波束扫描微带反射阵天线设计

陈宏伟,张广求,雷 雪,吴君默,孙武剑

(1.信息工程大学信息系统工程学院,河南郑州 450002；2.中国北方电子设备研究所,北京 100876)

波束扫描微带反射阵天线设计

陈宏伟1,张广求1,雷 雪1,吴君默1,孙武剑2

(1.信息工程大学信息系统工程学院,河南郑州 450002；2.中国北方电子设备研究所,北京 100876)

以设计宽角度、低旁瓣波束扫描微带反射阵天线为目标,提出一种基于三焦点口径面相位分布的设计方法.该方法首先引入一种由三焦点确定的适于宽角度扫描的新型口径面相位分布;其次利用混合粒子群算法对该相位分布进行优化以降低方向图旁瓣;最后在优化结果的基础上,采用移动馈源技术实现天线的波束扫描.为了验证设计方法的有效性,设计加工了一副Ku波段、口径面直径为17λ0的圆极化波束扫描反射阵天线.天线仿真与实测结果吻合,在52°扫描范围内旁瓣均小于-18 dB,且带宽达到10.8%（1 dB增益带宽和3 dB轴比带宽重叠区域).

波束扫描;反射阵;三焦点;混合粒子群算法

在卫星通信、深空探测等远距离无线通信系统中,要求天线具有高增益、波束扫描、低旁瓣等性能,以实现天线高效率、高信噪比的信号接收.传统的波束扫描天线主要有反射面天线、相控阵列天线等.其中反射面天线的辐射效率高,但体积大且笨重;而相控阵列天线可实现波束的精确控制,但馈电损耗大且造价昂贵[1]. 1978年,Malagisi[2]首次提出微带反射阵天线概念,结合抛物面天线与微带阵列天线的优点,具有低损耗、低剖面、低成本、口径面相位调节方式灵活等特点,在极化转化[3]、波束赋形、波束扫描等方面有着明显优势.

目前,微带反射阵天线研究主要集中在宽带技术方面[4-5].对于波束扫描反射阵的研究还处于初步阶段.现有的波束扫描反射阵天线设计方法主要有以下几种:移动馈源[6]、单元加载MEMS开关[7-9]、变容二极管[10-12]以及介质层选用功能材料[13]等.移动馈源技术实现简单,造价低,效率高,适合于扫描范围适中的应用场景[14].传统移动馈源的波束扫描反射阵的口径面相位分布由抛物面相位补偿原理得到,在扫描过程中旁瓣恶化严重,增益损失大[6].

针对上述问题,笔者提出一种基于三焦点口径面相位分布的宽角度、低旁瓣波束扫描反射阵天线设计方法.首先,详细介绍三焦点口径面相位分布计算方法;其次,将混合粒子群算法引入到反射阵天线设计中,对口径面相位分布做进一步优化.在优化过程中,给出一种渐变的理想方向图和加权的适应度函数.为了验证设计方法的有效性,设计了一副Ku波段圆极化波束扫描反射阵天线.

1 基于三焦点的口径面相位分布

传统移动馈源波束扫描反射阵天线的口径面相位分布由抛物面相位补偿原理得到.此相位分布产生的误差会随着扫描角度增大而增大,最终导致旁瓣升高,增益下降.笔者综合馈源在3个不同位置时所需理想口径面相位分布,提出一种基于三焦点的口径面相位分布计算方法.

如图1所示,将处于同一平面的焦点1、2、3分别设置在与中心法线夹角为-α、α、0°,焦距为F的位置.其中α由馈源最大偏移角度决定.当馈源沿圆弧形路径移动到焦点i时,出射波方向为ri.re处阵元的理想补偿相位分别为ψi,表达式为

图1 扫描示意图

其中,m,n为单元所在的行和列,k0为自由空间波的传播常数,ϕi表示矢量ri在x y平面投影与x轴的夹角.

为了简化问题,假设天线系统具有对称性,口径面相位分布呈中心对称.因此,馈源在法线左右两边移动时,出射波对称,即θ1=θ2,ϕ1=ϕ2+180°,θ3=0°.则馈源处于3个焦点时,单元需要补偿的理想相位ψ1、ψ2、ψ3简化为

实际上每个单元的相位补偿值是固定的.于是给出如下的基于三焦点的单元相位补偿公式（传统相位分布仅由ψ3确定):

式（3)中给ψ1、ψ2、ψ3均赋予一个比例因子ρ1、ρ2、ρ3,且和为1.其中ρ1=ρ2,以保证天线的对称性.ρ1=ρ2决定馈源最大偏移时口径面相位分布误差,而ρ3决定馈源零偏移时口径面相位分布误差.文中均衡馈源各位置的相位分布误差,选择ρ1=0.25,ρ2=0.25,ρ3=0.5.

为了研究三焦点口径面相位分布的扫描特性,将其与传统相位分布进行对比.首先,设计了中心频率为12GHz的双层介质圆极化单元（如图2);其次,设计两副口径面直径为17λ0、阵元数为952、焦径比为0.8的圆极化反射阵天线.其中馈源的-10 d B波束宽度为80°,α取30°.单元结构参数为: 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.

图2 单元结构示意图

当馈源与法线夹角α1为-30°、-20°、-10°、0°、10°、20°、30°时,图3表示不同口径面相位分布的反射阵天线的方向图.相比于传统设计的仿真结果,采用三焦点口径面相位分布的反射阵天线扫描过程中增益下降为1.82 dB,而前者为3.06 dB.当α1为10°、20°、30°或-10°、-20°、-30°时,最高旁瓣电平分别为-14.81 dB、-12.23 dB、-10.84 dB,分别降低了0.73 dB、2.54 dB、3.82 dB.扫描过程中旁瓣的恶化是由于口径面相位分布误差增大所造成的.同样,当口径面尺寸增大时,相位分布误差会随着单元到焦点1和焦点2间距离差的增大而变大,但对于中等尺寸口径面的反射阵天线,该方法可以明显改善其扫描性能.上述三焦点口径面相位分布求解方法相对于传统设计方法,扫描过程中增益稳定,且旁瓣电平低,因此更适合宽角度波束扫描.

图3 不同口径面相位分布反射阵扫描特性

2 天线方向图优化

如图3（b)所示,当α1为-30°时,出射波指向为26°,旁瓣电平最高为-10.84 d B.虽然相比传统设计方法旁瓣降低了-3.82 d B,但依然不能满足卫星通信、雷达系统等对旁瓣的要求,因此需要对该位置的方向图进行优化以进一步提高扫描性能.对于反射阵而言,方向图优化等效于口径面相位分布的优化.

反射阵天线方向图优化步骤如图4所示.首先由口径面相位分布确定的实际方向图[15]和满足预期性能指标的理想方向图定义出合适的适应度函数,其中口径面相位分布为变量;其次,选择合适的初始口径面相位分布作为适应度函数的起始变量以提高优化算法的收敛速度;最后,利用优化算法搜索适应度函数的最小值所对应的口径面相位分布.

图4 反射阵方向图优化过程

图5 反射阵理想方向图

以降低扫描过程中最高旁瓣为目标,设计了中心指向为26°的渐变理想方向图（如图5)和加权的适应度函数:

其中,u,v为空间角坐标;F（u,v)为实际辐射方向图; MU、ML为理想辐射方向图的上下界;W1为主波束区域的权值;W2为第一旁瓣区域的权值;O表示主瓣区域;I表示第一旁瓣区域.

根据粒子群算法收敛速度快、结构简单、易实现的特点以及基本粒子群算法容易出现早熟收敛的现象,选择基于杂交的混合粒子群算法对三焦点口径面相位分布进行优化.在基本粒子群算法的基础上,借鉴遗传算法中的交叉变异保证了种群的多样性,有效地避免了陷入局部最小,提高了搜索精度[16].算法参数:个体和群体学习因子均为2,权重系数为0.7,杂交概率为0.8,杂交池比例为0.2,最大迭代次数为5 000.在适应度函数中,W1为500,W2为200.图6给出了优化前后口径面相位分布.

图6 三焦点口径面相位分布优化前后对比

3 阵列设计及结果分析

为了验证优化后的扫描性能,利用上述结果设计了与上文相同的圆极化波束扫描反射阵天线,并对其进行仿真、加工、测试.图7表示不同α1对应的天线仿真方向图.表1总结了相位优化前后出射波的增益和旁瓣数据.图8给出天线的实物图和实测方向图（由于对称性仅测试了α1=0°、10°、20°、30°时的方向图).图9给出天线的实测增益和轴比随频率变化的曲线.

结果表明,虽然波束扫描过程中最高增益减小1.41 dB,但增益更加平稳,波动范围只有0.38 dB,满足通信链路对增益稳定性的要求.同时,α1为10°、20°、30°时所对应方向图的最高旁瓣电平分别降低了3.51 d B、6.55 d B、7.58 d B,相比传统方法最高旁瓣下降了11.4d B,保证天线在-26°到26°扫描范围内旁瓣电平均小于-18d B,其作为接收天线可以有效地提高接收信号的信噪比.需要说明的是,如果将传统设计中的口径面相位分布作为初始相位分布进行优化,虽然同样可以有效地降低最大扫描方向上的旁瓣,但其他扫描方向的旁瓣会发生恶化,不能保证整个扫描过程的低旁瓣特性.图8所示天线实物加工在厚度为1.5 mm、介电常数为4.4的FR4介质基板上,并在基板与地板间加入了厚度为2 mm的泡沫层,馈源是中心频率为12 GHz的右旋圆极化波纹喇叭天线.实测结果显示,方向图主瓣区域与仿真较为吻合,但在旁瓣区域由于加工误差、测量误差以及测试设备的遮挡效应等使得测量的旁瓣电平略高于仿真值.由图9可以得到反射阵的1 dB增益带宽和3 d B轴比带宽均可覆盖11.1～12.4 GHz,带宽达到10.8%.带宽内波束最大偏移为0.87°.

图7 混合粒子群算法优化后天线扫描特性

图8 天线实物图及实测方向图

图9 不同α1时出射波增益与轴比随频率变化曲线

表1 天线优化前后增益旁瓣数据表

4 结束语

为了实现波束扫描反射阵天线宽角度、低旁瓣特性,提出一种基于三焦点口径面相位分布的波束扫描反射阵天线设计方法.该方法首先对传统设计方法中的口径面相位分布进行改进,提出三焦点确定的口径面相位分布计算方法,并仿真对比了该相位分布和传统抛物面相位分布的扫描特性;其次引入混合粒子群算法对该相位分布进一步优化以降低最高旁瓣;最后,设计加工了一副Ku波段的圆极化波束扫描反射阵天线,验证了设计方法的有效性.仿真和实测结果表明,天线在52°扫描范围内旁瓣均小于-18 dB,且1 dB增益带宽和3 d B轴比带宽均可覆盖11.1～12.4 GHz,带宽达到10.8%.

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（编辑:郭 华)

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

时间:2015-03-13

国家863计划资助项目（2014AA01A707)

陈宏伟（1990-),男,信息工程大学硕士研究生,E-mail:laovidyx@126.com.

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