基于頻率選擇表面的寬帶平面透鏡天線設計

王 瑜

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

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基于頻率選擇表面的寬帶平面透鏡天線設計

王 瑜

(中國電子科技集團公司第20研究所，西安 710068)

基于頻率選擇表面(FSSs)，設計了一種工作于24 GHz的平面透鏡天線，通過采用通帶內的多諧振點，增加頻率選擇表面的通帶帶寬以及相位的穩定性，從而達到展寬透鏡天線工作帶寬的目的，給出了這種透鏡天線的設計理論及設計流程，分析了仿真過程及結果，并通過對方向圖的實測驗證了設計理論。

頻率選擇表面；平面透鏡；高增益天線；增益方向圖；電磁仿真

0 引 言

透鏡的作用是將喇叭天線、單極子等饋源輻射電磁波的球面波前轉化為平面波前，從而提高天線的增益。與反射面天線一樣，透鏡天線也是微波領域定向高增益天線的有效解決方案。傳統的透鏡天線設計可以借鑒光學透鏡的方法(光程法)，設計簡單且比反射面天線更具成本優勢。隨著印制電路板(PCB)技術的提升，使用頻率選擇表面(FSSs)替代傳統的透鏡逐漸進入人們的視野[1-2]。FSSs技術應用于透鏡天線具有易于加工、低剖面、易于與系統集成等優點，具有極高的研究價值和應用潛力。

1 設計原理

圖1所示為一個典型的平面透鏡天線的結構組成。與傳統的透鏡天線類似，平面透鏡天線由初級饋源和多層頻率選擇表面構成的透鏡組成。如圖1(a)所示，初級饋源的球面波前傳經透鏡后轉化為平面波前。圖1(a)中參數F為饋源相位中心至透鏡中心的距離，參數Ri為相位中心至頻率選擇表面陣列中的第i個單元的距離。為了增加透鏡的工作帶寬，需要使用多層頻率選擇表面的結構以增加頻率選擇表面通帶的諧振點個數，如圖1(b)所示。

與傳統透鏡天線依據光程法設計有所不同，平面透鏡天線通過頻率選擇表面對電磁波傳輸相位的補償達到聚束的作用。由于饋源輻射出的球面波前到達頻率選擇表面時，相位中心與每個頻率選擇表面單元之間的路徑差導致了相應的相位差，為了將球面波前轉化為平面波前，就需要頻率選擇表面單元對不同路徑的相位差予以補償。補償相位的方法有多種，本文使用等比例縮放頻率選擇表面單元尺寸來實現。等比例縮放會造成頻率選擇表面的頻率響應在頻譜內偏移，這需要頻率選擇表面有足夠的帶寬承受偏移造成的損耗增加。為了得到寬頻帶的頻率選擇表面頻率響應特性，本文設計了一種新型多層頻率選擇表面單元結構，如圖2所示。

圖1 典型平面透鏡天線結構

圖2 本文提出的新型多層FSSs單元幾何尺寸(單位：mm)

本文提到的多層FSSs結構特指由2層貼片單元層和1層耦合縫隙層以及2層介質層構成的多層結構。本文以24 GHz作為設計工作的頻段，選取電參數為εr=2.8以及 tanδ=0.003的1 mm厚度PCB板材。如圖2所示，貼片單元層的每個單元是由4個完全相同、依次旋轉90°的矩形貼片構成，耦合縫隙層是由對應4個相同矩形縫隙構成。圖中標注的參數a為等比例縮放參數。每個單元對應不同的參數a，從而得到不同的傳輸相位，已起到相位補償的作用。

如圖3所示，本文設計一種寬帶FSSs單元。從其頻率響應曲線來看，該結構具有4個諧振點。通常縫隙耦合式的貼片型FSSs最多具有3個諧振點，為了增加帶寬而又不增加單元層數，本文在設計單元時著重諧振點的控制。圖3中，從左至右前2個諧振點的諧振頻率由貼片尺寸控制。第3個諧振點的頻率由縫隙尺寸確定。第4個諧振點則由各層之間的間距控制，通過調整層間距可以使層間產生很強的能量聚合從而形成諧振。可以看出平滑的插入損耗可以保證透鏡天線增益的平坦度。

圖3 本文提出FSSs結構的頻率響應曲線(a=1.08)

為了保證透鏡天線在很寬的頻帶內工作，需要相位補償在很寬的頻帶內保持穩定。從圖4中可以看出，在單元幾何尺寸等比例縮放過程中，各曲線相位差保持穩定。這個曲線可以與峰值增益的曲線對應起來，在后面峰值增益的測試結果中可以印證這一點。

圖4 傳輸相位隨幾何縮放參數a的變化規律

2 透鏡天線設計實例與測試結果

在本節中，基于上文給出的新型FSSs單元做出了一個實際透鏡天線設計，并最終給出測試結果。本課題采用圖2所示的單元結構，構成一個15×15的單元陣列(總尺寸為135 mm×135 mm)。陣列中各單元的尺寸按照需要補償的相位值進行等比例縮放。補償相位值φi可以根據下式進行計算[3]：

(1)

式中：λ0為工作頻率的波長；φ0為初始相位；N為任意整數，以保證φi取值在-π～π之間。

為了抑制天線旁瓣，需要在設計中避免邊緣效應，使饋源輻射電磁波在透鏡邊緣處的電場小于-15 dB。依據這一原則，得到F為108.2mm。為了減小插入損耗及保證通帶內回波損耗，即S21>-1 dB，S11<-10 dB，結合得到的焦距F尺寸，最終確定幾何縮放參數a的選值區間為0.87～1.13。

在該取值區間內，傳輸相位分布在-178.6°～-467.2°。基于以上理論，最終設計的透鏡結構圖如圖5所示。

圖5 本文設計的平面透鏡實例

本文對圖5所示透鏡實例進行了測試。按圖1所示構成平面透鏡天線系統，分別測試了透鏡天線的峰值增益以及方向圖,如圖6、圖7所示。

圖6 仿真及實測峰值增益對比

圖7 仿真及實測方向圖對比

由圖6可以看出，測試得到的峰值增益與仿真結果非常貼合。在20～26 GHz頻帶內，使用透鏡后增益較標準喇叭天線提高10 dB以上。由圖7可以得到，在20～26 GHz頻帶內，天線均得到了高增益、低副瓣的增益方向圖，且實測結果與仿真結果貼合。增益大于23 dB，第一副瓣電平小于-18 dBc，符合高增益、低副瓣要求。

3 結束語

本文研究了采用相位補償法設計平面透鏡天線的理論，給出了一種新型具有寬帶特性的縫隙耦合型貼片FSSs單元。并基于這種新型寬帶單元，設計了一種在20～26 GHz頻帶內滿足高增益、低副瓣要求的平面透鏡天線。對設計的天線進行實際加工并測試，實測結果符合仿真預期，從而驗證了設計理論。

[1] Shibayama R，Deguchi H，Tsuji M.Flat thin polarizer-lens based on multiple resonance behavior[A].IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest[C],2010:1-4.

[2] Datthanasombat S,Prata A,Amaro L R,Harrell J A,Spitz S,Perret J.Layered lens antennas[A].IEEE Antennas and Propagation Symposium Digest[C],2001:777-780.

[3] Pozar D M.Flat lens antenna concept using aperture coupled microstrip patches[J].Electronic Letters,1996,32(23):2109-2111.

Design of Broadband Flat Lens Antenna Based on Frequency Selective Surfaces

WANG Yu

(The 20th Research Institute of CETC，Xi'an 710068，China)

This paper designs a 24 GHz flat lens antenna based on frequency selective surfaces (FSSs),increases the passband bandwidth of FSSs and phase stability by using multiple resonance points within passband to extend operating bandwidth of lens antenna,presents the design theory and design flow of this lens antenna,analyzes the simulating process and result,and validates the design theory through actual test of the pattern.

frequency selective surfaces; flat lens;high gain antenna;gain pattern;electromagnetic simulation

2015-03-09

TN821.5

A

CN32-1413(2015)02-0085-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.02.022