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(cè)、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(lái)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(jiǎn)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(jì)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(guó)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(shí)，通過(guò)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(lái)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(duì)這些問(wèn)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(guò)增加單元諧振點(diǎn)來(lái)獲得一個(gè)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(guò)設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(lái)增加反射陣的帶寬[11]。

本文設(shè)計(jì)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(guò)改變內(nèi)側(cè)方環(huán)的邊長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)超過(guò)360°的移相范圍。陣列單元間距約1/4中心頻率波長(zhǎng)。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(jì)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(jià)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(gè)單元，傳輸路徑長(zhǎng)度的差異將導(dǎo)致各個(gè)單元所接收的入射場(chǎng)有不同的空間相位延遲，通過(guò)合理設(shè)計(jì)每個(gè)單元，使其能對(duì)入射場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南辔谎a(bǔ)償，讓反射場(chǎng)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(chǎng)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(gè)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(shí)，陣元i的反射場(chǎng)相位又等于饋源照射到該單元的入射場(chǎng)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(chǎng)相位；di為饋源天線的相位中心到第i個(gè)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(xiě)為

(4)

由式(2)和式(3)得，陣列上每個(gè)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(shí)，需要將反射面上每個(gè)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(gè)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(jì)

2.1 單元設(shè)計(jì)分析

本文設(shè)計(jì)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(gè)波長(zhǎng)。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(zhǎng)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(zhǎng)為l+2w2。通過(guò)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(wú)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(zhǎng)l從2 mm變化到7.5 mm時(shí)，陣列單元在工作頻段內(nèi)可得到超過(guò)360°的反射相移曲線。對(duì)圖3～7進(jìn)行分析，結(jié)果表明：介質(zhì)基板厚度t1對(duì)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(duì)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(duì)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(méi)有發(fā)生變化。當(dāng)正方形貼片的邊長(zhǎng)取不同的值時(shí)，單元反射相移曲線也基本不變。

綜上所述并通過(guò)優(yōu)化各個(gè)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(zhǎng)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(duì)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(guò)360°且平滑的反射相移曲線，可以用來(lái)作為反射面陣列單元。

2.2 饋源天線設(shè)計(jì)

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(duì)整個(gè)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(duì)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(shí)，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(jì)

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(zhǎng)，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(guò)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(gè)重要的設(shè)計(jì)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(jì)相對(duì)較大電尺寸的反射陣面很有必要[13]。

本文設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)的主波束方向垂直于反射面，通過(guò)式(5)計(jì)算每個(gè)陣元所需要補(bǔ)償?shù)南辔恢?，?jì)算結(jié)果如圖12所示。從圖中可以看出：饋源中心饋電時(shí)，陣列單元所需補(bǔ)償?shù)南辔恢翟谧鴺?biāo)系Oxy面的4個(gè)象限內(nèi)是相等的，只需計(jì)算一個(gè)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(jì)。

mm

3 仿真結(jié)果

利用高頻電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)所設(shè)計(jì)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(chǎng)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?，反射陣列的增益變化不大，其1 dB增益帶絕對(duì)寬約為2.2 GHz，相對(duì)帶寬為20.9%。對(duì)與表2中文獻(xiàn)對(duì)比表明：本文所設(shè)計(jì)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(chǎng)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(shí)，反射陣列有著良好的遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性，證明了所設(shè)計(jì)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(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)調(diào)整內(nèi)側(cè)方環(huán)的長(zhǎng)度可以使得陣列單元在9～12 GHz頻段內(nèi)獲得超過(guò)360°且平穩(wěn)光滑的反射相移曲線。采用該單元設(shè)計(jì)16×16的反射陣列面，并選擇角錐喇叭作為饋源來(lái)建立一個(gè)平面微帶反射陣列。通過(guò)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(duì)帶寬可達(dá)20.9%，有效擴(kuò)展了工作帶寬，且可通過(guò)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(jià)值。