一种新型单层微带反射阵列设计

刘腾元，陈文俊

(南京船舶雷达研究所，江苏 南京 211106)

0 引言

随着卫星通讯、遥感探测、高分辨雷达的迅猛发展，大口径、高增益、小型化天线显得越来越重要。抛物面天线和平面相控阵天线是2种常被选择的天线。抛物面天线结构简单、方向性强、功率容量大并且有较宽的工作频带，但是其缺点也比较明显，它体积庞大，不易共形，并且难以实现宽角度扫描；而平面相控阵天线虽然设计灵活，易于宽角度扫描和实现波束赋形等功能，但由于复杂的馈电网络，导致天线整体辐射效率较低，成本较大。为了克服上述2种天线的缺点，国内外学者提出了平面微带反射阵列天线。

平面微带反射阵列天线结合了抛物面天线和平面相控阵天线的优点。采用空间馈电方式，减少了天线的结构复杂程度，降低了成本。同时，通过相位补偿使得天线波束实现定向性、高增益。这些显著的优点使得微带反射阵列几年来获得了快速的发展与应用[1-5]。

虽然微带反射阵列天线有很多的优点，但是已知其带宽都比较窄，尤其是单层微带反射阵列。影响其带宽的因素有：馈源的工作带宽，单元之间的间距，空间延迟相位的补偿误差，微带贴片单元自身的窄带移相缺陷。针对这些问题，文献[6]中提出多层堆叠方形贴片结构的反射阵单元，通过增加单元谐振点来获得一个较宽的频段。但是，该方法结构较为复杂，不易实现。文献[7]中提出使用不同贴片与加载延迟线混合结构的反射单元，可以优化单元的反射方向图，保证阵列的效率；文献[8]中通过设计双层双频带反射阵，以实现双频口径复用。文献[9]中提出采用亚波长结构的反射单元以减小空间延迟相位的误差。文献[10]中提出使用分形结构单元作为反射阵元以实现多频化。除此之外，有的学者使用紧耦合结构反射面来增加反射阵的带宽[11]。

本文设计了一种新型微带反射单元，采用双方环与方形金属贴片结构组合而成，通过改变内侧方环的边长来实现超过360°的移相范围。阵列单元间距约1/4中心频率波长。馈源选择角锥喇叭天线。利用仿真软件Ansoft HFSS建立16×16单元的平面微带反射阵列并进行仿真分析。结果表明：本文所设计的单层微带平面反射阵列在9～12 GHz的频段内有较高的增益，且可以灵活设定主波束方向，具有一定的工程利用价值。

1 基本原理

微带反射阵列天线由平面反射阵和馈源天线组成，如图1所示。反射阵面是由印制于接地介质基片上的微带贴片单元组成的平面阵列，馈源为喇叭天线。其工作原理是：喇叭天线发出电磁波，沿着不同的传输路径到达每个单元，传输路径长度的差异将导致各个单元所接收的入射场有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的相位补偿，让反射场在天线口径面上形成所需的同相位波前[12]。

根据阵列天线理论，平面阵的总辐射场为

(1)

由式(1)可得，假设主波束方向为(θb,φb)，则阵列上第i个单元的相位分布为

φ(xi,yi)=k0sinθbcosφbxi-k0sinθbsinφbyi,

(2)

式中：k0为真空中的自由波数；(xi,yi)为阵元i的坐标。同时，阵元i的反射场相位又等于馈源照射到该单元的入射场相位和该单元自身的反射相移之和，即

φ(xi,yi)=-k0di+φR(xi,yi),

(3)

式中：φR(xi,yi)为阵元i自身提供的反射相移；-k0di为馈源照射到该单元的入射电场相位；di为馈源天线的相位中心到第i个单元的空间距离。如果馈源天线的相位中心的坐标为(xf,yf,zf)，则di可写为

(4)

由式(2)和式(3)得，阵列上每个单元所需补偿的相位为

φR=k0[di-(cosφbxi+sinφbyi)sinθb]，

(5)

即当平面微带反射阵列的波束指向为(θb,φb)时，需要将反射面上每个单元的反射相移调整为式(5)中的φR，这样由馈源发出的入射波可以合理补偿阵面上各个单元的空间相位差，使得阵列在(θb,φb)方向上形成高增益波束。

2 天线设计

2.1 单元设计分析

本文设计的阵列单元由正方形金属贴片与双方环金属贴片结构组合而成，如图2所示。阵列单元中心工作频率为10.5 GHz，单元间距为7.5 mm，大约为中心频率的1/4个波长。介质基板选择介电常数为3.55的Rogers RO4003，厚度为t1。介质基板下面加载厚度为t2的泡沫材料，起到支撑作用。单元中间的正方形金属贴片边长为d，外侧方环形金属贴片宽度为w1，内侧方环形金属贴片宽度为w2，边长为l+2w2。通过高频电磁仿真软件Ansoft HFSS中的Floquet模式及主从边界条件，模拟无限大阵列结构进行仿真，可以得到不同单元结构参数(t1,t2,w1,w2,d)条件下的单元反射相移曲线，如图3～7所示。

从图3～7中可以看出，当单元内侧方环边长l从2 mm变化到7.5 mm时，阵列单元在工作频段内可得到超过360°的反射相移曲线。对图3～7进行分析，结果表明：介质基板厚度t1对反射相移曲线的移相范围影响不大，但随着t1的增大，相移曲线的线性度逐渐变好。泡沫材料的厚度t2对反射相移曲线的移相范围和线性度影响较小。外侧方环宽度w1、内侧方环宽度w2对工作频段内的单元反射相移曲线影响很小，移相范围及线性度基本没有发生变化。当正方形贴片的边长取不同的值时，单元反射相移曲线也基本不变。

综上所述并通过优化各个参数，本文确定介质基板厚度t1=1 mm，泡沫材料厚度t2=3 mm，外内侧金属方环形贴片宽度w1=w2=0.25 mm，正方形金属贴片边长d=2 mm。在此结构参数下，分别在9.0，10.0，10.5，11.0，12.0 GHz频点对单元进行仿真，如图8所示。仿真结果表明：在9～12 GHz，阵列单元都有着超过360°且平滑的反射相移曲线，可以用来作为反射面阵列单元。

2.2 馈源天线设计

平面微带反射阵列采用空间馈电方式，所以馈源天线的电磁性能对整个阵列的性能影响很大。馈源的形式有很多种，包括喇叭、振子、微带贴片、缝隙、螺旋和对数周期天线等，其中喇叭天线是最常用的馈源天线。

本文选用角锥喇叭作为反射阵列的馈源，优化后的喇叭天线S11曲线如图9所示，从图中可以看出：馈源从9～12 GHz频段内的S11值均小于-10 dB，具有良好的反射系数带宽。图10为角锥喇叭在中心频率的相位方向图，从图中可以看出：当θ角在±30°之间时，喇叭天线的相位值变化不大，可以作为反射阵列的馈源。

2.3 阵列设计

平面微带反射阵列天线的阵列结构由焦径比和口径利用效率决定,如式(6)和式(7)所示。其中，D为反射阵面边长，F为馈源等效相位中心到反射阵面距离。ηa为阵列口径利用效率，ηt为正馈条件下反射阵列的口径照射效率，ηs为馈源天线的漏射效率。θe为馈源从阵列中心到边缘的夹角，高阶函数cosqθe代表馈源天线的方向图。已知，在给定馈源天线方向图的前提下，馈源从阵列中心到边缘的夹角θe存在最优值。因此，通过调整阵列的焦径比，可以获得最优阵列辐射方向图。

0.5D/F=tanθe,

(6)

ηa=ηtηs,

(7)

(8)

ηs=1-cos2q+1θe.

(9)

除此之外，阵列口径的电尺寸也是一个重要的设计参数。阵列口径的电尺寸越小，天线的副瓣电平和交叉极化电平就越高，进而导致口径利用效率降低。所以，设计相对较大电尺寸的反射阵面很有必要[13]。

本文设计的平面微带反射阵列如图11所示。反射面尺寸为120 mm×120 mm，阵元间距为7.5 mm，一共包含16×16个单元。馈源喇叭采用中心馈电方式。根据式(6)及图10，令天线的焦径比F/D=1，即馈源喇叭的相位中心到反射面中心的距离约为120 mm，θe≈25°，以保证反射阵列天线的辐射效率。反射阵列工作于中心频率时的主波束方向垂直于反射面，通过式(5)计算每个阵元所需要补偿的相位值，计算结果如图12所示。从图中可以看出：馈源中心馈电时，阵列单元所需补偿的相位值在坐标系Oxy面的4个象限内是相等的，只需计算一个象限内的阵元尺寸即可得到所有阵元尺寸。已知阵列单元在工作频段内的反射相移曲线如图8所示，则根据图12中第Ⅰ象限内阵元所需补偿的相位值，可得到第Ⅰ象限内的阵元尺寸，如表1所示。根据表1可知所有阵元尺寸，完成阵列天线的设计。

mm

3 仿真结果

利用高频电磁仿真软件Ansoft HFSS对所设计的平面微带反射阵列进行仿真分析，得到反射阵列的远场方向图如图13所示。从图中可以看出：在中心频率处阵列增益约为20.5 dB，波束指向θ=0°方向，3 dB波瓣宽度约为18°。9～12 GHz的工作频带内，反射阵列的增益曲线如图14所示。可以看出，反射阵列的增益变化不大，其1 dB增益带绝对宽约为2.2 GHz，相对带宽为20.9%。对与表2中文献对比表明：本文所设计的单层微带反射阵列有效地提升了反射阵的带宽。在此基础上，调整阵列单元的尺寸，使得阵列的主波束指向φ=0°,θ=30°或φ=0°,θ=-45°方向，得到的远场方向图如图15所示。从图中可以看出：当主波束方向为φ=0°,θ=30°或φ=0°,θ=-45°时，反射阵列有着良好的远场辐射特性，证明了所设计的平面微带反射阵列具有改变波束指向角的功能。

文献[9][14][15]1 dB增益带宽(%)17.09.016.7

4 结束语

本文设计了一个双方环与方形金属贴片组合结构的反射阵列单元，通过调整内侧方环的长度可以使得阵列单元在9～12 GHz频段内获得超过360°且平稳光滑的反射相移曲线。采用该单元设计16×16的反射阵列面，并选择角锥喇叭作为馈源来建立一个平面微带反射阵列。通过仿真分析可得：该微带反射阵列在中心频率处的增益为20.5 dB，9.8～12 GHz频带内的1 dB增益相对带宽可达20.9%，有效扩展了工作带宽，且可通过调整阵元尺寸设定主波束指向，具有较高的工程使用价值。