基于随机点阵的平面反射阵列天线设计

田 楚， 刘宇峰， 赵明霞， 周向远

(山西大学 物理电子工程学院， 山西 太原 030006)

微带反射阵列天线具有低剖面、 重量轻、 成本低等优点， 已经在空间遥测、 航天器应用、 广播卫星服务等领域得到广泛的应用[1-4]. 微带反射阵列天线通常由馈源和平面反射阵列组成. 常见的反射单元类型有短线加载贴片[5,6]、 可变长度贴片[7,8]、 可变贴片旋转角度[9,10]、 孔径耦合贴片等[11,12].

与传统的方法完全不同， 本文提出了一种随机点阵结构的反射单元. 随机点阵结构在结构上具有高自由度， 这为高性能天线提供了极大的设计灵活性， 已经用于天线设计中[13-15]. 不同的点阵单元结构使得反射的电磁波具有不同的反射相位， 一旦产生足够数量的随机点阵反射单元能覆盖期望的相位补偿范围， 就可以形成对应于点阵结构的反射相位的查找表， 这简化了微带反射阵列天线的设计过程. 本文基于随机点阵反射单元设计了一款7×7微带反射阵列天线， 仿真和测试结果表明， 在工作频率5.8 GHz处， 天线的增益为 19.7 dBi， 阻抗带宽为 6.0% (5.71～6.06 GHz)， 主旁瓣比优于13.1 dB， 交叉极化小于-20 dB.

1 随机点阵反射单元设计

随机点阵反射单元的结构如图 1 所示， 单元划分为4个部分并且关于单元中心旋转对称， 其中每个部分包含8×8个边长为a的方形像素， 每个像素可以为金属或者介质， 采用二进制编码Pij(1≤i≤8; 1≤j≤8)表示每个像素的物理特性(金属(Pij=1)， 介质(Pij=0)).

图 1 随机点阵单元结构示意图Fig.1 Geometry of a fragmented element

整个单元结构的边长为L=31 mm(0.6λ0，λ0是5.8 GHz电磁波的自由空间波长)可以减少反射单元间的互耦以及分布式栅瓣的产生[16]. 随机点阵反射单元印刷在介电常数εr=4.4 厚度为h2=3 mm的介质基板上. 在介质基板和金属地板之间加有空气层， 空气层厚度为h3=7 mm.

为了抑制反射单元间的互耦， 在每个随机点阵反射单元周围添加金属方环. 如图 2 电场分布图所示， 在随机点阵反射单元加方形金属相对于没有方形金属时， 电磁能几乎被束缚在金属环内， 两个随机点阵反射单元之间的耦合效应明显减弱. 方形金属环与反射单元边缘之间的距离为L1， 金属环宽度为L2， 随机点阵反射单元结构与金属环之间的间距为L3.

图 2 5.8 GHz电场分布Fig.2 Simulated E-field distribution at 5.8 GHz

表 1 列出了反射相位关于L1，L2，L3和Pij参数变化的结果， 从表 1 中可知随着参数变化反射单元相位离散地分布在[-518.54°,-35.85°]， 可以覆盖360°范围， 满足微带阵列天线设计的要求.

表 1 反射相位随金属环参数变化结果Tab.1 The reflection phase varies with the metal ring parameters

2 基于随机点阵的微带反射阵列天线设计

本文基于随机点阵反射单元， 设计了一款7×7微带反射阵列天线. 它的工作频率是5.8 GHz， 口径尺寸为224 mm×217 mm. 如图 3 所示， 只有10个反射单元结构是不同的， 可以通过下面公式计算每个反射元件所需的相位补偿：

φ1=k(Ri-ri·r0),

式中：k是真空中的传播常数， 等于2π/λ；Ri是从馈源的相位中心到反射单元的距离；ri是从反射阵列中心到反射单元的矢量；r0是主波束方向上的单位矢量. 表 2 列出了每个随机点阵反射单元所需的相位补偿. 根据确定的随机点阵反射单元的结构参数加工制作了天线实物， 如图 4 所示. 馈源采用矩形贴片天线， 由两个FR4介质基板支撑， 地板和上层介质板之间用双头尼龙螺丝固定.

图 3 微带反射阵列天线的结构示意图Fig.3 The configuration of the microstrip reflectarray antenna

图 4 天线实物图Fig.4 Prototype of the fabricated antenna

ϕ1/(°)ϕ2/(°)ϕ3/(°)ϕ4/(°)ϕ5/(°)-324.3-294.1-264.0-209.6-183.2ϕ6/(°)ϕ7/(°)ϕ8/(°)ϕ9/(°)ϕ10/(°)-108.3-444.5-421.4-354.9-252.2

3 仿真和实测结果

使用Agilent E8362B矢量网络分析仪测量天线的反射系数， 如图 5 所示， 仿真和测量结果基本一致， -10 dB的阻抗带宽为6%. 在微波暗室中测量了该阵列天线的辐射方向图和增益， 由图 6 可看出， 在5.8 GHz工作频率下XZ平面和YZ平面上的测量和仿真辐射图吻合良好， 测得的旁瓣比主瓣低13 dB.

图 5 仿真和测量的S11Fig.5 Measured and simulated S11

图 6 测量和仿真的方向图

图 7 是将测量的两个天线增益进行比较， 其中一个天线采用随机点阵反射单元， 另一个采用随机点阵和方形金属环组合的反射单元. 结果表明， 与前一个天线相比， 带有方形金属环的微带反射阵列天线增益在5.5～6 GHz的频带范围内显著提高， 它在5.8 GHz的工作频率下将增益提高了2 dBi(从17.7 dBi增加到19.7 dBi).

图 7 5.6～6 GHz增益变化图Fig.7 Gain comparison with frequency varying from 5.6 to 6.0 GHz

4 结 语

本文提出了一种新颖的随机点阵反射单元， 该随机点阵反射单元在结构上具有高自由度， 可以获得广泛的相位分布， 这为反射阵列单元设计提供了一种新的方法. 为了减少元件之间的耦合并进一步改善天线的性能， 在每个随机点阵反射单元周围添加方形金属环. 基于这种随机点阵反射单元和方形金属环的组合设计并制造了一个微带反射阵列天线， 它由馈源和7×7随机点阵反射单元组成. 测量结果和仿真结果表明： 在5.8 GHz 的工作频率下， 天线实现了高达19.7 dBi的高增益， 阻抗带宽为6.0% (5.71～6.06 GHz)， 主旁瓣比优于13.1 dB， 交叉极化小于-20 dB， 印证了随机点阵结构设计反射单元的可行性.