高增益反射陣列天線(xiàn)的設計

1 引言

反射陣列天線(xiàn)的結構如圖1所示，由平面反射陣和饋源喇叭組成，反射陣是由印制在接地薄介質(zhì)基片上的偶極子或微帶貼片等單元組成的平面陣。其工作機理類(lèi)似于傳統反射面天線(xiàn)，即通過(guò)合理設計，讓每個(gè)單元對來(lái)自饋源的入射場(chǎng)進(jìn)行適當相位延遲，使反射場(chǎng)在天線(xiàn)口徑面上形成所需的相位波前。

反射陣列天線(xiàn)具有如下特點(diǎn)：(1) 采用初級饋源直接進(jìn)行空間饋電，避免相控陣天線(xiàn)設計中復雜的饋電網(wǎng)絡(luò )設計及由此引發(fā)的損耗(尤其在毫米波段)，有利于提高天線(xiàn)效率；(2) 采用低剖面的平面陣列形成等效拋物面，避免了彎曲形拋物反射面所占空間大、難加工的缺點(diǎn)，利于共形設計；(3) 諧振單元具有0°～360°相移特性，能實(shí)現最大至60°的寬角度掃描；(4) 重量輕、體積小、機動(dòng)靈活、易于制造?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，反射陣列天線(xiàn)的研究備受矚目。

圖1 反射陣列天線(xiàn)結構示意圖

雖然反射陣列天線(xiàn)采用空間饋電，避免饋電網(wǎng)絡(luò )引發(fā)的損耗，因而其增益高于相控陣天線(xiàn)，但是基于下列原因該類(lèi)天線(xiàn)的增益仍然存在改善的空間：

（1）傳統單元的移相范圍不足360°，由此導致的移相盲區將嚴重影響整個(gè)天線(xiàn)的增益。

（2）在毫米波段,表面波損耗不容忽略，表面波的存在會(huì )干擾主瓣輻射，從而削弱天線(xiàn)增益。

為此，針對（1），作者提出了一種 “復合十字”型反射陣列天線(xiàn)單元，計算表明該單元在保持單層結構(注：多層結構易激勵起表面波)的前提下仍能實(shí)現超過(guò)360°的移相，彌補了現有單層單元移相范圍不足360°的缺陷。針對（2），作者通過(guò)在原有的反射貼片單元下方的地板植入光子帶隙結構（PBG）的方法來(lái)抑制表面波。上述方法的有效性通過(guò)一個(gè)6×6反射陣列天線(xiàn)驗證，結果證明，該新型結構反射陣列天線(xiàn)的增益比傳統（單元為方形貼片）反射陣列天線(xiàn)提高了2dB。

2 設計過(guò)程

2.1 “復合十字”型單元的設計

反射陣列天線(xiàn)設計的一個(gè)重要環(huán)節是單元的設計，要求每個(gè)單元能夠對入射波實(shí)現0°～360°的反射移相。傳統的單元移相設計主要有以下三種方式：（1）調節單元的相位延遲線(xiàn)長(cháng)度[1]；（2）調節單元的旋轉角度[2]；（3）調節單元尺寸[4]。本文采用第三種調相形式，提出如圖2所示的“復合十字”型反射陣列天線(xiàn)單元[6]。單元由單層接地介質(zhì)基片構成，輻射金屬貼片刻蝕在介質(zhì)基片上表面，是一個(gè)被四個(gè)方形貼片圍繞的十字型偶極子。介質(zhì)基片的相對介電常數，基片厚度t為0.508mm，單元間距，中心頻率為94GHz。單元的移相曲線(xiàn)如圖3所示。

我們使用全波仿真軟件Ansoft HFSS對單元尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設計，并計算了單元的反射場(chǎng)相位，單元的移相曲線(xiàn)如圖3所示。由圖中可見(jiàn)，由于采用了“復合十字”型的雙諧振結構，單元的移相范圍增加至407°。

2.2 PBG結構的設計

地板上植入PBG的結構如圖4所示，其尺寸參數由于在全金屬地板上刻蝕雙方環(huán)槽縫，導致單元結構發(fā)生改變，因此單元移相曲線(xiàn)需要重新計算（如圖3所示）。為驗證新型結構單元的增益改善能力，我們設計了三個(gè)主波束指向為30°的6×6正方形陣列，它們的單元分別為傳統的正方形貼片、“復合十字”型貼片（金屬地）、“復合十字”型貼片（PBG地）。圖5是三種反射陣列天線(xiàn)的E面輻射對比?？梢?jiàn)：

(1) 用PBG地代替全金屬地板后，“復合十字”型單元構成的陣列天線(xiàn)的增益提高了約0.5dB；這說(shuō)明我們所提出的PBG結構可以起到抑制表面波的作用。

(2) 與傳統的方形貼片陣列相比，“復合十字”型單元（PBG地）所構成陣列的增益提高了2dB。這驗證了移相盲區的消除對天線(xiàn)增益的改善的有效性。

圖5 傳統方形貼片單元陣列與“復合十字型“單元
陣列（PBG地與金屬地）的輻射方向圖比較

3 結論

本文采用消除單元移相盲區和抑制表面波兩種手段來(lái)提高反射陣列天線(xiàn)的增益。具體設計了一種在地板植入雙方環(huán)槽縫的PBG結構的“復合十字”型單元。仿真計算表明，與傳統的方形貼片反射陣列天線(xiàn)相比，這種新型單元構成的反射陣列天線(xiàn)的增益提高可達2dB。