由正六邊形復合空饋子陣組成的高增益寬頻帶印刷天線陣

1 引言

作為印刷天線家族新成員的復合空饋陣(CAFA) 天線，將設計反射陣和傳輸陣時的相位補償概念注入Fabry-Perot天線的設計中：通過在蓋板和基板處各自獨立地補償反射相位，改建了口徑場相位分布的均勻性。其最大優(yōu)點在于避免了傳統(tǒng)空饋反射陣或傳輸陣中饋源高聳的結構缺點，具有波長量級的低輪廓。然而，這也限制了CAFA的增益從而限制了其應用。作者曾嘗試增加基板-蓋板之間距以提高最高增益的方法，但由于增益和帶寬之間固有的矛盾，當峰值增益提高約5 dB時，其公共頻帶變窄到不足2%. 本文采用先設計CAFA作為子陣單元，再由若干子陣組合成大型陣列天線的方案，在保有較寬頻帶的同時提高了增益。結構上采用正六邊形輪廓的子陣設計，在其FSS蓋板和AMC基板上也采用正六邊形的網格布局；用七個正六邊形的子陣組成蜂窩形的大陣；并且選用層疊式貼片輻射器作為饋源，借以改善波瓣圖的對稱性。經仿真分析和優(yōu)選，設計出包含了子陣間饋電網絡的大型CAFA天線，同時滿足了高增益和寬頻帶的要求。其整體仿真/樣品測試的性能達到：峰值增益22.87/22.51 dBi；電壓駐波比≤2.0:1、增益跌落≤-3dB以及副瓣電平≤-15dB的公共頻帶達8.28/9.63%。其中副瓣電平是全方位、而不限于主平面的。

2 CAFA子陣單元的設計

CAFA子陣單元被設計成正六邊形以便于按蜂窩狀拼接成大陣。為了同時獲得寬的阻抗頻帶與旋轉對稱的輻射波瓣圖，CAFA子陣的饋源采用了層疊式貼片輻射器(圖1)。為了將阻抗頻帶向低頻端擴展以適應與增益頻帶的疊合，在位于基板中央、尺寸為(l _f ´ w _f)的下層矩形貼片上開了一條垂直于極化方向的窄縫，尺寸為(l_S ´ w_S)。為了增強波瓣圖的旋轉對稱性，添加了一片尺寸為(l_p ´ w_p)的上層寄生貼片，其中心相對于下層貼片中心沿極化方向有d_offset的偏移量。上層貼片的基板尺寸為(l _up ´ w _up)，與下層貼片間距h_p，通過位于其兩窄邊下方的矩形塑料墊片支撐。饋點與下貼片邊緣的距離為f_y。

圖1 CAFA子陣單元饋源的結構圖

組裝好的CAFA子陣單元(圖2)包含饋源、基板和蓋板。基板中央的饋電貼片周圍圍有AMC單元，它們是5圈周期皆為P_AMC的、按正六邊形輪廓排列的正方形貼片，每一圈的貼片邊長相等但從內圈到外圈按{d _j}遞增。在FSS蓋板的下表面，8圈周期皆為P_FSS的正方形貼片單元、也按正六邊形輪廓排列，每一圈的貼片邊長相等但從內圈到外圈按{e _i}遞減。蓋板和含接地板之基板都有邊長為R的正六邊形輪廓、厚度為h，基板-蓋板相距h_c，所有介質板材的相對介電常數皆為2.2。CAFA子陣單元的結構參數值歸納于表1。

（a）基板上表面的AMC與饋源

（b）蓋板下表面的FSS

(c) 組裝好的CAFA子陣單元前視圖

圖2 CAFA子陣單元的結構圖