陳宏偉,張廣求,雷 雪,吳君默,孫武劍

(1.信息工程大學信息系統(tǒng)工程學院,河南鄭州 450002；2.中國北方電子設備研究所,北京 100876)

波束掃描微帶反射陣天線設計

陳宏偉1,張廣求1,雷 雪1,吳君默1,孫武劍2

(1.信息工程大學信息系統(tǒng)工程學院,河南鄭州 450002；2.中國北方電子設備研究所,北京 100876)

以設計寬角度、低旁瓣波束掃描微帶反射陣天線為目標,提出一種基于三焦點口徑面相位分布的設計方法.該方法首先引入一種由三焦點確定的適于寬角度掃描的新型口徑面相位分布;其次利用混合粒子群算法對該相位分布進行優(yōu)化以降低方向圖旁瓣;最后在優(yōu)化結果的基礎上,采用移動饋源技術實現天線的波束掃描.為了驗證設計方法的有效性,設計加工了一副Ku波段、口徑面直徑為17λ0的圓極化波束掃描反射陣天線.天線仿真與實測結果吻合,在52°掃描范圍內旁瓣均小于-18 dB,且?guī)掃_到10.8%（1 dB增益帶寬和3 dB軸比帶寬重疊區(qū)域).

波束掃描;反射陣;三焦點;混合粒子群算法

在衛(wèi)星通信、深空探測等遠距離無線通信系統(tǒng)中,要求天線具有高增益、波束掃描、低旁瓣等性能,以實現天線高效率、高信噪比的信號接收.傳統(tǒng)的波束掃描天線主要有反射面天線、相控陣列天線等.其中反射面天線的輻射效率高,但體積大且笨重;而相控陣列天線可實現波束的精確控制,但饋電損耗大且造價昂貴[1]. 1978年,Malagisi[2]首次提出微帶反射陣天線概念,結合拋物面天線與微帶陣列天線的優(yōu)點,具有低損耗、低剖面、低成本、口徑面相位調節(jié)方式靈活等特點,在極化轉化[3]、波束賦形、波束掃描等方面有著明顯優(yōu)勢.

目前,微帶反射陣天線研究主要集中在寬帶技術方面[4-5].對于波束掃描反射陣的研究還處于初步階段.現有的波束掃描反射陣天線設計方法主要有以下幾種:移動饋源[6]、單元加載MEMS開關[7-9]、變容二極管[10-12]以及介質層選用功能材料[13]等.移動饋源技術實現簡單,造價低,效率高,適合于掃描范圍適中的應用場景[14].傳統(tǒng)移動饋源的波束掃描反射陣的口徑面相位分布由拋物面相位補償原理得到,在掃描過程中旁瓣惡化嚴重,增益損失大[6].

針對上述問題,筆者提出一種基于三焦點口徑面相位分布的寬角度、低旁瓣波束掃描反射陣天線設計方法.首先,詳細介紹三焦點口徑面相位分布計算方法;其次,將混合粒子群算法引入到反射陣天線設計中,對口徑面相位分布做進一步優(yōu)化.在優(yōu)化過程中,給出一種漸變的理想方向圖和加權的適應度函數.為了驗證設計方法的有效性,設計了一副Ku波段圓極化波束掃描反射陣天線.

1 基于三焦點的口徑面相位分布

傳統(tǒng)移動饋源波束掃描反射陣天線的口徑面相位分布由拋物面相位補償原理得到.此相位分布產生的誤差會隨著掃描角度增大而增大,最終導致旁瓣升高,增益下降.筆者綜合饋源在3個不同位置時所需理想口徑面相位分布,提出一種基于三焦點的口徑面相位分布計算方法.

如圖1所示,將處于同一平面的焦點1、2、3分別設置在與中心法線夾角為-α、α、0°,焦距為F的位置.其中α由饋源最大偏移角度決定.當饋源沿圓弧形路徑移動到焦點i時,出射波方向為ri.re處陣元的理想補償相位分別為ψi,表達式為

圖1 掃描示意圖

其中,m,n為單元所在的行和列,k0為自由空間波的傳播常數,?i表示矢量ri在x y平面投影與x軸的夾角.

為了簡化問題,假設天線系統(tǒng)具有對稱性,口徑面相位分布呈中心對稱.因此,饋源在法線左右兩邊移動時,出射波對稱,即θ1=θ2,?1=?2+180°,θ3=0°.則饋源處于3個焦點時,單元需要補償的理想相位ψ1、ψ2、ψ3簡化為

實際上每個單元的相位補償值是固定的.于是給出如下的基于三焦點的單元相位補償公式（傳統(tǒng)相位分布僅由ψ3確定):

式（3)中給ψ1、ψ2、ψ3均賦予一個比例因子ρ1、ρ2、ρ3,且和為1.其中ρ1=ρ2,以保證天線的對稱性.ρ1=ρ2決定饋源最大偏移時口徑面相位分布誤差,而ρ3決定饋源零偏移時口徑面相位分布誤差.文中均衡饋源各位置的相位分布誤差,選擇ρ1=0.25,ρ2=0.25,ρ3=0.5.

為了研究三焦點口徑面相位分布的掃描特性,將其與傳統(tǒng)相位分布進行對比.首先,設計了中心頻率為12GHz的雙層介質圓極化單元（如圖2);其次,設計兩副口徑面直徑為17λ0、陣元數為952、焦徑比為0.8的圓極化反射陣天線.其中饋源的-10 d B波束寬度為80°,α取30°.單元結構參數為: a=12.5 mm,rw1=3.4 mm,w1=0.8 mm,w11=0.1 mm,w2=0.2 mm,g1=0.5 mm,D=0.5 mm,di=1.5 mm,df=2 mm,εi=1,εf=4.4.

圖2 單元結構示意圖

當饋源與法線夾角α1為-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°、30°時,圖3表示不同口徑面相位分布的反射陣天線的方向圖.相比于傳統(tǒng)設計的仿真結果,采用三焦點口徑面相位分布的反射陣天線掃描過程中增益下降為1.82 dB,而前者為3.06 dB.當α1為10°、20°、30°或-10°、-20°、-30°時,最高旁瓣電平分別為-14.81 dB、-12.23 dB、-10.84 dB,分別降低了0.73 dB、2.54 dB、3.82 dB.掃描過程中旁瓣的惡化是由于口徑面相位分布誤差增大所造成的.同樣,當口徑面尺寸增大時,相位分布誤差會隨著單元到焦點1和焦點2間距離差的增大而變大,但對于中等尺寸口徑面的反射陣天線,該方法可以明顯改善其掃描性能.上述三焦點口徑面相位分布求解方法相對于傳統(tǒng)設計方法,掃描過程中增益穩(wěn)定,且旁瓣電平低,因此更適合寬角度波束掃描.

圖3 不同口徑面相位分布反射陣掃描特性

2 天線方向圖優(yōu)化

如圖3（b)所示,當α1為-30°時,出射波指向為26°,旁瓣電平最高為-10.84 d B.雖然相比傳統(tǒng)設計方法旁瓣降低了-3.82 d B,但依然不能滿足衛(wèi)星通信、雷達系統(tǒng)等對旁瓣的要求,因此需要對該位置的方向圖進行優(yōu)化以進一步提高掃描性能.對于反射陣而言,方向圖優(yōu)化等效于口徑面相位分布的優(yōu)化.

反射陣天線方向圖優(yōu)化步驟如圖4所示.首先由口徑面相位分布確定的實際方向圖[15]和滿足預期性能指標的理想方向圖定義出合適的適應度函數,其中口徑面相位分布為變量;其次,選擇合適的初始口徑面相位分布作為適應度函數的起始變量以提高優(yōu)化算法的收斂速度;最后,利用優(yōu)化算法搜索適應度函數的最小值所對應的口徑面相位分布.

圖4 反射陣方向圖優(yōu)化過程

圖5 反射陣理想方向圖

以降低掃描過程中最高旁瓣為目標,設計了中心指向為26°的漸變理想方向圖（如圖5)和加權的適應度函數:

其中,u,v為空間角坐標;F（u,v)為實際輻射方向圖; MU、ML為理想輻射方向圖的上下界;W1為主波束區(qū)域的權值;W2為第一旁瓣區(qū)域的權值;O表示主瓣區(qū)域;I表示第一旁瓣區(qū)域.

根據粒子群算法收斂速度快、結構簡單、易實現的特點以及基本粒子群算法容易出現早熟收斂的現象,選擇基于雜交的混合粒子群算法對三焦點口徑面相位分布進行優(yōu)化.在基本粒子群算法的基礎上,借鑒遺傳算法中的交叉變異保證了種群的多樣性,有效地避免了陷入局部最小,提高了搜索精度[16].算法參數:個體和群體學習因子均為2,權重系數為0.7,雜交概率為0.8,雜交池比例為0.2,最大迭代次數為5 000.在適應度函數中,W1為500,W2為200.圖6給出了優(yōu)化前后口徑面相位分布.

圖6 三焦點口徑面相位分布優(yōu)化前后對比

3 陣列設計及結果分析

為了驗證優(yōu)化后的掃描性能,利用上述結果設計了與上文相同的圓極化波束掃描反射陣天線,并對其進行仿真、加工、測試.圖7表示不同α1對應的天線仿真方向圖.表1總結了相位優(yōu)化前后出射波的增益和旁瓣數據.圖8給出天線的實物圖和實測方向圖（由于對稱性僅測試了α1=0°、10°、20°、30°時的方向圖).圖9給出天線的實測增益和軸比隨頻率變化的曲線.

結果表明,雖然波束掃描過程中最高增益減小1.41 dB,但增益更加平穩(wěn),波動范圍只有0.38 dB,滿足通信鏈路對增益穩(wěn)定性的要求.同時,α1為10°、20°、30°時所對應方向圖的最高旁瓣電平分別降低了3.51 d B、6.55 d B、7.58 d B,相比傳統(tǒng)方法最高旁瓣下降了11.4d B,保證天線在-26°到26°掃描范圍內旁瓣電平均小于-18d B,其作為接收天線可以有效地提高接收信號的信噪比.需要說明的是,如果將傳統(tǒng)設計中的口徑面相位分布作為初始相位分布進行優(yōu)化,雖然同樣可以有效地降低最大掃描方向上的旁瓣,但其他掃描方向的旁瓣會發(fā)生惡化,不能保證整個掃描過程的低旁瓣特性.圖8所示天線實物加工在厚度為1.5 mm、介電常數為4.4的FR4介質基板上,并在基板與地板間加入了厚度為2 mm的泡沫層,饋源是中心頻率為12 GHz的右旋圓極化波紋喇叭天線.實測結果顯示,方向圖主瓣區(qū)域與仿真較為吻合,但在旁瓣區(qū)域由于加工誤差、測量誤差以及測試設備的遮擋效應等使得測量的旁瓣電平略高于仿真值.由圖9可以得到反射陣的1 dB增益帶寬和3 d B軸比帶寬均可覆蓋11.1～12.4 GHz,帶寬達到10.8%.帶寬內波束最大偏移為0.87°.

圖7 混合粒子群算法優(yōu)化后天線掃描特性

圖8 天線實物圖及實測方向圖

圖9 不同α1時出射波增益與軸比隨頻率變化曲線

表1 天線優(yōu)化前后增益旁瓣數據表

4 結束語

為了實現波束掃描反射陣天線寬角度、低旁瓣特性,提出一種基于三焦點口徑面相位分布的波束掃描反射陣天線設計方法.該方法首先對傳統(tǒng)設計方法中的口徑面相位分布進行改進,提出三焦點確定的口徑面相位分布計算方法,并仿真對比了該相位分布和傳統(tǒng)拋物面相位分布的掃描特性;其次引入混合粒子群算法對該相位分布進一步優(yōu)化以降低最高旁瓣;最后,設計加工了一副Ku波段的圓極化波束掃描反射陣天線,驗證了設計方法的有效性.仿真和實測結果表明,天線在52°掃描范圍內旁瓣均小于-18 dB,且1 dB增益帶寬和3 d B軸比帶寬均可覆蓋11.1～12.4 GHz,帶寬達到10.8%.

[1]章文勛.世紀之交的天線技術[J].電波科學學報,2000,15(1):97-100. Zhang Wenxun.The Antenna Technology Faced to the 21th Century[J].Chinese Journal of Radio Science,2000,15 (1):97-100.

[2]Malagisi C S.Microstrip Disc Element Reflect Array[C]//Electronics and Aerospace Systems Convention.New York: IEEE,1978:186-192.

[3] 吳知航,章文勛,劉震國.一種新型寬頻帶高增益的變極化微帶反射陣天線[J].電波科學學報,2006,21(6):820-824. Wu Zhihang,Zhang Wenxun,Liu Zhenguo.A Novel Broadband and High-gain Reflect Array Antenna with Variable Polarization[J].Chinese Journal of Radio Science,2006,21(6):820-824.

[4]Zhao M Y,Zhang G Q,Lei X.Design of New Single-layer Multiple-resonance Broadband Circularly Polarized Reflectarrays[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2013,12:356-359.

[5] 李瑞華.寬度反射陣天線研究與設計[D].西安:西安電子科技大學,2012.

[6]Rengarajan S R.Scanning and Defocusing Characteristics of Microstrip Reflectarrays[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2010,9:163-166.

[7]Gucl C,Perruisseau C J,Civi O.Proof of Concept of a Dual-band Circularly-polarized RF MEMS Beam Switching Reflectarray[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,2012,60(11):5451-5455.

[8]Mencagli B,Gatti R V,Marcaccioli L,et al.Design of Large mm-wave Beam-scanning Reflectarrays[C]//Proceedings of 35th European Microwave Conference:3.Piscataway:IEEE Computer Society,2005:1875-1878.

[9]Bayraktar O,Civi O,Akin T.Beam Switching Reflectarray Monolithically Integrated with RF MEMS Switches[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2012,60(2):854-862.

[10]Zainud-Deen S H,Awadalla K H,Gaber S M.Beam Steering Reflectarray Using Diodes[C]//Proceedings of the Japan-Egypt Conference on Electronics,Communications and Computers.Piscataway:IEEE,2012:178-181.

[11]Rial M,Laurin J.Design of an Electronically Beam Scanning Reflectarray Using Aperture-Coupled Elements[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2007,55(5):1260-1266.

[12]Hajian M,Kuijpers B,Buisman K,et al.Active Scan-beam Reflectarray Antenna Loaded with Tunable Capacitor[C]// Proceedings of the 3rd European Conference on Antennas and Propagation.Piscataway:IEEE Computer Society,2009: 1158-1161.

[13]Fu Q X,Romanofsky R R.Study of Behavior of Digital Modulations for Beam Steerable Reflectarray Antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2005,55(3):1083-1097.

[14]Yang Fan.Progress in Reflectarray Antenna Research:from Enhanced Frequency Features to Advanced Radiation Capabilities[C]//Proceedings of the 7th European Conference on Antennas and Propagation.Washington:IEEE,2013: 2484-2487.

[15]Nayeri P,Yang Fan.Radiation Analysis Approaches for Reflectarray Antennas[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2013,55(1):127-134.

[16]潘峰,李位星.粒子群優(yōu)化算法與多目標優(yōu)化[M].北京:北京理工大學出版社,2013:116-118.

（編輯:郭 華)

Design of the beam scanning microstrip reflectarray antenna

CHEN Hongwei1,ZHANG Guangqiu1,LEI Xue1,WU Junmo1,SUN Wujian2
(1.Information System Engineering Institute,Information Engineering University,Zhengzhou 450002,China;2.Institute of North Electronic Equipment,Beijing 100876,China)

For the aim of designing a wide-angle low sidelobe beam scanning microstrip reflectarray antenna,a new design method based on a new aperture phase distribution of three focuses is proposed.This method introduces a new phase distribution determined by three focuses for wide-angle beam scanning firstly.Then the aperture phase distribution is further optimized by the hybrid particle swarm algorithm to reduce the side lobe level of the pattern.Based on the optimization,the antenna realizes beam scanning by use of a moving feed.In order to verify the effectiveness of the design method,a Ku-band circular polarized beam scanning reflectarray antenna is designed and fabricated.The measured results agree well with the simulated ones,with the side lobe level being below-18 dB within the scan range of 52°and the band reaching 10.8%(the overlapping 3 dB axial-ratio(AR)and 1 dB gain bandwidth).

beam scanning;reflectarray antenna;three focuses;hybrid particle swarm optimization algorithm

TN820.2+1

A

1001-2400（2015)06-0173-06

10.3969/j.issn.1001-2400.2015.06.029

2014-06-27

時間:2015-03-13

國家863計劃資助項目（2014AA01A707)

陳宏偉（1990-),男,信息工程大學碩士研究生,E-mail:laovidyx@126.com.

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1076.TN.20150313.1719.029.html