基于反射陣技術的平面型副反射面設計方法

武彥飛，何應然，張文靜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

基于反射陣技術的平面型副反射面設計方法

武彥飛，何應然，張文靜

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊050081)

提出一種基于反射陣技術的平面型副反射面設計方法。根據雙反射面天線的焦點變換關系，得到了平面型副反射面的相位補償規律。采用開口環形單元設計了一種平面型副反射面，將初級饋源±20°的入射波束轉化為照射角為±35°的散射波束。仿真對比了散射波束照射天線主面的口徑效率。采用所設計的平面型副反射面，天線口徑效率達到61.14%，與金屬副面64.02%的口徑效率相差無幾。平面型副反射面采用印制板工藝制作，具有精度高和成本低的技術優勢。

平面反射陣；副反射面；相位補償；波束整形

0 引言

反射陣天線綜合了拋物面天線和傳統微帶陣列天線的雙重優點。與傳統微帶貼片陣列天線相比，平面反射陣天線沒有功分網絡，所以不存在饋電損耗，因此它有較高的輻射效率[1]；與拋物面天線相比，平面反射陣列天線體積小、剖面低、重量輕，其平面結構可折疊，易于與其他物體共形[2]。

將平面反射陣直接作為高增益天線使用[3]，目前已有大量相關的設計和研究[4-6]。近些年，又有人提出將平面反射陣應用于雙反射面天線代替傳統的雙曲面副面[7-8]，這種緊縮型的雙反射面天線，具有剖面低、易加工及成品率高等優勢[9]，具有廣闊的應用前景。

本文提出一種平面型副反射面的設計方法。通過改變開口環單元的開口旋向，實現了對圓極化波由20°入射角轉變為35°出射角的反射移相和波束整形功能，設計了后饋的雙反射面天線并進行仿真驗證，結果與采用標準雙曲面金屬作為副面時的電氣指標相差無幾。

1 設計原理

反射陣面是由大量反射陣單元組成的平面陣列[10]。其工作機理是：電磁波從喇叭饋出以后，沿著不同的傳輸路徑到達每個反射陣單元，傳輸路徑長度的差異將導致各單元所接收的入射場發生不同的空間相位延遲，通過合理設計每個單元，使其能對入射場進行適當相位補償，讓反射場在天線口徑面上形成所需的散射波相位波前[11]。

平面反射陣用作副面時，示意圖如圖1所示，其對后饋饋源產生的電磁波同時起到調節反射相位和波束整形的作用。通過改變結構單元的尺寸或旋轉結構單元的取向，實現調制副面上每一個局部對電磁波的反射相位。此外，其對應散射波的相位中心還要與主反射面的焦點重合。為達到這一要求，副面上各點的移相角度Δφ要有規律地調整。

圖1 反射陣副反射面示意圖

根據惠更斯原理，可以得到Δφ的計算公式如下：

(1)

式中，r為副反射面上某點到副反射面中心的距離，d1為后饋饋源相位中心到副反射面的距離，d2為副反射面到主反射面的距離，f為工作頻率，c為光速。

2 平面型副面單元設計

反射陣典型的單元類型主要有以下3種[12]：第1種是加載傳輸線型單元，即反射陣列中每個貼片的尺寸大小都相同，通過調節與之連接的微帶線的長度來調節相移量；第2種是尺寸可變型單元，陣列中每個貼片具有不同的尺寸，通過合理選擇每個貼片的尺寸大小來提供合適的相移量；第3種是旋轉型單元，陣列中每個貼片的形狀大小完全相同，但是旋轉的角度不同，通過選擇合適的旋轉角度來提供所需相位延遲。由于旋轉型單元所有的單元尺寸相同，且都工作在諧振頻率，天線的效率較高，所以這種類型的圓極化單元較前面2種線極化單元更具優勢[13]。

本文設計的平面型副反射面單元采用旋轉型的開口環結構，為改善單元的寬角出射特性，單元采用三角形排陣方式，如圖2所示。通過旋轉開口旋向，實現對入射波的反射調相。單元工作的中心頻率為8.5 GHz,單元周期取P=15 mm，約為0.43λ。圓環外徑R=5.5 mm，線寬w=1.6 mm，介質板厚度t=4 mm。金屬環的開口角度為30°，介質板的介電常數為2.2。

利用CST全波仿真方法對這種三角形排陣的開口環單元的反射相位特性進行了仿真分析，如圖3所示，并根據仿真結果可以得出，旋轉型單元具有線性反射相位特性：當單元旋轉角度ψ時，則反射波主極化的相移量為2ψ，即這種開口環單元旋轉一周可以實現720°的移相范圍。

圖2 旋轉型開口環單元

圖3 開口環單元在中心頻點處的反射相移曲線

3 設計實例及結果

為了驗證平面反射陣作為副面使用的可行性，本文利用上述開口環單元組建了一個口徑為0.52m的平面反射陣副面。如圖4所示，該副面僅包含一層射頻印制板。印制板的上表面排布了大量取向各不相同的反射陣單元，下表面為金屬背板。副面不同位置的單元取向根據式(1)確定。副面的初級饋源選用波紋喇叭，該喇叭的10dB照射角為±20°。使用HFSS電磁仿真軟件計算了初級饋源照射平面型副面后的電磁波特性。如圖5(a)所示，初級饋源的波束經過副面的散射作用后，其10dB照射角由±20°轉變為±35°。同時副面的散射方向圖具有確定的相位中心，如圖5(b)所示。

圖4 平面反射陣副面模型

圖5 平面反射陣副面散射波

為進一步驗證反射陣副面的性能，將初級饋源照射副面后形成的散射方向圖用于照射口徑為5.4m、焦徑比為0.78的標準拋物面天線。焦徑比0.78對應散射波束的照射角±35°。利用GRASP電磁軟件進行仿真計算，得到天線的增益方向圖如圖6所示，在中心頻點f=8.5 GHz處，最大增益為51.5 dB，對應口徑效率為61.14%。

作為對比，本文還仿真了金屬副反射面的散射特性；進而仿真了采用金屬副面的天線系統的輻射性能。圖7是波紋喇叭饋源照射金屬副面的散射方向圖特性。圖8是采用金屬副面的雙反射面天線的增益方向圖。其中，金屬副面的口徑與反射陣副面的口徑相同，金屬副面的外形為標準的雙曲面。

圖6 副面為平面反射陣的天線增益方向圖

圖7 金屬雙曲面副面散射波增益方向圖

圖8 副面為金屬雙曲面的天線增益方向圖

表1對比了采用2種不同類型的副面時，天線主面的增益、效率和交叉極化特性的仿真結果。

表1 2種副反射面結構的性能對比

由表1可以看出，本文設計的平面反射陣副面的天線增益為51.5 dB、效率為61.14%，與金屬雙曲面副面相比，增益僅降低0.2 dB。交叉極化的對比結果表明，反射陣作為副面的主極化與交叉極化的差值約為35 dB，相比于金屬雙曲面約為50 dB的差值，極化隔離指標明顯下降。盡管如此，對大多數應用場合來說，35 dB的交叉極化已經能夠滿足實際需求。

4 結束語

本文提出一種平面型副反射面的設計方法。采用基于旋轉型開口環單元的平面型反射陣副面，通過改變開口環單元的開口旋向，實現了對圓極化波由20°入射角轉變為35°出射角的波束整形。在GRASP軟件中仿真計算了平面型副面照射天線主面的電氣性能。仿真結果表明，在中心頻點8.5 GHz處，天線最大增益為51.5 dB，口徑效率61.14%；與采用標準雙曲面金屬作為副面時，其最大增益為51.7 dB，口徑效率64.02%的結果接近。這表明，該方法不僅原理上可行，而且具有強大的技術競爭力。

最后要強調的是，本文給出的設計實例僅適用于圓極化的電磁波。但是設計方法可以推廣到雙線極化和雙圓極化的天線系統中，只要合理選取相應的反射陣單元即可。

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[13]趙明洋,張廣求.寬帶圓極化微帶反射陣列研究[D].鄭州：解放軍信息工程學院，2013.

Design on a Flat Sub-reflector Based on Reflectarray Technique

WU Yan-fei,HE Ying-ran,ZHANG Wen-jing

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

This paper presents the design on a flat sub-reflector based on reflectarray technique.The required phase compensation is obtained by studying the focal distance relation.A flat sub-reflector composed of split-ring elements is designed to convert the primary feed beam with ±20°radiation angle into scattered beam with ±35°radiation angle.The aperture efficiencies of the main reflector illuminated by the scattered beams are simulated and compared.It is found that the aperture efficiency reaches 61.14% when the flat sub-reflector is used,which is very close to the aperture efficiency of 64.02% when metallic sub-reflector is used.The flat sub-reflector can be fabricated with standard planar circuit board technique,which has the advantages of high precision and low cost.

flat reflectarray;sub-reflector;phase compensation;beam conversion

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.01.19

武彥飛,何應然,張文靜.基于反射陣技術的平面型副反射面設計方法[J].無線電通信技術,2017,43(1):77-80.

2016-10-20

河北省應用基礎研究計劃重點基礎研究項目(16960404D)

武彥飛(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：電磁場與微波技術。張文靜(1962—)，男，研究員，主要研究方向：衛星通信地球站天線、微波天線、饋源系統等。何應然(1986—)，男，博士，主要研究方向：超材料天線技術。

TN821

A

1003-3114(2017)01-77-4