基于反射阵技术的平面型副反射面设计方法

武彦飞，何应然，张文静

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

基于反射阵技术的平面型副反射面设计方法

武彦飞，何应然，张文静

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄050081)

提出一种基于反射阵技术的平面型副反射面设计方法。根据双反射面天线的焦点变换关系，得到了平面型副反射面的相位补偿规律。采用开口环形单元设计了一种平面型副反射面，将初级馈源±20°的入射波束转化为照射角为±35°的散射波束。仿真对比了散射波束照射天线主面的口径效率。采用所设计的平面型副反射面，天线口径效率达到61.14%，与金属副面64.02%的口径效率相差无几。平面型副反射面采用印制板工艺制作，具有精度高和成本低的技术优势。

平面反射阵；副反射面；相位补偿；波束整形

0 引言

反射阵天线综合了抛物面天线和传统微带阵列天线的双重优点。与传统微带贴片阵列天线相比，平面反射阵天线没有功分网络，所以不存在馈电损耗，因此它有较高的辐射效率[1]；与抛物面天线相比，平面反射阵列天线体积小、剖面低、重量轻，其平面结构可折叠，易于与其他物体共形[2]。

将平面反射阵直接作为高增益天线使用[3]，目前已有大量相关的设计和研究[4-6]。近些年，又有人提出将平面反射阵应用于双反射面天线代替传统的双曲面副面[7-8]，这种紧缩型的双反射面天线，具有剖面低、易加工及成品率高等优势[9]，具有广阔的应用前景。

本文提出一种平面型副反射面的设计方法。通过改变开口环单元的开口旋向，实现了对圆极化波由20°入射角转变为35°出射角的反射移相和波束整形功能，设计了后馈的双反射面天线并进行仿真验证，结果与采用标准双曲面金属作为副面时的电气指标相差无几。

1 设计原理

反射阵面是由大量反射阵单元组成的平面阵列[10]。其工作机理是：电磁波从喇叭馈出以后，沿着不同的传输路径到达每个反射阵单元，传输路径长度的差异将导致各单元所接收的入射场发生不同的空间相位延迟，通过合理设计每个单元，使其能对入射场进行适当相位补偿，让反射场在天线口径面上形成所需的散射波相位波前[11]。

平面反射阵用作副面时，示意图如图1所示，其对后馈馈源产生的电磁波同时起到调节反射相位和波束整形的作用。通过改变结构单元的尺寸或旋转结构单元的取向，实现调制副面上每一个局部对电磁波的反射相位。此外，其对应散射波的相位中心还要与主反射面的焦点重合。为达到这一要求，副面上各点的移相角度Δφ要有规律地调整。

图1 反射阵副反射面示意图

根据惠更斯原理，可以得到Δφ的计算公式如下：

(1)

式中，r为副反射面上某点到副反射面中心的距离，d1为后馈馈源相位中心到副反射面的距离，d2为副反射面到主反射面的距离，f为工作频率，c为光速。

2 平面型副面单元设计

反射阵典型的单元类型主要有以下3种[12]：第1种是加载传输线型单元，即反射阵列中每个贴片的尺寸大小都相同，通过调节与之连接的微带线的长度来调节相移量；第2种是尺寸可变型单元，阵列中每个贴片具有不同的尺寸，通过合理选择每个贴片的尺寸大小来提供合适的相移量；第3种是旋转型单元，阵列中每个贴片的形状大小完全相同，但是旋转的角度不同，通过选择合适的旋转角度来提供所需相位延迟。由于旋转型单元所有的单元尺寸相同，且都工作在谐振频率，天线的效率较高，所以这种类型的圆极化单元较前面2种线极化单元更具优势[13]。

本文设计的平面型副反射面单元采用旋转型的开口环结构，为改善单元的宽角出射特性，单元采用三角形排阵方式，如图2所示。通过旋转开口旋向，实现对入射波的反射调相。单元工作的中心频率为8.5 GHz,单元周期取P=15 mm，约为0.43λ。圆环外径R=5.5 mm，线宽w=1.6 mm，介质板厚度t=4 mm。金属环的开口角度为30°，介质板的介电常数为2.2。

利用CST全波仿真方法对这种三角形排阵的开口环单元的反射相位特性进行了仿真分析，如图3所示，并根据仿真结果可以得出，旋转型单元具有线性反射相位特性：当单元旋转角度ψ时，则反射波主极化的相移量为2ψ，即这种开口环单元旋转一周可以实现720°的移相范围。

图2 旋转型开口环单元

图3 开口环单元在中心频点处的反射相移曲线

3 设计实例及结果

为了验证平面反射阵作为副面使用的可行性，本文利用上述开口环单元组建了一个口径为0.52m的平面反射阵副面。如图4所示，该副面仅包含一层射频印制板。印制板的上表面排布了大量取向各不相同的反射阵单元，下表面为金属背板。副面不同位置的单元取向根据式(1)确定。副面的初级馈源选用波纹喇叭，该喇叭的10dB照射角为±20°。使用HFSS电磁仿真软件计算了初级馈源照射平面型副面后的电磁波特性。如图5(a)所示，初级馈源的波束经过副面的散射作用后，其10dB照射角由±20°转变为±35°。同时副面的散射方向图具有确定的相位中心，如图5(b)所示。

图4 平面反射阵副面模型

图5 平面反射阵副面散射波

为进一步验证反射阵副面的性能，将初级馈源照射副面后形成的散射方向图用于照射口径为5.4m、焦径比为0.78的标准抛物面天线。焦径比0.78对应散射波束的照射角±35°。利用GRASP电磁软件进行仿真计算，得到天线的增益方向图如图6所示，在中心频点f=8.5 GHz处，最大增益为51.5 dB，对应口径效率为61.14%。

作为对比，本文还仿真了金属副反射面的散射特性；进而仿真了采用金属副面的天线系统的辐射性能。图7是波纹喇叭馈源照射金属副面的散射方向图特性。图8是采用金属副面的双反射面天线的增益方向图。其中，金属副面的口径与反射阵副面的口径相同，金属副面的外形为标准的双曲面。

图6 副面为平面反射阵的天线增益方向图

图7 金属双曲面副面散射波增益方向图

图8 副面为金属双曲面的天线增益方向图

表1对比了采用2种不同类型的副面时，天线主面的增益、效率和交叉极化特性的仿真结果。

表1 2种副反射面结构的性能对比

由表1可以看出，本文设计的平面反射阵副面的天线增益为51.5 dB、效率为61.14%，与金属双曲面副面相比，增益仅降低0.2 dB。交叉极化的对比结果表明，反射阵作为副面的主极化与交叉极化的差值约为35 dB，相比于金属双曲面约为50 dB的差值，极化隔离指标明显下降。尽管如此，对大多数应用场合来说，35 dB的交叉极化已经能够满足实际需求。

4 结束语

本文提出一种平面型副反射面的设计方法。采用基于旋转型开口环单元的平面型反射阵副面，通过改变开口环单元的开口旋向，实现了对圆极化波由20°入射角转变为35°出射角的波束整形。在GRASP软件中仿真计算了平面型副面照射天线主面的电气性能。仿真结果表明，在中心频点8.5 GHz处，天线最大增益为51.5 dB，口径效率61.14%；与采用标准双曲面金属作为副面时，其最大增益为51.7 dB，口径效率64.02%的结果接近。这表明，该方法不仅原理上可行，而且具有强大的技术竞争力。

最后要强调的是，本文给出的设计实例仅适用于圆极化的电磁波。但是设计方法可以推广到双线极化和双圆极化的天线系统中，只要合理选取相应的反射阵单元即可。

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[11]李 华.微带反射阵天线的研究[D].成都：电子科技大学,2011.

[12]Huang John,Encinar José A.Reflectarray Antenas[M].New York: John Wiley & Sons,2008: 27-29.

[13]赵明洋,张广求.宽带圆极化微带反射阵列研究[D].郑州：解放军信息工程学院，2013.

Design on a Flat Sub-reflector Based on Reflectarray Technique

WU Yan-fei,HE Ying-ran,ZHANG Wen-jing

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

This paper presents the design on a flat sub-reflector based on reflectarray technique.The required phase compensation is obtained by studying the focal distance relation.A flat sub-reflector composed of split-ring elements is designed to convert the primary feed beam with ±20°radiation angle into scattered beam with ±35°radiation angle.The aperture efficiencies of the main reflector illuminated by the scattered beams are simulated and compared.It is found that the aperture efficiency reaches 61.14% when the flat sub-reflector is used,which is very close to the aperture efficiency of 64.02% when metallic sub-reflector is used.The flat sub-reflector can be fabricated with standard planar circuit board technique,which has the advantages of high precision and low cost.

flat reflectarray;sub-reflector;phase compensation;beam conversion

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.19

武彦飞,何应然,张文静.基于反射阵技术的平面型副反射面设计方法[J].无线电通信技术,2017,43(1):77-80.

2016-10-20

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(16960404D)

武彦飞(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向：电磁场与微波技术。张文静(1962—)，男，研究员，主要研究方向：卫星通信地球站天线、微波天线、馈源系统等。何应然(1986—)，男，博士，主要研究方向：超材料天线技术。

TN821

A

1003-3114(2017)01-77-4