微带反射阵天线的分析与设计

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1、引言
        微带反射阵天线是抛物面天线和微带阵列天线相结合的产物。它用刻蚀有微带贴片的平面阵代替传统的抛物面，通过平面阵上的每个微带阵元的相位延迟线来调节相位，使反射阵和抛物面一样有等相位面。
         
        反射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的一些优点，具有体积小、重量轻、易折叠、易共形、成本低、制作简单等优点，使得它不仅可用在航天航空探测、卫星通信、雷达等军事领域，也可以应用在接收数字电视广播、交通预警等民用领域。
         
        但是与抛物面天线相比较，微带反射阵天线有一个致命的缺陷：窄带特性，这主要是由反射阵单元的相位变化范围有限(<360°）以及相位变化曲线陡峭造 成的。本文针对这一缺陷，提出了一种新型的单层宽带反射阵单元，能够实现360°以上的线性的相位变换。利用这种新型的宽带单元设计相应的反射阵天线，验证了该反射阵单元的宽带特性。
         
        2、反射阵天线介绍
        微带反射阵天线由微带阵列和馈源构成，其结构如图1所示。在反射平面上有许多的微带反射单元，从馈源发出的波照射在平面阵列上，通过这些微带单元调节入射波的散射相位，使得波从单元再反射出去时在特定的方向形成同相位，发出方向性极强的笔形波束。
         
        反射阵天线的设计中，带宽是非常重要的一个指标。而这恰恰是反射阵设计的一个难点。反射阵天线带宽主要由其单元设计、孔径尺寸、焦距等决定，一般不会超过 10%。对于小尺寸的微带反射阵来说，影响其带宽的最重要的因素是单元的带宽。而对于大尺寸或超大尺寸的反射阵来说，还有一个不可忽视的因素是不同的空间 相位延迟。近年来出现了很多的展宽反射阵带宽的方法，最主要的是通过展宽单元的带宽来实现的。在展宽带宽之后，反射阵天线在性能上亦能与抛物面天线相比拟。
         

       

        图1  反射阵天线结构示意图

         

        3、反射阵单元分析
        3.1、反射阵宽带单元的设计
        图2给出了新型微带反射阵单元的结构图。该单元工作的中心频率为12GHz，微带贴片置于边长为17mm（约为0.68&lambda;）的方形介质板中心。介质板的相对 介电常数2.65、厚度为0.79mm，且与地板之间有3mm的空气层。介质板上层的贴片单元具体结构如图2 (b)所示，其尺寸相对大小在图中给出。
         

       

        (a) 侧视图

       

        (b) 俯视图

        图2  新型反射阵单元结构示意图

         

        3.2、反射阵单元移相特性分析
        为了验证上一小节中设计的反射阵单元的相移特性并估计其带宽，在Ansoft HFSS中，对该单元进行建模仿真。具体仿真结果如图3-图4所示。
         

       

        图3  12GHz时，相位曲线图

       

        图4  不同频率时相位曲线图

         

        从图3可以看出，该新型结构的单元能够获得400°（对应单元尺寸为2.5mm～4mm）的线性相位变化曲线，且曲线坡度较平缓。图4给出了在一定的频率范围之内该反射阵单元的相位变化曲线对比图，由此可以看出该单元具有宽带特性，能够应用于宽带反射阵的设计。
         
        4、反射阵天线设计及性能分析
        由于本文预期设计的是一个49单元正馈反射阵，属于较小规模反射阵，为了减少馈源的遮挡效应，应采用尺寸较小的天线作馈源，再加上要求具有一定的带宽，因此 采用端射式渐变槽天线做馈源。该馈源在Ansoft HFSS中的模型如图5所示，中心频率12GHz，带宽9~15GHz。
         

       

        图5  渐变槽天线结构

        在确定了馈源、单元结构及阵列间距以后，再计算不同位置的单元的路径差，从而根据反射阵单元相位曲线图合理设计每个辐射单元的大小以补偿从馈源到每个贴片的 相位延迟，使每个辐射单元沿+z轴方向达到同相。整个天线系统结构图如图6所示，方形反射平面的边长为119mm,焦距为120mm。
         

       

        图6  反射阵天线示意图

         

        在Ansoft HFSS中对此反射阵天线进行仿真，结果如图7-图9所示。
         

       

        图7  12.5GHz时，反射阵天线辐射方向图

         

        此反射阵在12.5GHz时获得最高增益19.6GHz。图7给出了12.5GHz时，反射阵天线E面方向图，可以看出该方向图主波束宽度达10°，第一副 瓣电平低于-15dB。图8给出了低频、中心频率以及高频三个频点处的辐射方向图。从图中可以看出整个带宽内天线的辐射方向图具有很高的一致性。反射阵增 益随频率（9GHz~15GHz）的变化图在图9中给出。综上，整个天线在12.5GHz时达到最高增益19.6dB，且在1dB增益带宽 （11GHz~14.7GHz）内方向图性能均良好，可见此反射阵单元可应用于宽带设计。
         

       

        图8  不同频率时的辐射方向图

       

        图9  反射阵天线增益图

         

        5、结论
        与传统的单层反射阵单元相比较，本文提出的新型单元结构能够获得大于360°的线性相位曲线范围。利用这一新型单元设计的49元反射阵能够实现最高增益 19.6dB，1dB增益带宽28.8%（11GHz～14.7GHz），可见该新型单元具有展宽带宽的性能，能够应用于宽带反射阵的设计。