一種毫米波超材料反射面天線設計

聶星河，范逸風，孫永志，繆 偉

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

隨著微波毫米波技術在雷達、成像和通信系統中的快速發展，高增益（大于25 d Bi）、高定向性天線受到了越來越多的關注[1-3]。出于高增益的需求，利用空氣饋電的形式實現大口徑的反射面天線成為了研究的重點。傳統的拋物面天線采用金屬結構，尺寸較大且笨重，不利于系統集成。因此，無論從技術發展還是系統集成需求的角度出發，研究平面結構的反射面天線都具有重要意義[4-6]。

超材料是指將具有特定幾何形狀的亞波長宏觀基本單元周期性排列所構成的人造電磁材料[7-8]。理論上超材料可以實現任意介電常數與磁導率，因而廣受關注。由于超材料具有控制電磁波的特性，可以將其應用于平面反射陣天線的設計當中。傳統的反射面天線利用曲面的形狀來實現波束聚焦的功能，而本文的設計中采用介質打孔型超材料這種結構實現波束匯聚。通過調節超表面材料單元的各個物理尺寸以實現所需的相位補償值，并將具有不同相位補償值的各個超表面材料單元按照一定的相位分布進行排布，最終實現這種新型平面反射陣。

1 平面超材料反射陣相位補償原理

傳統的拋物面天線依靠反射面外形對饋源發出的球面波進行補償，使其“加速”轉換為平面波，從而提高天線的增益。超材料結構具有操縱電磁波的特性，可以用于反射面天線的設計當中。通過調節組成超材料結構的各個單元的物理尺寸以實現不同的相位補償值。再將各個移相單元按一定的相位分布排布。這種超材料反射面可以像傳統的拋物面天線一樣匯聚波束。

目前，研究者使用最頻繁的基本結構主要有電諧振結構、磁諧振結構和非諧振的介質打孔結構。其中電磁諧振結構的應用帶寬較窄，本文使用介質打孔結構實現超材料單元。

為驗證理論的正確性，使用HFSS仿真軟件對介質打孔型超材料單元進行了一系列仿真。圖1給出了這種超材料單元在仿真軟件中的模型圖。通過在介質上打孔并調整孔徑的大小來調整介質與空氣的比例，由此調整移相單元的相位補償值。移相單元的尺寸為3.2 mm×3.2 mm，單孔結構在仿真中會出現諧振，因此采用4孔結構。單元的厚度就是透鏡的厚度為2.54 mm，使用介電常數10.2的Rogges 6010LM介質基板。單元孔徑的變化范圍是0.20～0.76 mm。單元的底部為整塊金屬反射板。

圖1 超材料單元模型圖

圖2給出了在不同頻率、不同孔徑條件下，超材料移相單元的相移曲線。從相移曲線可以看出，當孔徑在0.20～0.76 mm之間時，移相單元的相移值可以覆蓋0°～360°。

圖2 超材料移相單元在不同孔徑下的移相能力

2 反射面設計

超材料反射面天線設計的核心是反射面的相位補償設計。這種平面反射面天線不再依靠拋物面外形匯聚波束，而是通過超材料單元對饋源發出的球面波進行補償，使其轉換為平面波，從而提高波束的增益。圖3為平面反射陣相位補償示意圖。在反射面天線的設計中，除了移相單元，焦徑比F/D是另一個重要的參數，反射面的直徑D（口徑）越大，天線的增益也越高。而對于焦距F，一般希望越小越好，以降低反射面的剖面。但是過小的焦徑比會導致反射面的相位誤差，從而導致反射面增益的降低，通常反射面天線的焦徑比設為0.5～1之間。本設計中，反射面直徑為120 mm，焦距F設為90 mm，焦徑比F/D=0.75。正如上文中提到的，反射面表面每一位置連續的相移可以將球面波轉換為平面波。每個位置對應的補償相位可以由以下公式計算得出[9]：

圖3 反射面天線相位補償示意圖

式中，λ0為設計頻率下自由空間中的波長，r為反射面中心到反射面表面上任意一點的距離，φ為各個超材料移相單元的補償相位。各個移相單元的相位補償值應該為0°～360°，需要對超出部分減去N個波長，所以在公式末尾添加了2πN。

饋源天線的形式是反射陣設計的另一個重點。對于反射面來說，饋源天線的口徑應該足夠小，以降低反射陣中普遍存在的口徑遮擋問題。但饋源的口徑也不能無限減小，這樣意味著低增益與方向性差，導致電磁繞射，會降低反射陣天線的口徑效率和增益。在本設計中，饋源天線采用常規的喇叭天線，該饋源天線在35 GHz時的遠場方向圖如圖4所示，增益在8 d Bi左右。

圖4 饋源天線在35 GHz的遠場3D方向圖

3 整體天線仿真結果

圖5為整個反射面天線在CST中的模型圖，整個反射面直徑為120 mm，分為了8個圓環區域，每2個區域之間的間隔為15 mm，每個區域對應著一個相位補償值。反射面使用介電常數10.2的介質基板，厚度為2.54 mm。

圖5 超材料反射面天線在CST中的模型圖

圖6為反射面天線在35 GHz時遠場3D方向圖，和圖4中饋源喇叭的方向圖相比，反射面大大壓縮了饋源天線的波束，在35 GHz頻率處提升了大約18 d B的增益。圖7（a）與（b）分別為33～37 GHz時反射面天線E面和H面的遠場方向圖。從圖7中可以看出，這種反射面天線具有低旁瓣電平的優點。圖8給出了30～40 GHz頻率范圍內反射面天線的增益與饋源天線的增益對比。可以看出，反射面天線在32～37 GHz頻率范圍內增益大于26 d Bi。

圖6 反射面天線在35 GHz處遠場3D方向圖

圖7 反射面天線的遠場方向圖（33～37 GHz）

圖8 反射面天線增益

4 結束語

本文提出了一種應用于毫米波頻段的超材料反射面天線，和傳統立體結構的反射面天線相比，這種新型超材料反射面為平面結構，具有低成本、輕量化、易于集成等優點。這種反射面天線在32～37 GHz頻率范圍內增益大于26 d Bi，同時歸一化后的副瓣電平小于-18 d B。該天線可以在衛星通信、氣象雷達等多個應用場景中取代傳統金屬反射面天線，具有很高的工程應用價值。