一种微带反射阵列天线单元特性研究

1、一种微带反射阵列天线单元特性研究陈虎1 郑雪飞2 李小秋1( 南京电子技术研究所， 南京210039 1 (天线与微波技术国防重点实验室，南京 2100132摘 要：带开路短截线的贴片是微带反射阵列天线设计中最常用的单元形式之一。结合应用于民用航天领域的薄膜反射阵列天线设计，比较和分析不同物理参数、阵列环境下单元电讯性能变化特点，并优化设计单层薄膜反射阵列天线试验阵面，给出分析结果，供不同应用背景下的反射阵列天线设计参考。 关键词：反射阵列天线；贴片单元；开路短截线Performance Analysis of a Microstrip Rflectarray ElementCHEN Hu1,

2、 ZHEN Xue-fei2, LI Xiao-qiu1,( Nanjing Resrarch Institute of Electronics Technology , Nanjing Jiangsu, 2100391( National Key Laboratory of Antenna and Microwave Technology, Nanjing Jiangsu, 2100132Abstract: The patch with open ended stubs is popularly used for microstrip reflectarray. For designing

3、membrance reflectarray antennas in a civilian space program, this paper compared the effects of various conditions and get the change rules, optimized one single-layer membrane reflectarray antenna. The results provide reference for various reflectarray design.Key words：Reflectarray Antenna; Patch e

4、lement;Open ended stubs引 言 微带反射阵列天线以其特有的优势和广泛应用前景，成为近年来天线系统研究热点之一。特别随着新型通信系统、航空航天技术的发展和需求，各种形式的反射阵列天线得到深入研究和广泛应用。带开路短截线的贴片单元是反射阵列天线设计中最常用的单元形式之一，其利用开路线的长度变换来调节反射相位，原理简单，易于工程实现。 自上世纪80年代以来，国外学者对这种带开路线的贴片单元进行了各种研究与应用。John.Huang 1等对其工作原理、相位补偿特性做了系统介绍，并与其它多种形式单元的特性进行比较；Oraizi 2等从电路特性出发，提出了新型开路线的宽带补偿方法；

5、K.Y .Sze 3则利用此单元形式，设计了实验阵列，并给出了设计步骤和相关参数。近年来，国内相关研究机构和大学，也展开了深入研究。李秀梅4等设计了工程实验阵面，并给出了测试结果。不可忽视的是在不同阵列环境和物理参数下，单元特性会发生变化。但单元特性在各种情况下的变化规律，鲜见于各种报道。本文结合应用于民用航天领域薄膜反射阵列天线设计，对不同阵列环境、物理参数下单元特性进行分析与比较，并加以总结，便于系统设计应用与参考。1 原理描述同常规微带反射阵列相似，薄膜反射阵列天线分别在两层平行薄膜上印刷贴片单元和反射底板，薄膜间为空气介质。整个天线系统通常通过机械折叠、充气等形式展开，以应用于空间平台

6、。本文分析的单元模型如图1所示，其电路模型如图2所示。图1 单元物理模型图2 单元电路模型Zo 为开路线的特征阻抗，Zg 为矩形贴片单元阻抗。按照微带天线理论分析可知，工程设计时应选择恰当的贴片尺寸，使其在设计频率谐振；使Zo=Zg，开路线与贴片单元匹配，以减少损耗，保证天线工作效率。文献1中还提出，反射相位可以简单的按式(1估算：02l (1式中为反射相位的移相量，为传输系数，0l 为开路线长度。而实际上在不同环境和物理参数下，反射相位与开路线长度的关系并不一致，与式(1估算结果误差较大。 2 数值分析建立准确和易于实现的计算模型，对单元性能参数精确分析是设计性能优异的反射阵列天线的前提。国

7、内外学者经过系统分析和实践验证，提出了H 壁波导计算模型，模拟无限大阵列环境，如图3所示。此模型对平面波垂直入射的单元性能计算满足精度要求，对于非平面波的馈源、斜射等情况，需要借助其它模型计算。 图3 H壁波导模型以下分别从单元尺寸、开路线宽度、薄膜间距等不同参数分析和比较单元移相特性、损耗及频带宽度等性能变化情况。1 贴片尺寸对单元特性的影响反射阵列天线工作原理不完全与微带贴片天线相同，口径辐射能量由贴片反射能量、单元辐射能量两部分组成。当贴片尺寸偏离设计频率时，单元阻抗、移相特性的等性能参数发生变化。 在设计频率f0，薄膜间距h0时，正方形贴片谐振边长为pa=a0，开路线与微带贴片匹配良好

8、。当贴片边长pa 偏移a0时，不同贴片尺寸pa 与移相、衰减的关系如图4所示。 图4 f0时，边长pa 与移相量(左 、损耗(右 的关系由图4可见，单元尺寸大小不仅影响移相范围、移相曲线的斜率，还改变单元与开路线的匹配状态，影响单元损耗。而频带内不同单元尺寸的移相特性如图5所示。单元尺寸pa 偏小时，低端频率的移相范围增加，移相曲线斜率加大，会引起相应频率的天线口径相位误差加大；单元尺寸pa 偏大时，单元高端频率的移相范围增加，移相曲线斜率加大，从而引起高端频率的天线口径相位误差加大。图5 pa=0.95a0 (左 、1.05a0(右 带内特性对比2 开路线宽度对单元特性影响按照图3的单元模型

9、，选择微带开路线的宽度w 恰当时，开路线与贴片之间阻抗匹配，单元损耗最小。图6为选择不同开路线宽度，单元移相、损耗特性对比。图6 f0时，开路线宽w 与移相量、损耗的关系开路线宽对单元移相特性影响很大。设计天线时需要选择恰当的线宽w ，在移相范围足够的前提下，使移相曲线的斜率尽量最小；同时保证开路线与贴片单元之间匹配，减少损耗。频带内，开路线宽对单元移相性能影响如图7所示：线宽w 偏小时，单元移相范围增大，移相曲线斜率较大；线宽w 偏大时，单元移相范围减小，移相曲线斜率变小。图7 w=0.5w0(左 、1.5w0(右 带内移相特性对比3 薄膜间距对单元特性影响同常规微带贴片天线一样，贴片与反射

10、底板之间的空间介质厚度由两层薄膜间距h 保证，其影响贴片谐振频率、特性阻抗等性能。不同间距h 下的单元特性，如图8所示。频带内不同间距h 的单元移相特性如图9所示。间距h 偏小时，单元移相范围较小，移相曲线斜率减小；间距h 偏大时，单元移相范围变大，移相曲线斜率增大。E 壁(上、下面H 壁(左、右面贴片单元入射波 图8 f0时，薄膜间距h 与移相量、损耗的关系 图9 h=0.5h0(左 、1.5h0(右 带内移相特性对比4 阵列环境对单元特性影响在反射阵列天线设计中，不可忽视阵列环境对单元特性的影响。不同单元间距dx 下, 单元移相、损耗特性如图10所示。 图10 f0时，单元间距dx 与移相

11、量、损耗的关系频带内不同单元间距dx 的单元移相特性如图11所示。不同单元间距会改变单元间耦合强度，从而影响单元阻抗、移相等特性。天线系统设计时，需要在阵列环境下分析单元性能。 图11 dx=0.95dx0(左 、1.05dx0(右 带内移相特性对比反射阵列天线中，阵面不同位置的单元接收到固定位置馈源的入射波角度thi 不同。在入射角度不同情况下，单元移相、衰减特性如图12所示。 图12 f0时，入射角度与移相量、损耗的关系由图12可见，入射角不同时，单元移相曲线发生平移；但经单元反射的电磁波方向发生改变，影响损耗特性。频带内不同入射角thi 下单元移相特性如图13所示。在入射角较大时，频带内

12、移相曲线一致性变差，单元带宽变窄。图13 thi=10(左 、40(右 带内移相特性对比5）双频或多频阵列影响在双频或多频反射阵列天线系统设计中，其它频段天线对单元特性的影响不可忽略。以双层双频反射阵列天线为例。设计频率分别为f0、4f0的贴片单元分别印刷在两层薄膜上，高频单元以低频单元为反射底板，低频单元的反射底板印刷在第三层薄膜上，如图14所示。图14 双频反射阵列天线系统模型高频单元不同尺寸pc ，同样影响单元的移相、损耗特性，分别计算如图所示。图15 高频单元尺寸不同与移相量、损耗的关系由图15看出，当高频单元尺寸小于一定尺寸pc pc3时，高频单元对低频单元移相特性影响很小，几乎可以

13、忽略。频带内的移相变化如图16所示，不同尺寸pc 会影响低频单元的移相性能和带宽。图16 pc=pc1(左 、pc4(右 带内移相特性对比低频单元3 设计实例按照上述分析对单元性能优化，设计单频单层薄膜反射阵列天线，两层薄膜间填充介电常数小于1.1的泡沫，保证阵面平整。馈源照射边缘单元的最大入射角约30，阵列边缘照射电平下降约-10dB 。优化单元性能，保证移相范围的前提下，使移相曲线斜率尽量小，以提高天线系统容差率；同时，提高设计频带内各频率移相曲线的一致性，以保证工作带宽。试验阵面按中心频率设计口径相位补偿方案。在边频时，相位误差如图17所示。对照图13、图17可知，入射角较大时，边频口径

14、相位误差加大；较小的入射角，有利于天线带宽拓展。 图17 边频口径相位误差试验阵面在8%带宽的频带内误差波瓣、11%带宽内误差波瓣如图18所示。设计天线频带宽度达到8%，在设计频带内波瓣宽度、副瓣电平满足设计指标；在带宽8%的带外，口径相位误差导致波瓣展宽、副瓣抬高。 图18 8%频带(左 、11%频带(右 内的误差波瓣4 结论从上述分析可看出，不同应用背景的反射阵列天线设计中，阵列环境与物理参数的不同对单元特性影响较大。在系统设计时，需要对单元特性深入研究和优化，以获得最佳方案。本文通过对单层薄膜反射阵列天线单元性能分析，优化单元性能。所设计试验阵面带宽8%，优于各种文献资料中提出的3%6%带宽，可供其它反射阵面天线系统设计参考。参 考 文 献A John Wiley & Sons, Inc., Publication,2007 2 H. Oraizi, K.Keyghobad, S.Hosseinzadeh ReactivePhase Shifter for