一种毫米波超材料反射面天线设计

聂星河，范逸风，孙永志，缪 伟

（中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京210007）

0 引言

随着微波毫米波技术在雷达、成像和通信系统中的快速发展，高增益（大于25 d Bi）、高定向性天线受到了越来越多的关注[1-3]。出于高增益的需求，利用空气馈电的形式实现大口径的反射面天线成为了研究的重点。传统的抛物面天线采用金属结构，尺寸较大且笨重，不利于系统集成。因此，无论从技术发展还是系统集成需求的角度出发，研究平面结构的反射面天线都具有重要意义[4-6]。

超材料是指将具有特定几何形状的亚波长宏观基本单元周期性排列所构成的人造电磁材料[7-8]。理论上超材料可以实现任意介电常数与磁导率，因而广受关注。由于超材料具有控制电磁波的特性，可以将其应用于平面反射阵天线的设计当中。传统的反射面天线利用曲面的形状来实现波束聚焦的功能，而本文的设计中采用介质打孔型超材料这种结构实现波束汇聚。通过调节超表面材料单元的各个物理尺寸以实现所需的相位补偿值，并将具有不同相位补偿值的各个超表面材料单元按照一定的相位分布进行排布，最终实现这种新型平面反射阵。

1 平面超材料反射阵相位补偿原理

传统的抛物面天线依靠反射面外形对馈源发出的球面波进行补偿，使其“加速”转换为平面波，从而提高天线的增益。超材料结构具有操纵电磁波的特性，可以用于反射面天线的设计当中。通过调节组成超材料结构的各个单元的物理尺寸以实现不同的相位补偿值。再将各个移相单元按一定的相位分布排布。这种超材料反射面可以像传统的抛物面天线一样汇聚波束。

目前，研究者使用最频繁的基本结构主要有电谐振结构、磁谐振结构和非谐振的介质打孔结构。其中电磁谐振结构的应用带宽较窄，本文使用介质打孔结构实现超材料单元。

为验证理论的正确性，使用HFSS仿真软件对介质打孔型超材料单元进行了一系列仿真。图1给出了这种超材料单元在仿真软件中的模型图。通过在介质上打孔并调整孔径的大小来调整介质与空气的比例，由此调整移相单元的相位补偿值。移相单元的尺寸为3.2 mm×3.2 mm，单孔结构在仿真中会出现谐振，因此采用4孔结构。单元的厚度就是透镜的厚度为2.54 mm，使用介电常数10.2的Rogges 6010LM介质基板。单元孔径的变化范围是0.20～0.76 mm。单元的底部为整块金属反射板。

图1 超材料单元模型图

图2给出了在不同频率、不同孔径条件下，超材料移相单元的相移曲线。从相移曲线可以看出，当孔径在0.20～0.76 mm之间时，移相单元的相移值可以覆盖0°～360°。

图2 超材料移相单元在不同孔径下的移相能力

2 反射面设计

超材料反射面天线设计的核心是反射面的相位补偿设计。这种平面反射面天线不再依靠抛物面外形汇聚波束，而是通过超材料单元对馈源发出的球面波进行补偿，使其转换为平面波，从而提高波束的增益。图3为平面反射阵相位补偿示意图。在反射面天线的设计中，除了移相单元，焦径比F/D是另一个重要的参数，反射面的直径D（口径）越大，天线的增益也越高。而对于焦距F，一般希望越小越好，以降低反射面的剖面。但是过小的焦径比会导致反射面的相位误差，从而导致反射面增益的降低，通常反射面天线的焦径比设为0.5～1之间。本设计中，反射面直径为120 mm，焦距F设为90 mm，焦径比F/D=0.75。正如上文中提到的，反射面表面每一位置连续的相移可以将球面波转换为平面波。每个位置对应的补偿相位可以由以下公式计算得出[9]：

图3 反射面天线相位补偿示意图

式中，λ0为设计频率下自由空间中的波长，r为反射面中心到反射面表面上任意一点的距离，φ为各个超材料移相单元的补偿相位。各个移相单元的相位补偿值应该为0°～360°，需要对超出部分减去N个波长，所以在公式末尾添加了2πN。

馈源天线的形式是反射阵设计的另一个重点。对于反射面来说，馈源天线的口径应该足够小，以降低反射阵中普遍存在的口径遮挡问题。但馈源的口径也不能无限减小，这样意味着低增益与方向性差，导致电磁绕射，会降低反射阵天线的口径效率和增益。在本设计中，馈源天线采用常规的喇叭天线，该馈源天线在35 GHz时的远场方向图如图4所示，增益在8 d Bi左右。

图4 馈源天线在35 GHz的远场3D方向图

3 整体天线仿真结果

图5为整个反射面天线在CST中的模型图，整个反射面直径为120 mm，分为了8个圆环区域，每2个区域之间的间隔为15 mm，每个区域对应着一个相位补偿值。反射面使用介电常数10.2的介质基板，厚度为2.54 mm。

图5 超材料反射面天线在CST中的模型图

图6为反射面天线在35 GHz时远场3D方向图，和图4中馈源喇叭的方向图相比，反射面大大压缩了馈源天线的波束，在35 GHz频率处提升了大约18 d B的增益。图7（a）与（b）分别为33～37 GHz时反射面天线E面和H面的远场方向图。从图7中可以看出，这种反射面天线具有低旁瓣电平的优点。图8给出了30～40 GHz频率范围内反射面天线的增益与馈源天线的增益对比。可以看出，反射面天线在32～37 GHz频率范围内增益大于26 d Bi。

图6 反射面天线在35 GHz处远场3D方向图

图7 反射面天线的远场方向图（33～37 GHz）

图8 反射面天线增益

4 结束语

本文提出了一种应用于毫米波频段的超材料反射面天线，和传统立体结构的反射面天线相比，这种新型超材料反射面为平面结构，具有低成本、轻量化、易于集成等优点。这种反射面天线在32～37 GHz频率范围内增益大于26 d Bi，同时归一化后的副瓣电平小于-18 d B。该天线可以在卫星通信、气象雷达等多个应用场景中取代传统金属反射面天线，具有很高的工程应用价值。