高增益反射陣列天線的設(shè)計(jì)

1 引言

反射陣列天線的結(jié)構(gòu)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(jī)理類似于傳統(tǒng)反射面天線，即通過(guò)合理設(shè)計(jì)，讓每個(gè)單元對(duì)來(lái)自饋源的入射場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)相位延遲，使反射場(chǎng)在天線口徑面上形成所需的相位波前。

反射陣列天線具有如下特點(diǎn)：(1) 采用初級(jí)饋源直接進(jìn)行空間饋電，避免相控陣天線設(shè)計(jì)中復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及由此引發(fā)的損耗(尤其在毫米波段)，有利于提高天線效率；(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(shè)計(jì)；(3) 諧振單元具有0°～360°相移特性，能實(shí)現(xiàn)最大至60°的寬角度掃描；(4) 重量輕、體積小、機(jī)動(dòng)靈活、易于制造?；谏鲜鰞?yōu)點(diǎn)，反射陣列天線的研究備受矚目。

圖1 反射陣列天線結(jié)構(gòu)示意圖

雖然反射陣列天線采用空間饋電，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，但是基于下列原因該類天線的增益仍然存在改善的空間：

（1）傳統(tǒng)單元的移相范圍不足360°，由此導(dǎo)致的移相盲區(qū)將嚴(yán)重影響整個(gè)天線的增益。

（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，從而削弱天線增益。

為此，針對(duì)（1），作者提出了一種 “復(fù)合十字”型反射陣列天線單元，計(jì)算表明該單元在保持單層結(jié)構(gòu)(注：多層結(jié)構(gòu)易激勵(lì)起表面波)的前提下仍能實(shí)現(xiàn)超過(guò)360°的移相，彌補(bǔ)了現(xiàn)有單層單元移相范圍不足360°的缺陷。針對(duì)（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(jié)構(gòu)（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反射陣列天線驗(yàn)證，結(jié)果證明，該新型結(jié)構(gòu)反射陣列天線的增益比傳統(tǒng)（單元為方形貼片）反射陣列天線提高了2dB。

2 設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 “復(fù)合十字”型單元的設(shè)計(jì)

反射陣列天線設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)是單元的設(shè)計(jì)，要求每個(gè)單元能夠?qū)θ肷洳▽?shí)現(xiàn)0°～360°的反射移相。傳統(tǒng)的單元移相設(shè)計(jì)主要有以下三種方式：（1）調(diào)節(jié)單元的相位延遲線長(zhǎng)度[1]；（2）調(diào)節(jié)單元的旋轉(zhuǎn)角度[2]；（3）調(diào)節(jié)單元尺寸[4]。本文采用第三種調(diào)相形式，提出如圖2所示的“復(fù)合十字”型反射陣列天線單元[6]。單元由單層接地介質(zhì)基片構(gòu)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(duì)介電常數(shù)，基片厚度t為0.508mm，單元間距，中心頻率為94GHz。單元的移相曲線如圖3所示。

我們使用全波仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)單元尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并計(jì)算了單元的反射場(chǎng)相位，單元的移相曲線如圖3所示。由圖中可見(jiàn)，由于采用了“復(fù)合十字”型的雙諧振結(jié)構(gòu)，單元的移相范圍增加至407°。

2.2 PBG結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

地板上植入PBG的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其尺寸參數(shù)由于在全金屬地板上刻蝕雙方環(huán)槽縫，導(dǎo)致單元結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，因此單元移相曲線需要重新計(jì)算（如圖3所示）。為驗(yàn)證新型結(jié)構(gòu)單元的增益改善能力，我們?cè)O(shè)計(jì)了三個(gè)主波束指向?yàn)?0°的6×6正方形陣列，它們的單元分別為傳統(tǒng)的正方形貼片、“復(fù)合十字”型貼片（金屬地）、“復(fù)合十字”型貼片（PBG地）。圖5是三種反射陣列天線的E面輻射對(duì)比?？梢?jiàn)：

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

(2) 與傳統(tǒng)的方形貼片陣列相比，“復(fù)合十字”型單元（PBG地）所構(gòu)成陣列的增益提高了2dB。這驗(yàn)證了移相盲區(qū)的消除對(duì)天線增益的改善的有效性。

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

3 結(jié)論

本文采用消除單元移相盲區(qū)和抑制表面波兩種手段來(lái)提高反射陣列天線的增益。具體設(shè)計(jì)了一種在地板植入雙方環(huán)槽縫的PBG結(jié)構(gòu)的“復(fù)合十字”型單元。仿真計(jì)算表明，與傳統(tǒng)的方形貼片反射陣列天線相比，這種新型單元構(gòu)成的反射陣列天線的增益提高可達(dá)2dB。