多层双平板微带反射阵列天线研究

魏 旭

(中国电子科技集团公司第10研究所 共性技术部，四川 成都 610036)

多层双平板微带反射阵列天线研究

魏 旭

(中国电子科技集团公司第10研究所 共性技术部，四川 成都 610036)

针对单层双平板微带反射阵天线带宽窄的问题，采用双层贴片反射板形式设计了一个K波段的双层双平板微带反射阵列天线，并进行了仿真计算，在相对带宽为10%的工作频带内，增益起伏<1.5 dB。通过与单层双平板微带反射阵列天线的结果进行对比分析，证明了该设计方法的正确性和可行性，可用于设计带宽要求较高的微带反射阵列天线。

微带反射阵;多层;双平板;扭转极化

双平板微带反射阵列天线是一种结合反射面天线和相控阵天线优点的天线形式。由不同尺寸的贴片组成反射阵面，对馈源激励的电磁波进行移相，达到相位补偿的作用[1-3]。由于采用空馈形式，在保持微带阵列天线大部分优点的基础上，增加了天线效率。同时双平板结构的采用，大幅缩小了纵向尺寸[4-5]，具有结构简单、重量轻、成本低和批生产性好等优点[6]。还可以通过其特殊的双平板结构进一步实现多波束及其波束赋形等功能。另外，双平板微带反射阵列天线还可以与天线罩结合，实现天线罩-天线的整体设计，在降低了天线罩设计难度的同时，也进一步减小了天线分系统的总体尺寸。

一般的双平板微带反射阵列天线是单层双平板微带反射阵，其微带反射板采用的是单层贴片反射板，其带宽较窄，而多层双平板微带反射阵是单层双平板微带反射阵的改进形式，它采用两层或者多层贴片反射板，使得反射相位随贴片尺寸的变化范围大幅展宽[7-9]，同时还可使贴片的反射相位变化更平坦更线性，从而减小贴片尺寸加工误差的敏感性，增加天线阵的带宽。

1 基本原理

多层微带反射阵天线的设计原理和单层微带反射阵的原理[10-11]相同，主要由辐射馈源、金属栅条板和微带贴片反射板构成，其结构如图1所示。多层微带反射阵的反射板由两层以上的贴片反射板组成，具有空间相位补偿和极化扭转的功能，而金属栅条反射板则对不同的极化波实现全反射和全透射[12-13]。

图1 双平板反射阵列天线结构图

如图1所示，双平板微带反射阵的馈源可以通过镜像馈源进行等效。当馈源产生的电磁波通过栅条板反射回来照射到贴片反射面上时，由于入射波到达各反射贴片单元上的路径不同，存在空间相位差，须通过调整微带反射板各离散的反射单元尺寸对入射波进行空间相位补偿，使反射波在口径面具有相同的相位。

双平板微带反射阵列，其馈源产生的辐射波经栅条反射板和微带反射板后，可形成与普通微带反射阵列相同的口径场分布，仅电场极化方向产生90°扭转[4]，其辐射性能不会发生变化[14]。但是双平板微带反射阵列的纵向尺寸却减小为1/2。

多层双平板微带反射阵与单层双平板微带反射阵的区别在于，多层微带反射阵的微带反射板由两层或两层以上的微带贴片反射板层叠而成，图2所示为两层双平板微带反射阵的示意图。

图2 双层双平板微带反射阵示意图

由于贴片单元反射相位的范围随着介质厚度的变化而变化，介质越厚，相位变化越平坦，但是相位的覆盖范围却将变小，当相位覆盖范围在300°以内时，没有实际的应用价值。在设计过程中，一方面要保证反射相位的变化范围覆盖360°，另一方面又要求反射相位随贴片尺寸的变换更平坦[15]。在单层双平板微带反射阵的设计中就遇到这一矛盾现象，360°相位覆盖是以相位随单元尺寸变化陡峭为代价的，用此反射相位设计出来的阵列对频率变化较敏感、带宽较窄。而多层双平板微带反射阵则可以使相位变化远>360°，那么适当的增加每层介质的厚度将获得更平坦、更线性的相位变化，并且相位覆盖仍然>360°，由此设计的双平板微带反射阵列天线的带宽将大幅增加，加工误差的敏感性也将减低[5]。

2 阵列设计及其分析

以K频段双层双平板微带反射阵列的设计为例，介绍其设计步骤，并与单层情况进行对比。设计主要有以下3个步骤：

(1)反射相位的提取。建立如图3 所示的相位提取单元模型。经过仿真优化，选择介电常数εr=2.2的介质板材，每层介质的厚度为0.7 mm。上下两层对应贴片的长宽比为0.85。另外用单层双平板微带反射阵作对比，选择的介质板材介电常数为εr=2.2，厚度为20 mil(1 mil=0.025 4 mm)。

图3 相位提取单元的仿真模型

提取反射相位与单元尺寸的关系如图4所示，对比图4(a)和图4(b)可以看出，单层微带反射单元的相位覆盖约为360°，中间段变化陡峭，而双层微带反射单元的相位变化范围超过500°，相位随着尺寸变化比较平坦，呈线性变化；

图4 微带反射单元的反射相位与单元尺寸的关系图

(2)贴片尺寸的确定。通过上述提取的反射相位与单元尺寸的关系曲线，如图4(a)所示，选择天线焦径比F/D=0.5和贴片间距d=0.45λ(λ为中心频率波长)，可以确定满足极化扭转和相位补偿的贴片单元尺寸。满足上述两个条件的单元尺寸由下式确定

(1)

φ(w1,d1)-φ(d1,w1)=180°

(2)

其中，ln表示第n个单元到焦点的波程；l0表示选择的相位零点到焦点的波程；Δφn表示第n个单元相对于相位零点的相位差；φ(w1,d1)表示上下两层贴片尺寸分别为w1,d1,w2,d2时的反射相位；φ(d1,w1)表示上下两层贴片尺寸分别为d1,w1,d2,w2时的反射相位。由于贴片均为矩形贴片，因此当贴片的长宽尺寸满足式(2)时，可以实现90°相位扭转。由式(1)和式(2)即可确定阵列中贴片的结构尺寸；

3 仿真结果及其分析

根据上述设计步骤，设计了一个单元数为414的阵列，中心频率为f=22.4 GHz，工作频率范围为21.2～23.6 GHz，天线的口径尺寸D=10λ，要求天线增益在频带内起伏<2 dB。如图5所示，双层双平板微带天线阵的馈源喇叭的口径为14 mm×14 mm。另外，用作对比的单层双平板微带反射阵的频率、口径尺寸和馈源喇叭与双层双平板微带反射阵的相同。下面分别给出了双层和单层双平板微带反射阵列的仿真结果。

图5 双层双平板微带反射阵模型

图6 双平板微带反射阵方向图

图6为双层和单层双平板微带反射阵的方向图，分别给出了3个频率点的方向图(f=21.2 ，22.4，23.6 GHz)。双层双平板微带反射阵在高频和低频处，其副瓣电平明显比单层双平板微带反射阵的有所降低，并且主瓣宽度展宽。同时，单层双平板微带反射阵在频率偏离中心频率 1.2 GHz时，增益起伏最大达3.5 dB，而双层双平板微带反射阵在同样频率范围变化内的起伏控制在1.5 dB内，满足了设计要求，可见双层双平板微带反射阵大幅改善了微带反射阵列的带宽。

4 结束语

多层双平板微带反射阵保持了微带反射阵的基本电性能，并且继承了单层双平板微带反射阵纵向尺寸小的特点，采用反射贴片层叠的方式改善了阵列天线的带宽。因此，多层微带反射阵列天线是一种带宽较宽的微带反射阵天线形式，具有较高的工程实用价值。

[1] 钟顺时,刘武华,张学军.宽频带双层微带天线及其馈源应用的研究[J].天线技术,1988(4):1-5.

[2] 林昌禄.天线工程手册[M].北京:电子工业出版社,2002.

[3] 王云秀,王秉中,李华,等.平面反射阵列天线的研究进展[J].系统工程与电子技术,2008(3):57-60.

[4] 汤淼. Ka波段双平面反射阵列天线设计[D].南京:南京理工大学,2014.

[5] 屈世伟.微带平面反射阵列天线的研究与设计[D].成都:电子科技大学,2013.

[6] Menzel W,Pilz D.Millmeter-wavefolded reflector antennas with high gain, low loss, and low profile[J].IEEE AP Magazine,2002,44(3):24-29.

[7] Chen C H,Tuliontseff A,Sorbello R M.Broadband two-layer microstrip antenna[J].IEEE AP-S International Symp Digital,1984(2):251-254.

[8] Encinar Jose A, Agustin Zornoza J. Broadband design of three-layer printed reflectarrays[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2003,51(7):1662-1664.

[9] Bozzi M, Germani S, Perregrini L.Performance comparison of different element shapes used in printed reflectarrays[J].IEEE Antennas Wireless Propagation Letters,2003,2(1):219-222.

[10] Chaharmir R,Shaler J,Cuhaci M.Development of dual-band circularly polarised reflectarray [J]. Microwaves Antennas and Propagation,2006,153(1):49-4.

[11] Deguchi H,Mayumi K,Tsuji M,et al.Broadband single-layer triple-resonance microstrip reflectarray antennas[C].UK:European Microwave Conference,2009.

[12] Menzel W.A 77-GHz FM/CW radar front end with a low-profile low-loss printed antenna[J]. IEEE Transactions on MITT,1999,47(12):2237-2241.

[13] Thiel M,Menzel W.A multiple-beam sector antenna with a dual planar reflectarray arrangement [C]. France:Proceeding of the 3rd European Radar Conference,2006.

[14] 陈毅乔,官正涛.毫米波双平板微带反射阵列天线设计[C].成都:全国天线年会, 2009.

[15] Jose A Encinar.Design of two-layer printed reflectarrays using patches of variable size[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2001,49(10):1403-1410.

Research on Multi-layer Dual Planar Microstrip Reflectarray Antenna

WEI Xu

(Common Technology Department, 10th Research Institute of CETC, Chengdu 610036, China)

According to the narrow band width of single-layer dual planar microstrip reflectarray antenna, a K band two-layer dual planar microstrip reflectarray antenna with the use of double layer microstrip patch reflector plate has been designed. The antenna has been simulated and the results indicate a gain fluctuation of less than 1.5 dB within 10% relative bandwidth of working frequency band. Comparison with the results of single layer dual planar microstrip reflectarray antenna shows that the design method is correct and feasible, and can be used to design the microstrip antenna with high bandwidth requirement.

microstrip reflectarray; multi-layer; dual planar; twist polarization

2016- 06- 14

魏旭(1982- )，女，硕士，工程师。研究方向：天线孔径综合等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.05.027

TN823

A

1007-7820(2017)05-098-04