高增益反射陣列天線的設計

1 引言

反射陣列天線的結構如圖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。

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，避免相控陣天線設計中復雜的饋電網(wǎng)絡設計及由此引發(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，利于共形設計；(3) 諧振單元具有0°～360°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。基于上述優(yōu)點，反射陣列天線的研究備受矚目。

圖1 反射陣列天線結構示意圖

雖然反射陣列天線采用空間饋電，避免饋電網(wǎng)絡引發(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°，由此導致的移相盲區(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構(注：多層結構易激勵起表面波)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構（PBG）的方法來抑制表面波。上述方法的有效性通過一個6×6反射陣列天線驗證，結果證明，該新型結構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 設計過程

2.1 “復合十字”型單元的設計

反射陣列天線設計的一個重要環(huán)節(jié)是單元的設計，要求每個單元能夠對入射波實現(xiàn)0°～360°的反射移相。傳統(tǒng)的單元移相設計主要有以下三種方式：（1）調節(jié)單元的相位延遲線長度[1]；（2）調節(jié)單元的旋轉角度[2]；（3）調節(jié)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”型反射陣列天線單元[6]。單元由單層接地介質基片構成，輻射金屬貼片刻蝕在介質基片上表面，是一個被四個方形貼片圍繞的十字型偶極子。介質基片的相對介電常數(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對單元尺寸進行了優(yōu)化設計，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(shù)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(tǒng)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的E面輻射對比。可見：

(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的增益提高了約0.5dB；這說明我們所提出的PBG結構可以起到抑制表面波的作用。

(2) 與傳統(tǒng)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(qū)的消除對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(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(tǒng)的方形貼片反射陣列天線相比，這種新型單元構成的反射陣列天線的增益提高可達2dB。