1、引言

微帶反射陣天線是拋物面天線和微帶陣列天線相結(jié)合的產(chǎn)物。它用刻蝕有微帶貼片的平面陣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拋物面，通過平面陣上的每個(gè)微帶陣元的相位延遲線來調(diào)節(jié)相位，使反射陣和拋物面一樣有等相位面。

反射陣天線結(jié)合了拋物面天線和陣列天線的一些優(yōu)點(diǎn)，具有體積小、重量輕、易折疊、易共形、成本低、制作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，使得它不僅可用在航天航空探測(cè)、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等軍事領(lǐng)域，也可以應(yīng)用在接收數(shù)字電視廣播、交通預(yù)警等民用領(lǐng)域。

但是與拋物面天線相比較，微帶反射陣天線有一個(gè)致命的缺陷：窄帶特性，這主要是由反射陣單元的相位變化范圍有限(<360°）以及相位變化曲線陡峭造成的。本文針對(duì)這一缺陷，提出了一種新型的單層寬帶反射陣單元，能夠?qū)崿F(xiàn)360°以上的線性的相位變換。利用這種新型的寬帶單元設(shè)計(jì)相應(yīng)的反射陣天線，驗(yàn)證了該反射陣單元的寬帶特性。（短波天線的制作方法）

2、反射陣天線介紹

微帶反射陣天線由微帶陣列和饋源構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。在反射平面上有許多的微帶反射單元，從饋源發(fā)出的波照射在平面陣列上，通過這些微帶單元調(diào)節(jié)入射波的散射相位，使得波從單元再反射出去時(shí)在特定的方向形成同相位，發(fā)出方向性極強(qiáng)的筆形波束。

反射陣天線的設(shè)計(jì)中，帶寬是非常重要的一個(gè)指標(biāo)。而這恰恰是反射陣設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)。反射陣天線帶寬主要由其單元設(shè)計(jì)、孔徑尺寸、焦距等決定，一般不會(huì)超過10%。對(duì)于小尺寸的微帶反射陣來說，影響其帶寬的最重要的因素是單元的帶寬。而對(duì)于大尺寸或超大尺寸的反射陣來說，還有一個(gè)不可忽視的因素是不同的空間相位延遲。近年來出現(xiàn)了很多的展寬反射陣帶寬的方法，最主要的是通過展寬單元的帶寬來實(shí)現(xiàn)的。在展寬帶寬之后，反射陣天線在性能上亦能與拋物面天線相比擬。（一種RFID小型圓極化四臂螺旋天線的設(shè)計(jì)）

圖1  反射陣天線結(jié)構(gòu)示意圖

3、反射陣單元分析

3.1、反射陣寬帶單元的設(shè)計(jì)

圖2給出了新型微帶反射陣單元的結(jié)構(gòu)圖。該單元工作的中心頻率為12GHz，微帶貼片置于邊長(zhǎng)為17mm（約為0.68λ）的方形介質(zhì)板中心。介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)2.65、厚度為0.79mm，且與地板之間有3mm的空氣層。介質(zhì)板上層的貼片單元具體結(jié)構(gòu)如圖2 (b)所示，其尺寸相對(duì)大小在圖中給出。

(a) 側(cè)視圖

(b) 俯視圖

圖2  新型反射陣單元結(jié)構(gòu)示意圖

3.2、反射陣單元移相特性分析

為了驗(yàn)證上一小節(jié)中設(shè)計(jì)的反射陣單元的相移特性并估計(jì)其帶寬，在Ansoft HFSS中，對(duì)該單元進(jìn)行建模仿真。具體仿真結(jié)果如圖3-圖4所示。

圖3  12GHz時(shí)，相位曲線圖

圖4  不同頻率時(shí)相位曲線圖

從圖3可以看出，該新型結(jié)構(gòu)的單元能夠獲得400°（對(duì)應(yīng)單元尺寸為2.5mm～4mm）的線性相位變化曲線，且曲線坡度較平緩。圖4給出了在一定的頻率范圍之內(nèi)該反射陣單元的相位變化曲線對(duì)比圖，由此可以看出該單元具有寬帶特性，能夠應(yīng)用于寬帶反射陣的設(shè)計(jì)。

4、反射陣天線設(shè)計(jì)及性能分析

由于本文預(yù)期設(shè)計(jì)的是一個(gè)49單元正饋反射陣，屬于較小規(guī)模反射陣，為了減少饋源的遮擋效應(yīng)，應(yīng)采用尺寸較小的天線作饋源，再加上要求具有一定的帶寬，因此采用端射式漸變槽天線做饋源。該饋源在Ansoft HFSS中的模型如圖5所示，中心頻率12GHz，帶寬9~15GHz。

圖5  漸變槽天線結(jié)構(gòu)

在確定了饋源、單元結(jié)構(gòu)及陣列間距以后，再計(jì)算不同位置的單元的路徑差，從而根據(jù)反射陣單元相位曲線圖合理設(shè)計(jì)每個(gè)輻射單元的大小以補(bǔ)償從饋源到每個(gè)貼片的相位延遲，使每個(gè)輻射單元沿+z軸方向達(dá)到同相。整個(gè)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，方形反射平面的邊長(zhǎng)為119mm,焦距為120mm。

圖6  反射陣天線示意圖

在Ansoft HFSS中對(duì)此反射陣天線進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7-圖9所示。

圖7  12.5GHz時(shí)，反射陣天線輻射方向圖

此反射陣在12.5GHz時(shí)獲得最高增益19.6GHz。圖7給出了12.5GHz時(shí)，反射陣天線E面方向圖，可以看出該方向圖主波束寬度達(dá)10°，第一副瓣電平低于-15dB。圖8給出了低頻、中心頻率以及高頻三個(gè)頻點(diǎn)處的輻射方向圖。從圖中可以看出整個(gè)帶寬內(nèi)天線的輻射方向圖具有很高的一致性。反射陣增益隨頻率（9GHz~15GHz）的變化圖在圖9中給出。綜上，整個(gè)天線在12.5GHz時(shí)達(dá)到最高增益19.6dB，且在1dB增益帶寬（11GHz~14.7GHz）內(nèi)方向圖性能均良好，可見此反射陣單元可應(yīng)用于寬帶設(shè)計(jì)。

圖8  不同頻率時(shí)的輻射方向圖

圖9  反射陣天線增益圖

5、結(jié)論

與傳統(tǒng)的單層反射陣單元相比較，本文提出的新型單元結(jié)構(gòu)能夠獲得大于360°的線性相位曲線范圍。利用這一新型單元設(shè)計(jì)的49元反射陣能夠?qū)崿F(xiàn)最高增益19.6dB，1dB增益帶寬28.8%（11GHz～14.7GHz），可見該新型單元具有展寬帶寬的性能，能夠應(yīng)用于寬帶反射陣的設(shè)計(jì)。