高增益反射陣列天線的設(shè)計

1、 912高增益反射陣列天線的設(shè)計李華1,2 邵維1(電子科技大學物理電子學院應(yīng)用所 四川 成都，610054 1(電子科技大學物理電子學院應(yīng)用物理系 四川 成都，610054 2摘 要：采用消除單元移相盲區(qū)和抑制表面波兩種手段來提高反射陣列天線的增益，具體提出一種加載光子帶隙( PBG結(jié)構(gòu)的新型反射陣列天線單元。數(shù)值仿真表明：由該新型單元構(gòu)成的反射陣列天線的增益比傳統(tǒng)的方形貼片反射陣列天線提高2dB 。關(guān)鍵詞：反射陣列天線，天線增益，PBGA High Gain Reflectarray AntennaLi Hua 1，2 Shao Wei1（Institute of Applied Phys

2、ics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054，China ）1 （Department of Applied Physics, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu, 610054，China ）2 Abstract: A novel approach for the gain enhancement of microstrip reflectarrays is proposed. The

3、simulated gain is increased by 2 dB when the solid ground plane is replaced by a photonic bandgap structure that consists of a periodic array of perforations on the ground plane, and the square patch is replaced by a compound cross patch. Keywords: microstrip reflectarray; gain enhancement; photonic

4、 bandgap structure1 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。其工作機理類似于傳統(tǒng)反射面天線，即通過合理設(shè)計，讓每個單元對來自饋源的入射場進行適當相位延遲，使反射場在天線口徑面上形成所需的相位波前1-5。反射陣列天線具有如下特點：(1 采用初級饋源直接進行空間饋電，避免相控陣天線設(shè)計中復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計及由此引發(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，利于共形設(shè)計；(3 諧振單元具基金項目:

5、 國家自然科學基金資助項目（90505001），電子科技大學創(chuàng)新團隊支持計劃有0360相移特性，能實現(xiàn)最大至60的寬角度掃描；(4 重量輕、體積小、機動靈活、易于制造。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0z 913的移相盲區(qū)將嚴重影響整個天線的增益。（2）在毫米波段, 表面波損耗不容忽略，表面波的存在會干擾主瓣輻射，從而削弱天線增益。為此，針對（1），作者提出了一種 “復(fù)合十字”型反射陣列天線單元，計算表明該單元在保持單層結(jié)構(gòu)(

6、注：多層結(jié)構(gòu)易激勵起表面波 的前提下仍能實現(xiàn)超過360的移相，彌補了現(xiàn)有單層單元移相范圍不足360的缺陷。針對（2），作者通過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 ）的方法來抑制表面波。上述方法的有效性通過一個66反射陣列天線驗證，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)計過程2.1 “復(fù)合十字”型單元的設(shè)計反射陣列天線設(shè)計的一個重要環(huán)節(jié)是單元的設(shè)計，要求每個單元能夠?qū)θ肷洳▽崿F(xiàn)0360的反射移相。傳統(tǒng)的單元移相設(shè)計主要有以下三種方式：（1）調(diào)節(jié)單元的相位延遲線長度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

7、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，是一個被四個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(shù)2. 2=r ，基片厚度t 為0.508mm ，單元間距5. 0a =，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對單元尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計，并計算了單元的反射場相位，單元的移相曲線如圖3所示。由圖中可見，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)計地板上植入PBG 的結(jié)構(gòu)如圖4所示，其尺寸參數(shù), mm 29

8、. 0pl =, mm 15. 0p =g , mm 15. 0p =d 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算（如圖3所示）。為驗證新型結(jié)構(gòu)單元的增益改善能力，我們設(shè)計了三個主波束指向為30的66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 面輻射對比?？梢姡?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

9、元（PBG 地）所構(gòu)成陣列的增益提高了2dB 。這驗證了移相盲區(qū)的消除對天線增益的改善的有效性。圖2 “復(fù)合十字”型反射陣列天線單元示意圖w-400-300-200-100p h a s e (d e g L (mm圖3 “復(fù)合十字”型單元的移相曲線圖4 PBG結(jié)構(gòu)示意圖 914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提高反射陣列天線的增益。具體設(shè)計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

10、提高可達2dB 。參 考 文 獻1 R C Hansen, Microwave Scanning AntennasM. New York: Academic Press, 1964.2 C Han, C Rodenbeck, J Huang, and K Chang. A C/Ka dual frequencydual layer circularly polarized reflectarray antenna withmicrostripring elementsJ. IEEE Trans. Antennas Propag., 2004,52(11: 28712876.3 A Kelkar

11、. FLAPS: Conformal phased reflecting surfacesJ. Proceedings of the IEEE National Radar Conference, 1991, 31(5:58-62.4 S D Targonski, D M.Pozar. Analysis and design of a microstrip reflectarray using patches of variable sizeJ. IEEE AP-S Intl Symp,1994, 25(6:1820-1823.5 R D Javor, X D Wu. Design and performance of a microstrip reflectarray antennaJ. IEEE Trans. Antennas Propag.,1995, 43(9:932-938.6 李華，王秉中. 一種新穎寬帶毫米波反射陣列天線單元設(shè)計. 電波科學學報，2007，22(9357.作者簡介:李華，女，電子科技大學無線電物理專業(yè)博士生，主要研究方向為電磁場理論與天線技術(shù)。d B (deg 高增益反射