計參數(shù)。陣列口徑的電尺寸越小，天線的副瓣電平和交叉極化電平就越高，進(jìn)而導(dǎo)致口徑利用效率降低。所以，設(shè)計相對較大電尺寸的反射陣面很有必要[13]。

本文設(shè)計的平面微帶反射陣列如圖11所示。反射面尺寸為120 mm×120 mm，陣元間距為7.5 mm，一共包含16×16個單元。饋源喇叭采用中心饋電方式。根據(jù)式(6)及圖10，令天線的焦徑比F/D=1，即饋源喇叭的相位中心到反射面中心的距離約為120 mm，θe≈25°，以保證反射陣列天線的輻射效率。反射陣列工作于中心頻率時的主波束方向垂直于反射面，通過式(5)計算每個陣元所需要補(bǔ)償?shù)南辔恢?，計算結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出：饋源中心饋電時，陣列單元所需補(bǔ)償?shù)南辔恢翟谧鴺?biāo)系Oxy面的4個象限內(nèi)是相等的，只需計算一個象限內(nèi)的陣元尺寸即可得到所有陣元尺寸。已知陣列單元在工作頻段內(nèi)的反射相移曲線如圖8所示，則根據(jù)圖12中第Ⅰ象限內(nèi)陣元所需補(bǔ)償?shù)南辔恢?，可得到第Ⅰ象限?nèi)的陣元尺寸，如表1所示。根據(jù)表1可知所有陣元尺寸，完成陣列天線的設(shè)計。

mm

3 仿真結(jié)果

利用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對所設(shè)計的平面微帶反射陣列進(jìn)行仿真分析，得到反射陣列的遠(yuǎn)場方向圖如圖13所示。從圖中可以看出：在中心頻率處陣列增益約為20.5 dB，波束指向θ=0°方向，3 dB波瓣寬度約為18°。9～12 GHz的工作頻帶內(nèi)，反射陣列的增益曲線如圖14所示?？梢钥闯觯瓷潢嚵械脑鲆孀兓淮?，其1 dB增益帶絕對寬約為2.2 GHz，相對帶寬為20.9%。對與表2中文獻(xiàn)對比表明：本文所設(shè)計的單層微帶反射陣列有效地提升了反射陣的帶寬。在此基礎(chǔ)上，調(diào)整陣列單元的尺寸，使得陣列的主波束指向φ=0°,θ=30°或φ=0°,θ=-45°方向，得到的遠(yuǎn)場方向圖如圖15所示。從圖中可以看出：當(dāng)主波束方向?yàn)棣?0°,θ=30°或φ=0°,θ=-45°時，反射陣列有著良好的遠(yuǎn)場輻射特性，證明了所設(shè)計的平面微帶反射陣列具有改變波束指向角的功能。

文獻(xiàn)[9][14][15]1 dB增益帶寬(%)17.09.016.7

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一個雙方環(huán)與方形金屬貼片組合結(jié)構(gòu)的反射陣列單元，通過調(diào)整內(nèi)側(cè)方環(huán)的長度可以使得陣列單元在9～12 GHz頻段內(nèi)獲得超過360°且平穩(wěn)光滑的反射相移曲線。采用該單元設(shè)計16×16的反射陣列面，并選擇角錐喇叭作為饋源來建立一個平面微帶反射陣列。通過仿真分析可得：該微帶反射陣列在中心頻率處的增益為20.5 dB，9.8～12 GHz頻帶內(nèi)的1 dB增益相對帶寬可達(dá)20.9%，有效擴(kuò)展了工作帶寬，且可通過調(diào)整陣元尺寸設(shè)定主波束指向，具有較高的工程使用價值。