新型微带反射阵列天线单元设计与研究

黄林台;郭陈江;丁君;李余占

【摘 要】A single layer compound structure with square-ring and circular patch is carried out as the cell element of microstrip refiectarray antenna. The characteristics of the reflective phase of the designed cell are analyzed by electromagnetic simulation software Ansfot HFSS. Then, a 49-element microstrip refiectarray with the proposed cell is designed and simulated based on the X-band. Simulation result shows that the highest Gain of refiectarray is about 19.5 dB with 3 dB drop within 30％ bandwidth at the centre frequency of 10 GHz and the half-power beam-width is about 13°. As a result, it realizes characteristics of high gain and broadband.%采用单层方环和圆贴片的复合结构作为微带平面反射阵列天线的单元,利用Ansfot HFSS仿真软件分析了单元的相移特性,并以此为阵元设计仿真了一个X波段49单元微带反射阵列天线.仿真结果显示,在中心频率10 GHz处,阵列天线的增益达到19.5 dB.在(8.5-11.5)GHz的频带上增益跌落小于3 dB,半功率波瓣宽度为13°,实现了高增益和宽频带性能.

【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2011(011)007 【总页数】4页(P1457-1460)

【关键词】微带反射阵列天线;方环和圆贴片;宽带 【作 者】黄林台;郭陈江;丁君;李余占

【作者单位】西北工业大学电子信息学院,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,西安,710129;西北工业大学电子信息学院,西安,710129 【正文语种】中 文 【中图分类】TN820.28

随着卫星通讯事业蓬勃发展，微带平面反射阵天线正以其平面低剖面结构、易共形、质量轻、成本低、效率高、可折叠展开等优点［1］受到广泛关注。微带平面反射阵列天线是由阵列天线和反射面天线相结合的一种新型天线。反射阵中的贴片单元接收并再辐射馈源天线的照射能量，通过调节阵列中各单元的结构来实现不同的反射系数相位，可以在阵列口径面上获得等相位或线性相位的场分布，形成指向某一特定方向的窄波束，实现高增益特性。

对于单层的反射阵列天线，特别是结构简单的贴片单元，通过调整尺寸很难得到所要求的360°相移范围。为了提高单元的相移范围和增加反射阵列的带宽，通常可以使用多层贴片叠加的结构［2］，而这样增加了设计的复杂性和制作难度。因此本文设计的仍是单层反射阵列天线，但是单元采用方环［3］和圆形贴片复合的形式，通过这两种结构的相位的相互补偿可以得到近450°的相移，利用Ansfot HFSS仿真软件分析单元的相移特性，并以此设计一个49单元的微带平面反射阵列天线，仿真结果显示在中心频率上增益达到19．5 dB，在(8．5—11．5)GHz的频带上，增益下降在3 dB以内，半功率波瓣宽度约为13°，具有很高的实际应用价值。 1 相位补偿原理

如图1所示为微带反射阵列天线原理图，它由馈源和微带阵列组成，馈源的相位

中心到各阵元的距离不同，为了实现窄波束和高增益的要求，可以通过改变各贴片单元的种类和尺寸来实现相位补偿。主要实现方法有:改变贴片的大小［4，5］;改变相位延长线的长度;使用相同大小的贴片但改变贴片的旋转角度［6］。本文中我们采用改变贴片尺寸的方法实现相位补偿。 图1 微带反射阵列天线原理图

对于设计的波束指向为(θb，φb)，根据阵列理论，我们得到阵列中第i的单元的相位关系应满足:

式(1)中(xi，yi)是第i个单元的坐标，k0是空气中的传播常数。同时，第i个单元处反射场的相位是由馈源到此单元的延迟相位和此单元反射系数相位共同组成:

式(2)中di是馈源相位中心到第i个贴片单元的距离，φR(xi，yi)是第i个单元反射系数相位。

通过式(2)可以计算出各个贴片单元所需补偿的相位，再根据仿真单元的相移曲线得到它们的尺寸，从而完成阵列的设计。

本文中我们采用馈源正馈的形式，且取阵面的轴向为最大辐射方向，即 φ(xi，yi)=0，φR(xi，yi)=k0di。 2 单元贴片的相移分析

分析阵列单元的移相特性时，我们假设阵元位于无限大的阵列环境中，并且各个贴片的尺寸完全一样，文献［7］中表明这种近似对于我们分析单元是可以的。为了得到较大的相移范围和较为平坦的相移曲线，需在介质板和接地板之间增加一层空气层(文中采用介电常数接近空气的泡沫材料)，同时单元采用方环和圆贴片复合的单元结构，如图2所示。 图2 单元结构示意图

方环的长和宽相等且均为L，环的宽度为w，圆贴片的半径为r，设定它们与L满足的比例关系为:w=k1L，r=k2L(k1，k2为 比例常数)，选用介质基片厚度为 t2，εr=2．2，σ =0．000 9，泡沫层的厚度为t1εr=1．07。

本文采用Ansoft HFSS对单元的反射相位特性进行仿真分析。单元的工作频率为10 GHz，当L从2 mm增加到16 mm时分析不同的t1，t2，k1，k2的值对反射相位的影响，如图3—图6所示。当空气层的厚度增加时，相移曲线的斜率越好，相移范围也有一定的增加;当介质基片的厚度增加时，相移范围也随着增加，但当t2=1．0 mm时，曲线近似为直线，效果较为理想;方环宽度主要影响相移曲线的斜率，对相移范围的影响不大;而圆贴片的尺寸对相移范围的影响很大，当L=(2—16)mm，k2=0．05时，相移范围仅为250°，而当k2=0．3时，相移范围可达到450°，而且此时的相移曲线斜率非常好，近似为直线。 图3 空气层厚度对反射相位的影响 图4 介质基片厚度对反射相位的影响 图5 方环宽度对反射相位的影响

通过优化各参数，得到当 t1=6 mm，t2=1．0 mm，k1=0．1，k2=0．3 时，相移范围达到近450°，满足了360°相移要求，且反射相位随尺寸变化近似呈线性关系，在设计时，相位调节准确，误差较小。且当频率变化时，相移曲线近似平行，如图7所示。

图6 圆贴片尺寸对反射相位的影响 图7 不同频率下的相移曲线 3 阵列设计

利用本文采用的复合结构，设计了7×7共49个单元，馈源使用角锥喇叭正馈，中心频率为10 GHz的方形平面反射阵列天线，根据(2)式和图7(f=10 GHz)确定各单元的尺寸，阵列结构如图8所示。

图8 阵列结构示意图

为了减少阵元之间的互偶，阵元间距设定为17 mm(约 0．56λ0)，介质基片的厚度为 t2=1．0 mm，介电常数为 εr=2．2，泡沫层的厚度为 t1=6．0 mm，比例常数 k1=0．1，k2=0．3。利用 Ansoft HFSS对整个阵列进行仿真。 图9 阵列天线在10 GHz时的仿真方向图 图10 不同频率下的阵列天线增益

阵列天线的方向图如图9所示，不同频率点上天线的增益如图10所示。仿真结果表明该阵列天线在中心频率 10 GHz上达到 19．5 dB，在(8．5—11．5)GHz范围内增益下降约为2．5 dB，半功率波瓣宽度约为13°。 4 结论

本文提出了单层方环和圆贴片复合结构作为微带反射阵天线单元，该单元具有多谐振点特性，能够有效地提高了天线的工作带宽。采用该单元设计了一个49单元反射阵列天线，仿真结果表明，该阵列天线在较宽的频带内实现了高增益，具有较高的工程实际应用价值。 参考文献

【相关文献】

1 Huang J．Microstrip reflectarray．IEEE AP-S/URSIsymposium，London，Canada，June 1991:612—615

2 Encinar JA．Design of two-layer printed reflectarray using patches of variable size．IEEE Trans Antennas Propagate，2001;49:1403—1410

3 Misran N，Cahill R，Fusco V．Design optimization of ring elements for broadband reflectarray antennas．Inst Elect Eng Proc Microw，Antennas Propagate，2003;150(6):440—444

4 Pozar D M，Metzler T A．Analysis of a reflectarray antenna using microstrip patches of

variable size．Electronics Letters，1993;29(8):657—658

5 Tsai F CE，Bialkowski M E．Designing a 161-element Ku-band microstrip reflectarray of variable size patches using an equivalent unit cell waveguide approach．IEEE Trans Antennas Propag，2003;51(10):2953—2962

6 Huang J，Pogorzelski R J．A Ka-band microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles．IEEE Trans．Antennas Propagate，1998;46:650—656

7 Tsay W J，Pozar D M．Radiation and scattering from infinite periodic printed antennas with inhomogeneous media．IEEE Transaction Antennas and Propagation，1998;46:1641—1650