引言
微帶反射陣天線是拋物面天線和微帶陣列天線相結(jié)合的產(chǎn)物。它用刻蝕有微帶貼片的平面陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拋物面，通過平面陣上的每個微帶陣元的相位延遲線來調(diào)節(jié)相位，使反射陣和拋物面一樣有等相位面。
反射陣天線結(jié)合了拋物面天線和陣列天線的一些優(yōu)點，具有體積小、重量輕、易折疊、易共形、成本低、制作簡單等優(yōu)點，使得它不僅可用在航天航空探測、衛(wèi)星通信、雷達等軍事領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在接收數(shù)字電視廣播、交通預(yù)警等民用領(lǐng)域。
但是與拋物面天線相比較，微帶反射陣天線有一個致命的缺陷：窄帶特性，這主要是由反射陣單元的相位變化范圍有限(<360°)以及相位變化曲線陡峭造成的。本文針對這一缺陷，提出了一種新型的單層寬帶反射陣單元，能夠?qū)崿F(xiàn)360°以上的線性的相位變換。利用這種新型的寬帶單元設(shè)計相應(yīng)的反射陣天線，驗證了該反射陣單元的寬帶特性。
2 反射陣天線介紹
微帶反射陣天線由微帶陣列和饋源構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在反射平面上有許多的微帶反射單元，從饋源發(fā)出的波照射在平面陣列上，通過這些微帶單元調(diào)節(jié)入射波的散射相位，使得波從單元再反射出去時在特定的方向形成同相位，發(fā)出方向性極強的筆形波束。
反射陣天線的設(shè)計中，帶寬是非常重要的一個指標。而這恰恰是反射陣設(shè)計的一個難點。反射陣天線帶寬主要由其單元設(shè)計、孔徑尺寸、焦距等決定，一般不會超過10%。對于小尺寸的微帶反射陣來說，影響其帶寬的最重要的因素是單元的帶寬。而對于大尺寸或超大尺寸的反射陣來說，還有一個不可忽視的因素是不同的空間相位延遲。近年來出現(xiàn)了很多的展寬反射陣帶寬的方法，最主要的是通過展寬單元的帶寬來實現(xiàn)的。在展寬帶寬之后，反射陣天線在性能上亦能與拋物面天線相比擬。
圖1 反射陣天線結(jié)構(gòu)示意圖
3 反射陣單元分析
3.1 反射陣寬帶單元的設(shè)計
圖2給出了新型微帶反射陣單元的結(jié)構(gòu)圖。該單元工作的中心頻率為12 GHz，微帶貼片置于邊長為17 mm(約為0.68λ)的方形介質(zhì)板中心。介質(zhì)板的相對介電常數(shù)2.65、厚度為0.79 mm，且與地板之間有3 mm的空氣層。介質(zhì)板上層的貼片單元具體結(jié)構(gòu)如圖2 (b)所示，其尺寸相對大小在圖中給出。
(a) 側(cè)視圖
(b) 俯視圖
圖2 新型反射陣單元結(jié)構(gòu)示意圖
3.2 反射陣單元移相特性分析
為了驗證上一小節(jié)中設(shè)計的反射陣單元的相移特性并估計其帶寬，在Ansoft HFSS中，對該單元進行建模仿真。具體仿真結(jié)果如圖3-圖4所示。
圖3 12GHz時，相位曲線圖
圖4 不同頻率時相位曲線圖
從圖3可以看出，該新型結(jié)構(gòu)的單元能夠獲得400°(對應(yīng)單元尺寸為2.5 mm～4 mm)的線性相位變化曲線，且曲線坡度較平緩。圖4給出了在一定的頻率范圍之內(nèi)該反射陣單元的相位變化曲線對比圖，由此可以看出該單元具有寬帶特性，能夠應(yīng)用于寬帶反射陣的設(shè)計。 反射陣天線設(shè)計及性能分析[!--empirenews.page--]
由于本文預(yù)期設(shè)計的是一個49單元正饋反射陣，屬于較小規(guī)模反射陣，為了減少饋源的遮擋效應(yīng)，應(yīng)采用尺寸較小的天線作饋源，再加上要求具有一定的帶寬，因此采用端射式漸變槽天線做饋源。該饋源在Ansoft HFSS 中的模型如圖5所示，中心頻率12 GHz，帶寬9~15 GHz。
圖5 漸變槽天線結(jié)構(gòu)
在確定了饋源、單元結(jié)構(gòu)及陣列間距以后，再計算不同位置的單元的路徑差，從而根據(jù)反射陣單元相位曲線圖合理設(shè)計每個輻射單元的大小以補償從饋源到每個貼片的相位延遲，使每個輻射單元沿+z軸方向達到同相。整個天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，方形反射平面的邊長為119 mm,焦距為120 mm。
圖6 反射陣天線示意圖
在Ansoft HFSS中對此反射陣天線進行仿真，結(jié)果如圖7-圖9所示。
圖7 12.5 GHz時，反射陣天線輻射方向圖
此反射陣在12.5 GHz時獲得最高增益19.6 GHz。圖7給出了12.5 GHz時，反射陣天線E面方向圖，可以看出該方向圖主波束寬度達10°，第一副瓣電平低于-15 dB。圖8給出了低頻、中心頻率以及高頻三個頻點處的輻射方向圖。從圖中可以看出整個帶寬內(nèi)天線的輻射方向圖具有很高的一致性。反射陣增益隨頻率(9 GHz~15 GHz)的變化圖在圖9中給出。綜上，整個天線在12.5 GHz時達到最高增益19.6 dB，且在1 dB增益帶寬(11 GHz~14.7 GHz)內(nèi)方向圖性能均良好，可見此反射陣單元可應(yīng)用于寬帶設(shè)計。
圖8 不同頻率時的輻射方向圖
圖9 反射陣天線增益圖
5 結(jié)論
與傳統(tǒng)的單層反射陣單元相比較，本文提出的新型單元結(jié)構(gòu)能夠獲得大于360°的線性相位曲線范圍。利用這一新型單元設(shè)計的49元反射陣能夠?qū)崿F(xiàn)最高增益19.6 dB，1 dB增益帶寬28.8%(11 GHz～14.7 GHz)，可見該新型單元具有展寬帶寬的性能，能夠應(yīng)用于寬帶反射陣的設(shè)計。
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