（无线电物理专业论文）阵列反射天线的研究.pdf

摘要 摘要 由于现代社会对通讯系统灵活机动的要求，传统的抛物面反射天线笨重、体 积庞大的劣势已经日益显现。为了改进抛物面天线的这些缺陷，国外的学者提出 了阵列反射天线的概念。这种阵列反射天线具有反射天线和阵列天线共同的优势， 它的基本结构就是由大量的无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列，然后由 一个馈源照射这个天线，通过调节介质板上每个单元对于入射波的散射相位，使 得反射波在特定的方向实现同相位，发射出方向性极强的笔形波束。 本文对近十年平面阵列反射天线研究进展进行了讨论，介绍了一些典型的平 面阵列反射天线的结构。平面阵列反射天线的结构可以分为最基本的两种：一种 是直接改变单元谐振频率的阵列反射天线，另一种是间接改变单元谐振频率的阵 列反射天线。本文通过对各种阵列反射天线单元结构的分析，提出了两种新型阵 列反射天线的单元结构。该结构一方面通过引入蝶形贴片和分形结构形式，极大 增加了阵列反射天线单元的工作带宽；另一方面，通过引入变容二极管结构，实 现了阵列单元动态移相。该结构单元为设计宽频带、动态方向图扫描的阵列反射 天线奠定了基础。 本文还对阵列反射天线性能的总体分析和设计方法做了基本的介绍，提出了 基于双缝模型的系统整体仿真的方法，并且对于主要的设计参数对于天线的整体 工作效率以及工作带宽的关系做出了基本的分析和介绍。 另外对于阵列反射天线的设计来说，阵列单元间的耦合作用对于天线整体性 能的影响极大。本文首先通过数值仿真软件h f s s 对于阵列反射天线单元的单元 耦合特性进行了数值仿真实验，并且定性地绘出了单元之间的互耦特性之间的关 系。然后通过对于高阻面和电磁带隙结构的学习，提出了一种减少单元间耦合措 施，为设计出空间更加紧凑的小型化阵列反射天线铺垫了基础。 关键词：阵列反射天线，蝶型单元，变容二极管，耦合，电磁带隙结构 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i ds o c i a ld e v e l o p m e n t ，t h et r a d i t i o n a lr e f l e c t o ri so u to fd a t ed u et oi t s p o n d e r o u sa n db u l k ys h o r t c o m i n g si nm o d e mc o m m u n i c a t i o n b e c a u s eo ft h i s ，t h e d e s i g na b o u tan e w k i n do fr e f l e c t o r sc a l l e dr e f l e c t a r r a yw a si n i t i a t e d t h i sk i n do f r e f l e c t o r sp o s s e s s e dt h ea d v a n t a g e so ft h et r a d i t i o n a lr e f l e c t o r sa n dt h ep h a s e da r r a y s t h er e f l e c t a r r a yi sm a d eu po fl o t so fr e s o n a n te l e m e n t s w h e nt h ef e e dr a d i a t et h e r e f l e c t a r r a y , t h er e f l e c t e dw a v ec o u l db ef o c u s e da ts o m ed e s i r e dd i r e c t i o no w i n gt ot h e a d j u s t m e n to f e a c he l e m e n t i nt h i sp a p e r , f i r s to fa l l ，t h er e v i e wa b o u tt h ed e v e l o p m e n to fr e f l e c t a r r a yi nt h e l a s td e c a d ei sp r e s e n t e d ，i n c l u d i n gs o m er e p r e s e n t a t i v er e f l e c t a r r a ys t r u c t u r e s t h e r e f l e c t a r r a yi sp r i m a r i l yc o n s i s to ft w oc l a s s e s ：t h eo n et h a tc o u l dd i r e c t l ya d j u s tt h e r e s o n a n tf r e q u e n c yo ft h er e f l e c t a r r a ye l e m e n ta n dt h eo n et h a tc o u l da d j u s ti n d i r e c t l y i na d d i t i o n ，t h r o u g ht h es t u d ya b o u tt h ed i f f e r e n tk i n d so fr e f l e c t a r r a y , t w ok i n d so f r e f l e c t a r r a ye l e m e n ta r eb e i n gi n t r o d u c e d u t i l i z i n gt h eb e n e f i t so fv a r a c t o ra n db o w t i e a n df r a c t a ls t r u c t u r e s ，s o m ei n t e r e s t i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h e s ee l e m e n t sw e r ef o u n d f u r t h e r m o r e ，s o m eb a s i ck n o w l e d g ea b o u tt h es y s t e md e s i g na n da n a l y s i sa b o u t t h er e f l e c t a r r a yi sa l s op r e s e n t e d b a s e do nt h ed u a ls l o tt h e o r y , t h em e t h o dt h a tc o u l d c o m p u t et h eb a s i cp e r f o r m a n c eo ft h er e f l e c t a r r a y i s i n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e ns o m ep r i m a r yr e f l e c t a r r a yd e s i g np a r a m e t e r sa n dt h ew o r k i n g e f f i c i e n c ya sw e l la st h ew o r k i n gb a n d w i d t ho f t h er e f l e c t a r r a y i nt h ed e s i g no fr e f l e c t a r r a y , t h ec o u p l i n g sb e t w e e ne a c he l e m e n tc o u l du s u a l l y b r i n gl o t so fi n f l u e n c et ot h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h er e f l e c t a r r a y i nt h i sp a p e r , f i r s t o f a l l ，w es t u d i e ds o m eb a s i cc o u p l i n gk n o w l e d g eo f t h er e f l e c t a r r a y , a n da f t e rt h es t u d y a b o u tt h ep b gak i n do f m e t h o dt h a tc o u l dr e d u c et h em u t u a lc o u p l i n g so f e a c he l e m e n t i sp r e s e n t e d ，a n db r i n g ss o m eb e n e f i t sf o rt h ed e s i g no ft h em u c hm o r ec o m p a c t r e f l e c t a r r a y k e yw o r d ：r e f l e c t a r r a y , b o w t i e ，v a r a c t o r , c o u p l i n g ，e b g i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 - ，f 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：盆，i 金塞日期：卿g 年，月扩日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：上出丝导师签名：二盈 日期：彻6 年z 月z 扩日 第一章绪论 第一章绪论 随着近代卫星通讯、微波通讯、航天技术的迅猛发展，抛物面天线扮演着日 益重要的角色。但是，由于现代社会对通讯系统灵活机动的要求，传统的抛物面 天线笨重、体积庞大的劣势已经日益显现。为了突破抛物面天线的这些缺陷，国 外的学者提出了一种新型的阵列反射天线的概念。顾名思义，这种阵列反射天线 具有反射天线和阵列天线共同的优势，它的基本结构是由大量的无源谐振单元组 成的单屏或多屏周期性阵列，然后由一个馈源照射这个阵列，通过调节介质板上 每个单元对于入射波的散射相位，使得反射波在特定的方向上实现同相位，发射 出方向性极强的笔形波束，如图卜l 所示。 图1 1 阵列反射天线的基本结构 这种天线的工作原理基本上和抛物面天线相同，有一个放在特定位置的馈源 和反射器，因此这种阵列反射天线又称为平面反射天线。这种天线由于采用了空 间馈电方式，相比于直接馈电的微带阵列天线，节省了后端微波馈电网络的成本 和传输损耗。这种反射阵列天线的概念在很早就已经提出来了 1 ，但是近年来随 着微带天线的迅速发展和对微带天线低成本，高增益的要求，以微带单元为主要 电子科技大学硕士学位论文 形式的阵列反射天线的研究才受到了越来越高的重视，特别是在毫米波频段，由 于采用微带馈电的毫米波天线的馈电网络有很大的传输损耗和极高的成本，以空 间馈电形式工作的平面反射天线的研究和应用具有更大的价值。另外，阵列反射 天线的馈源形式也有很多种，旁馈、前馈、后馈、以及卡塞哥仑馈电都可以作为 阵列反射天线的馈电形式。 阵列反射天线核心问题在于如何设计每个单元结构使之对于入射波实现特定 相移，使整个反射波在要求的方向上具有相同的相位，从而以笔形波束的形式发 射出去。阵列反射天线可以分为两大系列：1 ) 直接调节单元谐振频率的阵列反射 天线，2 ) 间接调节谐振频率的阵列反射天线。虽然经过多年对阵列反射天线的研 究，国内外学者开发出了许多性能优越的阵列反射天线的结构，但是仍旧有许多 问题仍待解决：如工作带宽有限、加工难度大、设计结构相对复杂、波束扫描功 能不完善等。 针对以上在阵列反射天线的结构设计上存在的问题，本文提出了两种新型的 阵列反射天线的宽频带紧凑的单元结构形式。 在整体设计上面，本文介绍了基本阵列反射天线设计中需要考虑的几个重要 的指标。同时介绍了阵列天线的互耦的概念，提出了一种能抑制阵列反射天线互 耦的单元结构形式，并且进行了仿真验证。 第二章典型的阵列反射天线的结构 第二章典型的阵列反射天线的结构 2 1 直接调节单元谐振特性的阵列反射天线 直接调节阵列单元谐振特性的阵列反射天线是通过直接改变单元的物理结构 来改变单元的谐振特性，从而实现反射移相。根据现有的文献来看，这类的阵列 反射天线大概可以分为以下几种方式：传输线型阵列反射天线、尺寸改变型 阵列反射天线、旋转圆极化型阵列反射天线。 2 1 1树根型阵列反射天线 j 基本工作原理 树根型阵列反射天线主要是通过调节贴片后面传输线的长度，来实 现每个单元所需要的不同散射移相角度，如文献 2 3 这种天线的反射器主要由 许多的相同大小的贴片和一块很薄的介质板组成。其中每一个贴片上连有一条短 路或者开路的传输线。当源照射每一块基片时，若馈源与贴片单元的谐振频率相 同，贴片就会受到激励产生振荡，辐射出能量，能量传输到传输线的短路端或者 开路端时发生全发射，于是能量又重新辐射出去。因此连接在贴片上的传输线实 际上起到的是个移相器的作用。通过调节每一条传输线的长度可以使贴片反射 的波达到需要的相位，从而形成笔形波束。基本的阵列天线单元结构设计示意图 如图2 1 所示 基本的传输线型阵列反射天线设计的原理和步骤 阵列反射天线的设计主要分为两个设计步骤：单元特性的研究和设计，阵列 的设计。 1 传输线型阵列反射单元的设计 电子科技大学硕士学位论文 作为传输线型的阵列反射天线的单元设计的核心在于传输线与贴片单元 的阻抗匹配问题。只有设计的传输线的尺寸能够实现与贴片单元在谐振频率附近 的阻抗匹配，才能使得传输线在谐振频率附近充当贴片的移相器的角色。判断贴 片输入阻抗和传输线阻抗的方法可以分为数值算法和解析近似算法两种。数值算 法主要是通过数值全域仿真得到整个贴片结构和传输线结构的电磁特性，从而得 到整体的阻抗匹配特性。这种设计方法虽然简便易行，但是需要经过大量的数值 仿真实验才能实现单元与传输线结构的最佳匹配，因此在实际设计中一般不予采 用。而通过解析模型得到的经验公式才是我们设计这种传输线阵列反射天线单元 结构采用的主要设计工具。图2 2 是基本的贴片单元的结构示意图。 严 ；r 删n d e d 翻e i 矗c t r i cs u t 强t r w l ( 2 吼 其中由连接的传输线带来的移相位为 ：丝蠼圭塑( 2 - 3 d ) 九 2 阵列的设计 根据线性阵列的设计理论，阵列设计的主要考虑的就是设计单元的移相角度， 使得整体阵列的辐射主瓣确定在特定的角度其中线性阵列的相位差分布满足 如下关系式： 第二章典型的阵列反射天线的结构 = 一k o ds i n ( o o ) ( 2 4 ) d 为阵列单元间的距离，疋为自由空间的传输的波数 在传统的相控阵天线设计中，阵列天线由于单元间的耦合作用，会造成整体 阵列扫描方向的盲点。在阵列反射天线的设计中，同样面临着单元之间的互耦问 题。通常为了减少阵列反射天线单元间的耦合，设计的时候单元间距都基本上大 于介质中的半个波长，每个单元连接的传输线的长度由阵列中单元所需移相的角 度确定。下图2 - 5 即为根据基本线性阵列理论设计的阵列反射天线的简单结构示 意图： 3 小结 | | - l i 图2 5 基本传输线型的阵列反射天线示意图 这种形式的阵列天线由于主要的移相角度靠连接的传输线实现，因此这种形 式的阵列单元的工作频带极窄。这主要由两个方面的原因引起：1 ) 作为传输线， 其特性阻抗是频率的函数，因此传输线只能在有限的频带内实现与贴片单元的阻 抗匹配，实现单元移相；2 ) 随着频率的变化，单元的空间移相角也会随之产生一 定的变化。 2 1 2 尺寸型阵列反射天线 电子科技大学硕士学位论文 ，基本工作原理 顾名思义，尺寸型的阵列反射天线是通过改变每一个阵列反射单元的尺寸 大小来实现单元的谐振频率的微调，从而使得每个单元在特定的方向达到要求的 同相位，如文献 4 6 。这种不同尺寸型的阵列反射天线与树根型的阵列反射 天线相比，具有更好的多极化性能和带宽性能。 口基本的分析方法 与传输线型的阵列反射天线的设计不同，尺寸型阵列反射天线的分析与 设计主要基于单元全波仿真的分析基础之上。图2 6 给出了这种阵列反射天线的 基本结构的几何示意图。 罐 。二一 s i d ev i e w t o p v i e w 图2 - 6 不同尺寸型阵列反射天线的基本结构示意图 一般来说，对于这种阵列反射天线来说，照射馈源可以放在任何位置，但是 应该尽量与阵列反射面保持一定距离，使得每一个阵列反射单元近似接收到平面 波。这种阵列反射天线设计的核心在于确定每一个单元的尺寸参数，使得每一个 单元在远场的特定方向达到同相位，因此每个单元需要引入不同的移相v ，也就 是需要满足下式： ( r 九t o ) 一= 2 z n( 2 - 5 ) 具体设计步骤如下： 1 根据要求的带宽、损耗、成本、工作频率确定合适的介质材料。 第二章典型的阵列反射天线的结构 2 由基于全波分析的矩量法确定在馈源照射下，每个单元产生的反射场的相 位延迟与单元尺寸大小的关系。 3 根据式( 2 1 ) ，确定每一个位置上单元的移相位，然后利用上面确定的移 相位和单元尺寸的关系，确定每一个位置上单元的尺寸。 4 根据阵列天线理论确定阵列反射天线的辐射方向图，也就是根据矩量法计 算出来的每个单元的感应电流计算出他们的远场叠加辐射方向性能。 5 计算出馈源的辐射溢出，然后由此计算出远场辐射增益和方向图。 所有以上设计步骤中每一个单元之间的间隔约为半个波长，因此分析设计中 基本忽略了单元之间的耦合效应，在文献 7 中试验测试结果也验证这种忽略近似 的合理性。由于篇幅有限，具体的数值分析方法详见 8 。 2 1 3 旋转型阵列反射天线 工作原理 前两种形式的阵列反射天线有着固有的缺陷：树根天线由于固有结构的限 制，工作带宽过窄；不同尺寸的贴片形式的阵列反射天线，虽然有着相对大一 些的带宽，但是由于移相角对于结构尺寸过强的敏感性_ 侈4 如，微小的尺寸误差 就可能导致很大的移相误差，因此对于加工的精度要求过高。因此，j o h nh u a n g 教授等在1 9 9 8 年提出了一种新型的反射面天线：旋转结构的圆极化形式的阵列反 射天线 9 一1 3 。这种旋转结构的阵列反射天线是由相同的圆极化贴片结构单元和 介质板组成，通过调整贴片单元的旋转角度，改变每个单元散射移相角度，从而 使反射波在特定方向达到同相位，发出方向性很强的笔形波束。 最早的这种旋转结构形式的阵列反射天线由j h u a n g 教授1 9 9 8 年提出，基 本的形式如图2 7 所示。而后在2 0 0 4 年，s t r a s s n e r 等人又提出了一种改进型的 旋转圆极化型的阵列反射天线。这种结构单元是一个带有缝隙的小环，通过 在环中开缝，使得环结构对于圆极化入射波在x ，y 两个垂直方向线极化分量的反 射波实现9 0 度的相位差，从而实现极化分离，具体结构如图2 8 所示。 与最先提出的方形的旋转调相单元相比，这种环结构的优势主要体现在以下 几个方面：1 ) 降低了加工的难度与精度；2 ) 有着更好的波束性能，对于多层结 构的应用有着更大的优势；3 ) 具有旋转对称性，有着更好的结构可重构前景，为 实现阵列反射天线的波束扫描性能奠定了基础。 电子科技大学硕士学位论文 日 i j 9 l 目 i k 图2 7 基本的旋转调相型阵列反射天线结构 g 酥耐a r m y 分析方法 1 0 g a d = d 3 m m 图2 - 8 ( a ) 环形旋转那调相型阵列反射天线的基本结构示意图 旋转调相型阵列反射天线设计的核心在于如何通过调节单元的电磁特性，使 得单元在两个正交方向获得1 8 0 度的散射相位差。下面以环形的旋转调相阵列反 射天线，如下图2 - 8 ( b ) 为例，介绍基本的理论： 假设一圆极化平面波沿负z 方向照射阵列反射天线，入射场方程为： 一e i = e o ( 一a ：+ j a y ) e 地 f 2 6 a ) q 9 凸qo 口b 移凸0 0 第二章典型的阵列反射天线的结构 n l o f a is c r 8 e n 图2 - 8 ( b ) 旋转调相型环结构分析不恿图 反射场可以看成两个旋圆极化场的叠加： e = o 5 纱c o ( i j pe 一止+ o 5 只( r a 上r 。) ( i + ，i ) e 一止 ( 2 6 b ) 式( 2 6 b ) 中第一项代表与入射波的极化方向相同的反射场，与旋转角有直接 关系。而第二项，是与入射场极化方向相反的反射波，与旋转角无关。当 r 。十r 。= 0 ，即r 。= r 。时，可以消去第二项。所以可以调节反射单元的结构，使 得反射波成为纯的圆极化波。由此思路，对于开1 ：3 圆环，沿缝隙方向和无缝方向 的反射系数正好相反，所以正好可以作为圆极化阵列反射天线的基本单元。由 ( 2 - 6 b ) ，可知反射波的相角与夹角y 成线性关系，所以可以通过调节每个单元的旋 转角，实现单元远场辐射场的相位调节。 2 2 间接改变阵列反射天线谐振频率的阵列反射天线结构 2 2 1 缝隙型阵列反射天线 j r 工作原理 缝隙型阵列反射天线由许多相同的阵列反射贴片单元和地板上不同的细 缝组成，见文献 1 4 一】6 。通过调节贴片下面的缝隙的长度可以实现贴片单元反射 电子科技大学硕士学位论文 波不同的移相位，基本的结构如下图2 - 9 所示。在没有缝隙时，在平面波照射下， 每个单元只能在特定的频率下工作。而增加地板上的缝隙相当于对每个贴片进行 了感性加载，因此对每个贴片引进了一定的相移。而引入的加载的电感值基本上 由缝隙的长度决定。 设计和分析 二书鲁善萤 图臣固固曩8 t o pv i e w 图2 - 9缝隙型阵列反射天线的基本结构示意图 缝隙型阵列反射天线单元的电磁特性的提取也是基于全波分析。为了分 析简洁，缝隙型单元特性宏模型的提取借用了波导仿真器的方法，即在平面波 垂直照射下，将垂直于电场方向的面使用电壁进行代替，垂直于磁场方向的面使 用磁壁代替，具体设置如图( 2 - l o a ) 所示。然后通过在观测面得到的反射波的移相 角度与缝隙长度建立起相应的函数关系，得到单元的移相特性曲线，如图( 2 - 1 0 b ) 。 图2 - l o a 周期边界条件的示意图图2 - l o b 缝隙单元的移相调特性曲线 然后根据每个单元移相特性，确定整体阵列反射天线的辐射性能，如下图2 1 1 所示。 铲 附 第二章典型的阵列反射天线的结构 图2 一l l 单层缝隙型阵列反射天线的整体辐射特性 为了减少缝隙带来的能量损失，在原有的天线结构上增加了一层地。改进的 天线结构整体辐射特性如下图( 2 - 1 2 a ) 、( 2 - 1 2 b ) 所示。 图2 - 1 2 a 双层缝隙型阵列反射天线结构图2 1 2 双层缝隙型阵列反射天线的辐射特性 2 2 2 高阻面型阵列反射天线 j 工作原理 高阻面型的阵列反射天线由典型的高阻面结构与变容二极管组成，如文 献 1 7 ，1 8 ，基本结构如下图2 1 3 所示。高阻面结构是通过在单元与地板间打孔， 引入单元与地板间的电感，同时利用单元贴片间的耦合电容，形成等效l - c 串联 电路组，构成等效的终端阻抗高阻面或等效磁壁。从高阻面的这一特性出发， 电子科技大学硕士学位论文 通过在周期性结构间引入变容二极管，可以改变高阻面单元的电容值，从而改变 高阻面单元的谐振频率，实现 一r e ，+ 厅 反射移相。 9 2 h f n1 0 n l m 图2 - 13 高阻面型阵列反射天线结构 盯分析与设计 根据高阻面的分析模型，高阻面的等效阻抗z 。2f 石j c o 面l ，谐振频率 = 历，在平面波照射下高阻面的反射角妒= h n 三”( 缉) i + 1 | 由以上高阻面的公式可知，在工作频率远小于谐振频率时，高阻面等效于普 通的电壁，反射波的相角等效为石，当工作频率增加时，反射波相角减少，在谐 振频率时，反射角减少为0 ；而后当工作频率继续增加时，反射角继续减少，最后 远远大于谐振频率时，反射角减少为石，反射波的相角随频率的变化如图2 一1 4 所示。 因此可以通过改变高阻面的等效l c 电路参数改变高阻面的谐振频率，从而 可以实现高阻面反射波相角的调节：当谐振频率从低到高的变化时，反射角可以 实现厅到一7 的变化，满足阵列反射天线单元设计的基本要求。另外，动态调节不 同单元的谐振频率，可以调节不同位置单元的反射角，从而实现阵列反射天线的 方向图扫描。 4 第二章典型的阵列反射天线的结构 、 f r e q u e n c y ，0 3 1 l 瓜 图2 1 4 高阻厦移相特性曲线 对于高阻面单元谐振频率的调节可从两方面入手：改变等效电感或者改变等 效电容。但是从高阻面的等效分析公式l = p t 来看，( 其中u 代表等效导磁率，而 t 代表介质板的厚度) ，除了磁导率可调的材料外，要改变高阻面的等效电感只能 通过改变介质基片的厚度，在工程上这是很难实现的。因此，要改变高阻面的谐 振频率只能从改变等效电容入手。根据现有文献报道，改变高阻面等效电容只有 两种方式：1 ) 使用一种可旋转的阵列表面，通过改变上层贴片单元与地板介质 层的相对位置，实现高阻面间单元等效耦合电容的改变，从而改变高阻面的谐振 频率。具体的结构形式和单元移相特性曲线如图2 1 5 所示。2 ) 在贴片单元间植入 变容二极管，通过动态改变变容二极管的直流电压，动态改变高阻面的等效电容， 从而改变高阻面的谐振频率。因此相比之下植入变容二极管型的高阻面是最佳的 阵列反射天线的设计方式。在确定了调相方式之后，高阻面型阵列反射天线设计 的第二步就在于阵列反射单元结构的选择，而单元设计的核心就在于单元带宽性 能。在使用商用软件h f s s 进行了几种结构的比较之后，确定了方形贴片单元为这 种高阻面阵列反射天线设计的基本单元结构形式。因为根据电磁仿真，方形 贴片单元的能量主要集中在了贴片的四周，因此引入了变容二极管能起到更好的 调频作用。 这种高阻面型的阵列反射天线，相比于以上介绍的几种阵列反射天线具有更 好的电可调性能，通过调节每个单元的变容二极管上的直流偏置电压，可以动态 调节每个单元的谐振频率，从而实现单元反射波的相位的动态控制，最终实现阵 列反射天线的 _ 4 0 0 ，+ 4 0 0 方向图动态扫描。 代 o 吨 寺母m co芍m譬 电子科技大学硕士学位论文 2 - 1 5 a 机械可调高阻面型阵列反射天线2 - 1 5 b 移相特性曲线 2 2 3 变容二极管型阵列反射天线 工作原理 与上面的高阻面阵列反射天线类似，这种变容二极管型阵列反射天线同 样引入了变容二极管结构，通过对变容二极管直流偏置电压的控制，实现整体阵 列反射天线的电可调，使得阵列反射天线具有动态方向图扫描功能。但是，这种 变容二极管型阵列反射天线与高阻面型的阵列反射天线的工作原理不同，它主要 是将变容二极管作为终端负载，通过改变变容二极管电容值，直接改变单元的反 射波的移相如文献 1 9 1 。基本的结构形式如图2 1 6 所示： 基本的分析与设计 变容二极管单元动态调相的原理可以通过传输线近似等效电路模型来解释， 如图2 一1 7 所示。其中月。，厶，g 代表蝶形贴片单元的集总电路模型参数， r ，上，c ，c 。代表蝶形贴片间的变容二极管的等效电路参数。通过改变变容二 极管间的电压，c 的电容就会随之改变，从而实现反射移相。 但是这种形式的天线有着固有的缺陷，由于变容二极管本身固有的内部阻抗 尺，在入射波激励起能量时，会造成大量的能量损耗，特别在谐振点附近，这种 1 6 第二章典型的阵列反射天线的结构 能量损耗更为明显。因此观测的反射波的幅度在谐振频率附近会出现很大的波动， 反射波的幅度曲线如图2 1 8 所示： 暗 图2 1 6 变容二极管型阵列反射天线结构 图2 1 7 变容二极管型阵列反射单元移相原理的等效电路 f i | n wb h it 鹂| i t i q 啪 2 1 8 变容二极管型阵列反射单元幅度特性曲线 为了减少这种幅度波动，可以采用二极管并联的措施：通过二极管的并联， 二极管的损耗阻抗可以大大减少，从而最终可以大大减少因变容二极管自身阻抗 引起的反射波的幅度凹陷效应。 一田曩一毒，三if“f罄蕾=_坤讳 电子科技大学硕士学位论文 第三章阵列反射天线总体分析与设计 3 1 阵列反射天线系统仿真 3 1 1 阵列反射天线辐射特性的分析 假设一个位于r l 处的馈源照射由m x 个单元组成的阵列反射天线，具体结 构如下图3 1 所示，由此，任意方向的反射场的辐射特性可以由下式( 3 - 1 ) 表示 图3 一l 阵列反射天线的基本分析示意图 翰= mn 瓦_ ) 戈) 面瓦) 叩h 睁习+ 一r r 幻+ 心) ( 3 1 )翰= 瓦_ ) 戈) 面- 瓦) 叩i 一习+ 一幻+ 心 ( 3 1 ) 其中f 为馈源的辐射特性函数，a 是单元贴片的散射特性函数，k 代表第m n 个单 元的位置坐标矢量，“o 代表反射波的主瓣方向，口。代表第m n 个单元所需的移相 角因此要实现反射波在“o 方向达到同相位，必须满足下式 第三章阵列反射天线总体分析和设计 。一0 i 一万卜i 磊 = 2 刀厅( 3 - 2 ) 3 1 2 微带天线的双缝模型 阵列反射天线设计中用的传输模型主要源自于文献 2 0 ，2 1 提到的专门用于 微带贴片天线的辐射特性分析所用的等效磁流的方法。具体的分析方法简介如下： 图3 - 2 微带贴片天线的基本结构示意图 传输线模型将矩形微带天线看作场沿横向没有变化的传输线谐振器，场沿纵 向呈驻波变化。辐射主要由w 边的边缘场产生，为此，微带天线可以表示为相距 为l 的两条平行缝隙，也就是文献 2 0 中提到的双缝模型。确定缝隙的远场辐射 特性首先必须要确定缝隙基本的结构参数，如图3 3 所示： 图3 - 3 辐射缝隙的基本的结构参数 h 电子科技大学硕士学位论文 缝隙在x 方向上电场可以认为恒定，表示如下 e = e ； 因此缝隙场可以上的等效面磁流为 该磁流产生的电矢位为 z l 生( 3 3 ) m ，= 一二妇。= 一y 一扫：= e ，； ( 3 4 ) f = 寺竿d v净s ， 对于远点p ( r ，口，p ) ，上式可以化简为 f = ；去e 叫水熙小川捌z c s - e ， 积分可得 ( 3 7 ) 由于远区场可视为沿r 方向的横电磁波，因此可以由平面波场的简化得到一条开 路缝隙远场的辐射场 e = 一v f = 一( - j k o r ) ) ( ( r f r + 口乃+ p 巴) = j k o ( g f o 一口巴) ( 3 8 ) 根据直角坐标系与球坐标系单位矢量的变换关系 乃= f xc o s o c o s ( o + ec o s o s i n 妒一es i n 0 e ：一cs i n 妒+ f yc 。s p ( 3 9 ) 可以得到缝隙远场的辐射特性 警誓 第三章阵列反射天线总体分析和设计 e = c j k o = 一q ，j k o ts i n 0 ：一茜 蔓r r 一纠蒹。厅 竺兰竺! ! 竺蔓坐1 2 i n 占 阻 k os i n 0 c o s p c o s 0 由于两个缝隙的场的分布非常接近，因此可以得到微带天线的双缝辐射场可 以看作单缝辐射远场的两倍。 因此，根据双缝模型可以得到微带贴片远场总的辐射特性： e ， 3 1 3 阵列反射天线的总体辐射特性的分析 ( 3 - 1 1 ) 在阵列反射天线的设计中，如何通过研究每个反射天线单元的电磁特性实现 对整体阵列反射天线性能的指标评估是一个非常重要的环节。在( 3 1 ) 式中，关于 f 的辐射特性函数可以近似用c o s 。口表示，而对于单一贴片的辐射特性分析可以近 似采用上文介绍的传输线模型。这种近似的分析模型，在分析大型的天线阵列中， 基本可以预测阵列反射天线的整体辐射特性，相较于一些基于数值分析的反射模 型，这种方法可以大大节约计算资源，从而使得由几千个或者上万个单元组成的阵 列辐射特性的预测模拟成为了可能。 基本的阵列反射天线的系统分析仿真主要分为以下几个步骤： 1 确定阵列反射天线的整体设计方案：主瓣位置，极化形式。 2 根据阵列反射天线设计的整体方案确定：馈电形式( 偏馈或者正馈) ，馈源 的辐射特性，馈源位置，阵列反射天线单元的形式，具体位置和移相角度。 3 根据以上确定的天线形式通过以上介绍的系统仿真方法得到阵列反射天线 的整体辐射特性。 下面以一盯b 阵列反射天线的设计为例对这一系统分析设计方法做出基本的 介绍。首先初步确定设计的阵列反射天线要实现的主瓣方向为( 皖，纯) ，线极化形 式的单波束，采用正馈电，馈源的辐射函数为c o s 。0 ，焦距为f ，单元间距为d ，贴 片形式为普通的树根型反射单元，具体单元所需的移相角度口。的确定可以根 2 1 竺 扣一 竺 菪| 叩絮 堡棚 州 电子科技大学硕士学位论文 据公式( 3 - 2 ) 得到。为了简化分析，首先要确定第m n 个单元在馈源照射下远场 辐射特性。假设馈源的极化方向沿x 方向，如图3 4 所示。假设第m r l 个单元的位 置坐标为( 成。，巳。，。) ，由于单元所在的平面处于x o y 平面，因此。= 玎2 。由 此根据公式( 3 - 1 ) 与( 3 1 1 ) 第m d 个阵列反射天线单元在远区任意位置r ( p ，口，妒) 辐射场为： 既：磋舞譬蛾铲嘶厩呱浯1 2 ) 其中( k 。，最。，) 为远场任意位置r ( p ，曰，妒) 相对于第i n n 个单元在双缝模型的 分析方法下的坐标参数，h 为阵列反射天线的介质层厚度。其中e 。为第m n 个单 元在馈源照射下产生的感应电场 瓦： 南r c o s 仔 由此可以得到阵列反射天线远场的总场辐射特- i t ：鹱豁譬叫沙豫一，。， 图3 4 阵列反射天线分析示意图 第三章阵列反射天线总体分析和设计 3 2 阵列反射天线整体设计中几个重要的参数指标及其分析 3 2 1 天线的效率 影响阵列反射天线效率最主要的两个因素跟抛物面天线类似，即由反射面的 有效口径效率和馈源的溢出效率共同决定。其他的影响因素还包括贴片固有的损 耗以及后向散射损耗。反射面的有效口径效率( r i 1 1 ) 主要是因为馈源的照射类似为 锥形的照射，所以反射面的贴片单元接收到幅度不等的入射波。所以在均匀幅度的 入射波的激励下，阵列反射天线的等效口径效率类似为1 0 0 。天线的溢出效率定义 为照射到反射面上的入射波的能量与整体的入射波的能量的比值。由以上的分析 可以看出，反射面天线的等效口径效率与馈源的溢出效率是一组相关的指标：即提 高一个指标，必然导致另外一个指标的降低。阵列反射天线的等效分析示意图，如 图3 4 根据以上的论述，我们将天线的效率卵定义为有效的口径效率 ( i l l u m i n a t i o ne f f i c i e n c y ) 与馈源溢出效率仉( s p i l l o v e re f f i c i e n c y ) 的乘积，定义如 下： 玎= r f h 仇 ( 3 1 5 a ) 驴幂= 竖 b m ， 其中s = 印2 。= z 2 t a n 2 见 ；：。伫。阱d s 仁：。阱d s 1 i i i i r 3 - 1 5 e ) 其中 代表阵列反射面的能量分布，i 盯代表馈源的总的辐射能量，代表由反射面 反射到正前方的总的能量p 近似表示为阵列反射天线的贴片的远场辐射特性，近似 用c o s 曰函数表示分析中馈源的辐射方向图函数近似为c o s 。口，极化方向沿x 轴 其中( 3 1 5 ) 式中的i 为馈源远场的电场辐射特性，近似为： 百= = c 。半( c 。s 矿一s i n 歹) ( 3 - 1 6 a ) 2 1 电子科技大学硕士学位论文 其中 由此可以得到 一 一 c o s 9 0 ， e p x = c 。( c o s o c o s2 庐+ s i n ) c o s 0f 3 - 1 6 b 1 r 、7 rr n 尘坚塑型堕盟! ! 堡。口 r 由于 出= p d p d ，p = rs i n 0 ，r = f c o s 0 ，d p = ( 厂c o s 。o ) d o 于是可以得到 ，= 和扩2 脒+ c o s q + 1o s i n 2 加i n 去删 l c o s 4 “01 一c o s 90 = c n 研二+ 2 】 。 q + l q i i ：l 譬! i ：苎粤r d e p d 又由p = r s i n 0 ，可以得到 1 1 = 2 x c o ，1 一c o s 2 9 + 10 2 9 + 1 ：f 1 2 单即啦： 2 q + 1 根据以上各式可得溢出效率，7 ；与口径效率叩。的表达式 ( 3 16 c ) ( 3 - 1 6 9 ) ：2 3 _ j ( 3 - 1 6 h ) 2 9 + l f l t ( 1 一c o s 9 “皂) ( q + 1 ) + ( 1 一c o s 9o ) g 2 2蔷2了赢=j百而鬲(3-17a)2tan 0c o s 0 ( 2 q “埘 2 ( 1 一! 川)+ 1 ) n ；= i m i = 1 - c o s 2 + 1o (3-17b、 由( 3 - 1 6 ) 与( 3 - 1 7 ) 可以看出，整体的反射天线的效率与馈源的辐射特性 2 4 懈 睁 孓 0 第三章阵列反射天线总体分析和设计 c o s 90 密切相关，下图3 - 5 反映出了直径为0 5 m ，单元间距为0 5 个波长，工作频率 为3 2 g ，f d = l 时天线的效率与辐射特性函数的关系曲线图由此图可以明显地看 出天线等效口径效率与馈源的溢出效率的负相关关系综合二者的因素，可以看出 当q = l o 3 时，天线有最佳的总体效率 q 图3 - 5 天线效率与馈源辐射特性的关系曲线图 作为阵列反射天线，伽也是设计阵列反射天线效率的重要考虑的因素图3 - 6 反映了当馈源辐射函数c o s 4 0 中q 为8 时，阵列反射天线效率与踟的关系曲线图： 除了以上讨论的天线口径效率之外，还有很多决定天线最后整体效率的因素对于 口径为0 5 m ，q = 1 0 3 ，f d = l 的阵列反射天线，各项因素对于天线整体效率的影响 见下表3 - 1 ： 3 2 2 天线的带宽 在阵列反射天线的设计中，带宽是非常重要的一个指标。特别是在现代的卫星 _c坚墓o!山一。lk山 电子科技大学硕士学位论文 通信中，高的数据传输率对于天线的工作频带有着更高的要求。作为在3 2 g 工作的 天线来说，1 g 的工作带宽基本上可以满足天线的要求。但是对于典型的深空间卫星 通信的天线来说，3 2 g 一般为下行频率，3 4 g 为上行频率。如果要覆盖这个频段，使 得天线同时可以在3 2 g 一3 4 g h z 工作，则天线必须要达到6 的工作频带。 图3 - 6 天线效率与f d 的关系曲线 表3 一l 影响天线效率的各种参数 2 6 芒sg。z埘olj也山芷n工正叫乱 第三章阵列反射天线总体分析和设计 对阵列反射天线来说，工作的频带当然要比抛物面天线要窄得多。阵列反射面 天线的工作带宽主要由以下四个因素决定：1 贴片自身的工作频带，2 单元之间 的间隔，3 馈源的工作频宽，4 不同位置单元的空间相移。对于贴片来说，一般 工作频带宽度小于3 。为了增加阵列反射天线单元的工作带宽，可以采用多层贴 片或者增加介质厚度的方式，通过此种技术，可将贴片的工作频带宽度增加到 1 0 一1 5 。同样，天线单元的间距对于整体阵列反射天线的工作频带也有着很大的 影响。这主要是因为随着工作频率的降低，阵列单元之间的间隔的电长度也会随着 降低，单元间的耦合作用就会加强。另一方面，随着阵列反射天线的工作频率的增 加，阵列反射天线单元间的电长度也会随之增大，使得天线最后出现意想不到的栅 瓣( g r a t i n gl o b e ) 效应。幸运的是，通过精确的计算和试验表明，在工作频带小 于3 0 的情况下，阵列反射天线间的耦合效应对于天线的整体设计来说，并不会产 生很大的影响。影响阵列反射天线带宽的第三个因素是馈源的工作频带宽度。作 为馈源来说，一般要满足在1 0 左右的工作带宽范围内保持其波瓣的一致性。空间 相移差的情况可以用图3 7 说明。由此图可以看出馈源到s 1 ，s 2 贴片的入射波会 产生a s = w 的相差，n 为整数，d 代表分数值。随着贴片单元位置的不同，n d 也 有不同的值。为了能够使得反射波达到同相位叠加，必须调节贴片单元的散射移相