（通信与信息系统专业论文）微带反射阵列天线的研究与设计.pdf

硕士论文 微带反射阵列天线的研究与设计 摘要 随着近代微波通讯、卫星通讯以及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。为了克服抛物面天线的这些缺陷，国外的学者提出了低 剖面的微带反射阵列天线结构，这种微带反射阵列天线综合了反射面天线和微带阵列天 线的优点，以其重量轻、体积小、价格便宜易于制造特别是易于和其他物体共形、易与 微带电路集成等优点，从1 9 7 8 年提出来后就受到了很高的重视并得到快速的发展。本 文的研究即围绕微带反射阵列天线的设计展开。 本文首先阐述了微带反射阵列天线的工作原理和基本的结构类型，详细研究和讨论 了实现相移补偿的各种微带反射元的结构和原理，深入探讨了仿真反射元相移曲线的波 导模拟器技术。 针对微带反射阵列天线带宽窄的缺点，本文对影响微带反射阵列天线工作带宽的因 素进行深入分析，重点研究了采用双层贴片层叠来扩展带宽的方法，并在理论基础上设 计了一款工作在k u 波段的宽带微带反射阵列。首先通过数值仿真软件h f s s 仿真得到双 层微带贴片单元的相移曲线，结果表明它具有良好的宽带性能。在此基础上，研制出有 1 6 1 个单元、由圆锥喇叭馈电的偏馈微带反射阵列。仿真与测试结果表明，阵列主波束 在偏离阵列法线方向2 0 。方向，增益为2 5 d b 左右，带宽大约为2 0 。 关键词：微带反射阵列、相位补偿、双层、宽带 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fm o d e mm i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o n ，s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n sa n ds p a c et c c h n o l o g y , p a r a b o l i ca n t e n n a sa r cp l a y i n gam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l e h o w e v e r , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t o fm o d e ms o c i e t yf o rt h ef l e x i b i l i t yo f c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，p a r a b o l i ca n t e n n a sb e c o m eg e ti n t o t r o u b l eb e c a u s eo ft h e i r t r a d i t i o n a lh e a v y , b u l k ys t r u c t u r e i no r d e rt ob r e a kt h er e s t r i c t i o n so fp a r a b o l i ca n t e n n a s ， m a n yf o r e i g ns c h o l a r sp u tf o r w a r dt h el o wp r o f i l em i c r o s t r i pr e f l e c t a r r a ya n t e n n a m i c r o s t r i p r e f l e c t a r r a ya n t e n n a s ，w h i c hc o m b i n eb o t hc h a r a c t e r i s t i c so fr e f l e c t o ra n t e n n a sa n d m i c r o s t r i p a r r a ya n t e n n a s ，h a v em a n ya d v a n t a g e ss u c ha sl i g h tw e i g h t s ，s m a l lv o l u m e s ，l o wp r i c e s ，c a s e o fm a n u f a c t u r ea n db e i n ge s p e c i a l l yp r o n et ob ec o n f o r m e dt oo t h e ri n t e g r a t e dc i r c u i t s t h e y h a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na n dd e v e l o p e dm o r ea n dm o r er a p i d l ys i n c et h e yw e r e d e v e l o p e di n19 7 8 d e s i g no fam i c r o s t r i pr e f l e c t a r r a ya n t e n n ah a sb e e ns y s t e m a t i c a l l y i n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s f i r s t l y ，t h ef u n c t i o n a lp r i n c i p l ea n db a s i cc o n f i g u r a t i o n sh a v e b e e na n a l y z e d t h e n m e t h o d sa n dp r i n c i p l e st or e a l i z ea p p r o p r i a t er e f l e c t i v ep h a s ec o m p e n s a t i o no ft h em i c r o s t r i p e l e m e n th a v eb e e nd i s c u s s e di nd e t a i l a sat o o lt oo b t a i nt h ep h a s es h i f to fa ne l e m e n t ，t h e w a v e g u i d ea p p r o a c hf o rc a l c u l a t i n gp h a s ed e l a yc u r v e sh a s b e e ni n v e s t i g a t e di n t e n s i v e l y n e x t i n0 r d e rt ob r e a kt h el i m i t a t i o no ft h e i rn a r r o wb a n d w i d t hc h a r a c t e r i s t i c ， b a n d w i d t he n h a n c e m e n tt e c h n i q u e so fm i c r o s t r i pr e f l e c t a r r a y a n t e n n ah a v eb e e ns t u d i e d e m p h a t i c a l l y ab r o a d b a n dd o u b l e 1 a y e rp a t c he l e m e n ti s d e v e l o p e dt oa c h i e v eb r o a d b a n d p r o p e r t v t h ep h a s es h i f tc h a r a c t e r i s t i co fd o u b l e - l a y e rp a t c he l e m e n t sh a v e b e e ni n v e s t i g a t e d b vt h ei 岫e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eh f s s ，w h i c hs h o w st h a tg o o db r o a d b a n dp e r f o r m a n c e c a nb ea c h i e v e d f i n a l l y ，a161 c l e m e n tk u - b a n do f f s e t - f e e dm i c r o s t r i pr e f l e c t a r r a yh a sb e e n d e v e l o p e d w h i c hh a sam a i nb e a ma t2 0 0o f fb r o a d s i d e ，a n dag a i no f 2 5 d ba n dab a n d w i d t h o fn e a r l y2 0 0 0 m e a s u r e dr e s u l t sh a v eg o o da g r e e m e n tw i t hs i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d ：m i c r o s t r i pr e f l e c t a r r a ya n t e n n a ，p h a s ec o m p e n s a t i o n ，d o u b l el a y e r , b r o a d b a n d i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：啦 舢解钼日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：翼盔主竺 抄o 年乡月日 硕+ 论i微带反射阵列正线的研究与设 1 绪论 1 1 研究背景与意义 随着近代卫星通信，微波通信和航天技术的迅猛发展，高增益大口径天线在雷达及 远距离通信等领域扮演着越来越重要的角色。传统上，高增益天线的应用一直依靠抛物 面反射器或者阵列天线1 1 。然而，抛物面反射器笨重、体积庞大，尤其是其特殊的曲线 表面很难制造。在更高的微波频段上就更难于加工。另外它也难以实现宽角度的电子波 束扫描。微带阵列天线加工简单，但是大型阵列却需要复杂的功分馈电网络，同时传输 损耗根大，天线效率较低。虽然利用微带阵列可以实现宽角度的波束扫描，但是却需要 加载可控的移相器。后端复杂的波束形成器和大量昂贵的放大模块( 放大模块被用来碱 小由高损耗的波束形成器和移相器带来的功率损失) 使得其成本很高。因此，为了减小 抛物面反射器以及传统阵列天线的缺点，“反射阵列”天线应运而生。 如图11 所示，微带反射阵列天线是由个平面反射面和一个馈源天线组成，大量无 源谐振单元组成单屏或多屏周期性阵列，然后由一个馈源天线照射这个阵列，通过调节 反射面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。 图11 微带反射阵列基本结构( 左为立体结构，右为平面结构) 微带反射阵列天线综合了传统的抛物面天线和微带阵列天线的双重优点。与抛物面 反射器类似，由于微带反射阵列没有功分网络，因此不存在馈电网络阻抗插入损耗和寄 生辐射，它有较高的辐射效率( 大于5 0 ) ；另一方面，与阵列天线相似，它可以设计 出很宽角度( 大于5 0 ) 的边射方向的主波束。另外微带反射阵列天线也可阻引入低损 耗的电子移相器来得到宽角度的电子波束扫描，这样就不再需要传统的相控阵所采用的 复杂的高损耗的波束形成网络和高成本的发射接收放大模块。另外由于反射阵的微带 l 绪论硕士论文 单元具备相位调整能力，可以通过相位合成技术得到精确的波束轮廓形状。微带反射阵 还具有低剖面，体积小，重量轻，其平面结构可折叠，易于与其他物体共形，易于与微 带电路集成等一些优点【2 1 。 由于微带反射阵列因综合了抛物面反射器和微带阵列的诸多优点而被广泛地发展 和应用于上世纪，并且将会在未来得到继续的研究和发展，所以针对微带反射阵列天线 进行研究和设计有着极其重要的现实意义。 1 2 发展历史与研究现状 反射阵列天线的概念是在1 9 6 5 年以波导单元的形式提出来的【3 】，但是直到8 0 年代 后期随着低剖面的印刷天线的发展而得到真正的关注。b e r r y 、m a l e c h 和k e n n e d y 于上 个世纪六十年代早期提出，用不同长度的短路波导管作为反射单元，由馈源喇叭发射出 的电磁波照射并耦合到波导里然后像传输线里传播一样从开路端传输到短路端，短路端 再将全部信号通过开路端反射和再辐射出去。通过控制每个波导管的长度，再辐射场的 相位得到合适的调整并在远场区得到同向的再辐射波束。由于早期的无线通信都是在相 对较低的微波频段进行的，需要的波导反射阵就非常庞大和笨重，因此这种天线形式就 没有得到进一步的研究。 在二十世纪七十年代中期，p h e l a n 提出一种“螺旋相位反射阵列的概念，在圆极 化反射阵的四臂螺旋或者十字偶极子单元中引入开关二极管来电扫描其主波束到很大 的角度，将圆极化辐射单元旋转不同角度，它传播的电相位也随着旋转角度成比例地改 变。通过开关二极管来激发不同对的螺旋臂，不仅能调整相位使在远场得到同相位波束， 而且可以电扫描宽角度的波束。然而，由于厚的螺旋腔( 四分之一波长厚) 和庞大的电 子元件( 二极管偏置电路) ，螺旋相位反射阵依然庞大厚重，另外，因为螺旋天线固有 的大尺寸和空间的特性，它的孔径效率仍然特别低。特别是在它工作频率的高频段，单 元间距会远大于半个自由空间工作波长而导致的栅瓣极大地降低了天线效率。因此这种 反射阵列天线形式在接下来的十年里也没有进一步研究。 由于传统反射器天线的各种缺点，以及随着印刷微带天线的引入和推广，人们开始 尝试将反射阵列和微带辐射器结合在一起的研究。1 9 7 8 年m a l a g i s i 首先提出了微带反 射阵的概念【4 】，在用平面阵列取代反射面时，通过调节阵列各单元的反射场的相位，来 补偿由于馈源照射到平面阵列上产生的空间相位差，使得平面阵列的口径场取得与反射 面口径场一致的相位。在同一年里，m o n t g o m e r y 第一次尝试用无限阵列方法来分析微 带反射单元。 到了8 0 年代后期9 0 年代早期，出现了各种不同类型的微带反射阵列天线j 它们 都有平坦的，低剖面以及小体积的反射面，使得天线的尺寸和体积得到不同程度的缩减。 另一种实现相位补偿的发法也被开发出来，就是利用不同尺寸的微带单元，如利用相同 2 硕士论文 微带反射阵列天线的研究与设计 形状不同长度的印刷偶极子【5 j ，相同形状不同大小的微带贴片【6 j ，组成反射阵列，也能 达到和之前采用不同长度短截线方法同样的结果。因为不同尺寸的微带单元有不同的散 射阻抗，进而可以提供不同的相位补偿，通过合理设计单元尺寸大小从而得到同相位的 波束。利用不同尺寸大小的微带单元技术的发展也促进了矩量法和以及无限阵列理论在 分析和设计反射阵中的应用。随后，人们又提出一种利用相同形状相同尺寸而不同角度 旋转的圆极化贴片来设计反射阵列天线的方法f 7 】【8 】。由于不同旋转角度的贴片会导致不 同的相位差，所以通过物理地旋转贴片单元到一定角度，就可以实现不同的相位补偿从 而得到同相的远场波束。由于大量看似无规则排列单元的平均效应而减小了副瓣和交叉 极化电平。而因为相同的尺寸有相同的谐振频率所以效率也会提高，因此这种方法较之 前面两种方法更优越。 微带反射阵列天线在近期又有一些新的发展，如九十年代出现了利用不同长度的 偶极子单元组成频扫反射阵列以及不同直径的圆环组成菲涅尔结构的反射阵【9 1 。在1 9 9 6 年的相控阵列会议上，还出现了两种引入了相移器的反射阵列，它们都能实现宽角度的 波束扫描。在九十年代末期，一种通过在薄膜上添加反射单元可应用于宇宙飞船的可充 气天线装置出现。到了二十世纪末期，反射阵列天线技术已发展足够成熟，并且在微波 和毫米波领域有了各种各样的应用。 n - - 十一世纪早期，微带反射阵列天线又取得飞速的发展，不仅天线性能有极大 的提高，而且出现了一些新的技术。如利用多层贴片技术将反射阵天线带宽从百分之几 提高到百分之十以上。还出现了阵列口径为3 m 、工作在k u 波段、有2 0 万个反射单元 的可充气反射阵列，这是目前微波毫米波谱域电尺寸最大的可充气反射阵列【l0 1 。另一个 杰出的贡献是遗传算法在优化微带反射单元中的应用，极大提高了天线的总体效率。而 将反射单元和太阳能电池结合以及利用折叠结构都是意义重大的创新。除此之外，近期 重要的创新还有光控反射阵的出现以及利用平板印刷术制造的工作在红外频率上的反 射阵列天线。 1 3 本文研究内容 本文围绕微带反射阵列天线设计进行了深入的研究。针对微带反射阵列天线的典型 结构，重点研究了微带天线实现宽带的机理及主要技术，在此基础上研制出一个带宽达 到2 0 的微带反射阵列天线。本文主要研究工作包括： 1 介绍了微带反射阵列天线的研究背景及国内外发展状况与趋势，以及本文的主 要工作。 2 详细阐述了微带反射阵列天线的基本原理、典型结构和设计计算方法；并针对 微带反射阵列天线带宽较窄的缺点，深入分析了反射阵元带宽、单元位置和间距以及馈 源带宽对反射阵列天线带宽的影响。 3 l 绪论硕士论文 3 研究微带反射阵列天线的设计和仿真方法，详细介绍了利用波导模拟器仿真微 带单元得到相移曲线的方法，系统探讨了微带反射阵列总体设计方法。 4 在前面理论学习和研究的基础上，设计并研制一款有1 6 1 个微带单元的双层贴 片结构的微带反射阵列天线，天线中心频率在1 2 5 g h z ，带宽约为2 0 ，天线最大波束 方向为0 = 2 0 。方向，增益为2 5 d b 左右，测试结果与仿真结果吻合良好。 4 碘十论文磁带反射昨列x 线的研究设t i 2 徽带反射阵列天线的基本原理与总体分析 2 1 微带反射阵列天线的基本原理 微带反射阵列天线由一个印刷有大最徽带辐射元的平向阵列和一个镄源天线( 多为 喇叭) 组成，其中每个微带单元本身包含着某种移相结构以达到在被镄源天线照射时能 够形成某个方向的同扣平行波束，如图21 。 口匕 一= e oq 移国 卜+ 口口 鼋冒 翻2i 馓芾反射阵列天线结构形式 它的工作原理足这样：位于中心焦点或者偏心位置的馈源喇叭工作在发射模式而 假设微带反射元全音| 【处于馈源喇叭的远场区域，那么，从一定角度入射到每个反射元上 的电磁渡局部地就可以认为是平面波，对于球面波的传播来说，其相位则与馈源喇叭的 相位中心到每个反射元之间的距离成正比关系。为了将喇叭辐射出来的球面波转变成一 个聚焦波束，从每个反射单元反射出去的场必须有合适的相移。从经典的阵列理论可知， 每个反射元的相位都要单独地进行调整，使在甲板阵列面上产生一个渐进的相位柬得到 某个方向的笔形波束。而由纯相位台成方法可知其它形状的波束则同样可以通过合适 的相位分布来得到。 2 1 1 反射波相位差的计算 传统抛物面天线由于抛物面的特殊性质，由馈潦到反射面再到口径面不存在相位 差，所以到选口径面上的反射波是等相位的。但是对于甲面反射阵列天线而言，由于馈 电喇叭到每个辐射单元的空间距离不再相等，从而会造成因为不同的传输路径而引起的 2 微带反射阵列天线基本原理与总体分析 硕士论文 空间相位延迟如图2 2 ，其中 矽= a s x 2 万2 ( 2 1 ) 所以，在微带阵列设计中必须补偿这个空间相位差，来使得平面阵列的1 3 径场取得与反 射面口径场一致的相位。 r e f l e c l - a r r 尉r 一、谢 s 1 图2 2 不同位置形成的空间相移差 图2 3 形成特定方向波束相移差的计算 微带反射阵设计的重点就是合理设计每个贴片的形状以补偿从馈源到每个贴片的 相位延迟，使每个贴片在我们需要的某个方向上达到同相。如果想要得到微带阵列主波 束方向为一r o ，则阵列中第i 个贴片需要调节的相位为1 1 1 ： 谚= 2 x n + k o ( r , 一，；r o ) ，n = 0 ，1 ，2 ，3 ( 2 2 ) 6 硕士论文微带反射阵列天线的研究与设计 式中一r i 表示馈源到第i 个贴片的位置矢量，i 表示阵列中心到第i 个贴片的位置矢量， 一r o 表示沿主波束的单位矢量。 2 1 2 典型的相移补偿方式 微带反射阵列天线的核心问题就在于如何设计每个单元的结构与尺寸，使之对于 入射波实现特定的相移，使整个反射波在要求的方向上达到相同的相位，从而以笔形波 束的形式发射出去。通常情况下，每个反射元所需要引入的相移可以通过改变反射元的 某个结构参数来得到，相移补偿主要有以下四种典型的方式： 一是通过在微带贴片上加载不同长度的相位延迟线来实现不同角度的相移 1 2 - 1 4 】，如 图2 4 所示，这种结构的微带反射单元由许多尺寸大小完全相同的微带贴片组成，每个 贴片上连接有一条不同长度的短路或者开路传输线。馈源照射贴片上时，贴片会受到激 励而产生振荡并辐射出能量，能量传输到传输线末端时，被反射回来再重新辐射出去。 由于连接在贴片上的传输线等效为终端开路的电抗加载，当传输线的长度发生变化时， 加载的电抗值也随之变化，于是反射波的相位也作了相应的改变，因此连接在贴片上的 传输线实际上起到的是一个移相器的作用，我们可以称之为相位延迟线。通过调节每一 条传输线的长度可以使贴片反射的波达到所需要的相位，从而形成特定方向的笔形波 束。 甲目 口目 图2 4 加载相位延迟线的微带反射阵列 二是通过改变微带反射元的尺寸大小来实现相位补偿1 5 1 7 】，如图2 5 所示，通过改 变偶极子的长度，圆环的直径大小以及贴片的尺寸，就能得到不同的相移。 o 口口 带口口 图2 5 改变尺寸大小的微带反射阵列 2 微带反射阵列天线基本原4 与总体丹析颂论文 它的工作基于反射波的相位会随辐射单元的谐振长度而改变的原理。微带天线是一 个谐振结构，所以其长度应该大约等于介质中的半个波长，一旦微带元长度被改变，反 射波的相位相应地就会改变。对于谐振贴片来讲，由于贴片天线的高0 值特性，导致了 贴片尺寸的微小改变就会引起反射波大范围的移相。因此可以通过改变每一个反射单元 的尺寸大小来实现单元谐振频率的微调，从而使得每个单元在特定的方向达到要求的同 相位。 三是将微带单元旋转不同的角度来实现不同的相移“o “1 ，如图2 6 所示，这种旋转 结构的微带反射阵列天线是由相同的圆极化贴片结构单元组成，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。 目o qq q6 q 口q q9 口 图2 6 旋转不同角度的微带反射阵列 四是通过在贴片或贴片下的地板上加载缝隙来实现微带反射阵列天线的相移1 2 3 - 2 s 】， 其基本的结构如f 图27 所示，通过调节贴片上或者地板上缝隙的长度可以实现贴片单 元反射波不同的移相位。在贴片上加载缝隙结构可以实现相移是由于贴片上加载的缝隙 结构加长了贴片上电流所流经的路径长度，因此增加缝隙的长度就相应地降低了贴片的 谐振频率，于是就引入了反射波的相移。而在地板上加载缝隙同样能实现相移则是由于 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。 引入的电感值基本上由缝隙的长度决定，因此改变地板上缝隙的长度就能得到不同的相 移角度。 图27 加载缝隙的微带反射阵列 留 一 铲 | 一 硕士论文微带反射阵列天线的研究与设计 2 2 微带反射阵列天线结构设计 微带反射阵列天线有两种结构方式，一是中心馈电结构，二是偏心馈电结构，如图 2 8 。由于反射阵天线的结构与天线效率有很大关系，选取何种结构方式主要取决于天 线的焦径比f d 以及所要求的孔径效率大小。 馈源 微带反射阵列 图2 8 中心馈电与偏心馈电结构 影响微带反射阵列天线效率最主要的两个因素跟抛物面天线类似，即由反射面的口 径照射效率( i l l u m i n a t i o ne f f i c i e n c y ) 和馈源的溢出效率( s p i l l o v e re f f i c i e n c y ) 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。反射面的口径照射效率主要是 因为馈源的照射类似为锥形的照射，导致微带反射面的贴片单元接收到幅度不等的入射 波引起的。在均匀幅度入射波的激励下，微带反射阵列天线的等效口径效率即为1 0 0 ， 而天线的溢出效率定义为照射到反射面上入射波的能量与整体入射波能量的比值。由以 上分析可以看出，反射面天线的口径照射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。 根据以上论述，我们将反射阵列天线的孔径效率定义为e l 径照射效率矾与馈源溢出 效率7 7 。的乘积，即： r l = 仍仇( 2 3 ) 对于中心馈电结构的反射阵列，其口径照射效率由下式给出： ”盟竺嬖型姜篓二竺! ：堡世 2 t a n 2 钳( 1 一c o s 幻“( 2 9 + 1 ) 】 ( 2 4 ) 馈源溢出效率 仉2 1 一c o s 2 9 + 1 晓 ( 2 5 ) 其中q 为馈源方向图函数c o s q 秒的指数阶数，晓为馈源照射到阵列边缘所形成的半 角，而微带单元的方向图函数可以大概等效为一个余弦函数。 2 微带反射阵列天线基本原理与总体分析硕士论文 qf a c t o ro fc o s q ef e e dp a t t e r n 图2 9 天线效率与馈源方向图因子的关系图 微带反射阵列天线的效率与馈源的辐射特性密切相关。上图2 9 反映了阵列直径为 o 5 m ，有8 9 7 3 个阵元，单元间距为0 5 个波长，工作频率为3 2 g h z ，加= 1 ( 晓= 2 6 6 。) 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口径照射效率 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 = 1 0 5 时，或者说 是当馈源得- 3 d b 波束角为2 9 。时，天线有最佳的总体效率。 1 0 雾 ； 笙 省 笙 山 壶 筮 图2 1 0 天线效率与焦径比f d 的关系图 另外，f d 也是设计微带反射阵列天线效率时需要重要考虑的因素。图2 1 0 硕士论文 微带反射阵列天线的研究与设计 反映了同一个直径为0 5 m ，工作在3 2 g h z 的反射阵列，当馈源辐射函数c o s - 0 中q 为 8 ，一3 d b 波束宽度为3 3 4 。时，阵列反射天线效率与们的关系曲线图。从图中可以看出， 当f d ：0 8 7 时，天线达到最佳的孔径效率。 由以上讨论可以得知，等式( 2 3 2 5 ) 在天线结构设计中有着重要作用，可以根据 这几个方程，合理设计天线的结构，以达到最佳的天线效率。 2 3 微带反射阵列辐射特性分析 为了准确预测反射阵列天线的主波束宽度以及方向、副瓣电平，交叉极化电平以及 方向性等特性，我们需要计算天线的远场方向图。在所有阵元的补偿相位已知的情况下， 反射阵列的方向图可以根据一般阵列理论的方法计算出来，也就是所有阵元方向图的叠 加。如下图2 1 1 中所示，假设一个微带反射阵列包含m n 个阵元，它们被位于位置矢 量己处的低增益馈源非均匀照射，期望得到的波束方向为a 。，那么该反射阵列在d 方向 的远场电场为： m ， e ( 却= f ( 哆) 么( 名。玩) 彳( d 玩) c x p j k ( i 乙- 5l + 东。f i ) + j a 。】 ( 2 6 ) m = ln = i 其中f 为馈源方向图函数，a 是反射单元的方向图函数，乙是第m n 个阵元的位置矢 量，口。为第m n 个阵元所需要补偿的相位角度。欲实现反射波在d 。方向同相位，口舳必 须满足下式： 口。一【l 一弓i + 不。五。】= 2 n x ( 2 7 ) ，m ，n 墩p a t c h 图2 1 l 反射阵列天线分析坐标系示意图 2 微带反射阵列天线基本原理与总体分析 硕士论文 由上式所计算出来的场图是所有阵元再辐射场的总和，仅仅是利用一般阵列理论的 场叠加原理来进行的，而没有将阵元间的互耦考虑在内，但是也能给出主波束宽度和方 向以及大概的方向图信息。一般情况下，微带反射阵列天线包含了很大数目的微带单元， 因此，就算利用现代的计算机能力也很难得到包含互耦在内的完全准确解，但是一定程 度上的近似还是可以的。 2 4 微带反射阵列天线的带宽 在天线的设计中，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。微带反射阵列天线虽然综合了抛物面 天线和微带天线的双重优点，但是它却有个致命的缺点就是带宽窄。抛物面天线带宽在 理论上可以达到无限大，而对于阵列反射天线来说，工作的频带一般都低于5 ，对于 较大的阵列还更低。微带反射阵列天线的工作带宽主要由以下四个因素决定，我们来一 一进行讨论。 2 4 1 反射阵元自身的工作带宽 微带反射元自身的工作频带是影响微带反射阵列天线带宽的最重要因素。对于印刷 在薄介质基片上的贴片来说，一般工作频带宽度只有3 - 5 。因此，设计宽带的微带反 射单元至关重要。宽带微带反射单元的特点就相移曲线在工作范围内的各个不同频率上 相互平行，当频率改变时，相位的改变量只为一个常量。在给定频率上，相移曲线应该 尽量保持平滑并趋于线性。 为了增加微带反射阵列单元的工作带宽，可以增加介质板的厚度，也可以采用孔径 耦合相位延迟线的方法1 2 6 。o 】，以及多层不同尺寸贴片层叠 3 1 - 3 3 】的方式，来得到平滑的线 性相移曲线。 2 4 2 不同位置单元的空间相移 不同位置的单元因为路程差引起的空间相移差的情况可以用图2 2 说明。由此图可 以看出馈源到s l ，s 2 贴片的入射波会产生a s = 是一s 的相移差，s 是中心频率波长厶 的倍数，可以表示为 a s = ( + d ) 厶 ( 2 8 ) 其中n 为整数，d 代表分数值。随着贴片单元位置的不同，( n 坩) 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使之消除引入的空间相 移丛。但是随着频率的改变，( n + d ) 九会改变成为( n + d ) ( 厶+ a ) ，但是微带反射阵列 的设计以及每个单元的相位补偿都是根据中心频率波长厶来计算的，因此存在由于频 率改变所引入的相位偏移误差为( n + d ) 旯。 为了减少频率改变带来的相位误差，必须尽量减少n 的值。为了减少n ，可以从以 硕士论文微带反射阵列天线的研究与设计 下几个方面入手：一是增加微带反射阵列天线焦径比f d 的值，f d 增大，也就相应地减 小了s 的值；二是尽量减少阵列反射天线的口径尺寸，因为在伽比值一定的情况下， 阵列反射天线的口径尺寸越大，频率偏移的n 就会越大；三是利用时间延迟线或者部分 时间延迟线来代替相位延迟线，即在单元设计中使用相位延迟线时，延迟线的长度按照 ( n + d ) a z 取代d a 2 来设计。对于大型的微带反射阵列来讲，还可利用一片片的平面阵 列相连组成微凹的曲面结构来取代完全的平面结构，这样也在一定长度上减小了空间路 程差，从而减小了空间相移。 2 4 3 单元之间的间距 与普通微带阵列天线一样，天线单元的间距对于微带反射阵列天线整体的工作频带 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，随着微带反射阵列天线工作频率 的增加，阵列单元间的电长度也会随之增大，使天线最后出现意想不到的栅瓣( g r a t i n g l o b e ) 效应。通过精确的计算和试验研究表明，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。 2 4 4 馈源的工作带宽 最后一个影响微带反射阵列天线带宽的因素就是馈源的工作频带宽度。由上节中讨 论可知馈源方向图函数对微带反射阵列性能的影响至关重要，因此作为馈源天线，其工 作带宽也要合理地设计才能保证整个反射阵列天线的带宽。一般情况下，馈源方向图要 满足在1 0 左右的工作带宽范围内能够保持其波瓣的一致性。 2 5 本文中微带反射阵列的设计要求 本文设计的微带反射阵列天线的主要性能满足以下指标： ( 1 ) 天线中心频率为1 2 5 g h z ，工作带宽达2 0 ； ( 2 ) 最大辐射方向为偏离微带阵列法线2 0 。方向； ( 3 ) 天线采用喇叭馈电，阵列口径直径小于2 6 0 m m ，增益达到2 5 d b 。 下面的章节中，本文将围绕设计要求，对单元相移特性展开研究，探讨宽带反射元 的设计；对天线整体结构进行设计，根据阵列辐射特性和增益的要求确定馈源喇叭指标、 反射单元指标以及系统整体结构；然后对对馈源喇叭进行设计；并通过对反射阵列天线 进行整体优化仿真获得各部分最终的优化结果。 3 微带反射阵列单元移相特性研究 硕士论文 3 微带反射阵列单元相移特性研究 微带反射阵列天线设计最至关重要的一步就是微带单元的设计，如何设计每个单元 的结构与尺寸，使之对于入射波实现特定的相移，使整个反射波在要求的方向上达到相 同的相位，从而以笔形波束的形式发射出去是反射单元设计的核心问题。 3 1 波导模拟器 相移曲线就是反射波相位随着微带单元某一部分结构参数( 相位延迟线的长度、贴 片的长度、缝隙的长度等) 的改变而改变的曲线，相移曲线必须得到准确的测定，才能 为反射阵的设计提高可靠的依据。应用最为广泛的测定相位的方法就是利用无线阵列方 法，它将周围环境所带来的局部互耦影响也计算在内 3 4 , 3 5 。一般情况下，反射阵列天线 包含大量的微带单元，因此依靠现有的计算机技术很难求解出包含所有不同阵元的互耦 影响在内的完全精确解。这种无限阵列方法则是在假设周围各单元都是完全相同的情况 下利用弗洛盖模式计算出的周期解，它得到的是一个大约解，但是在很多情况下就足够 精确。 我们可以通过商用电磁仿真软件h f s s ( 有限元技术) 中的周期结构来模拟无限阵 列中的一个单元，即在h f s s 中构造一个真实的物理波导模型，将微带反射单元置于波 导的底部，平面波从波导项面入射到波导底部的微带反射单元后被反射回来，然后通过 测量波导项面的反射系数来得到反射单元的相位信息，这种方法就称作波导模拟器方法 ( w a v e g u i d ea p p r o a c h ，w g a ) 。 众所周知，电磁波在矩形波导中的传输可视为若干个均匀平面波向波导侧壁斜入射 叠加的结果【3 6 1 ，以最简单的t e l o 模的传输为例，在下图3 1 中，波导空间的场可看作两 个平面波各以入射角口分别向波导两侧壁入射时场叠加的结果，我们称这两个平面波为 部分波。合成波的反射系数与两个部分波的反射系数是相等的，也就是自由空间对无限 大周期阵列当波以角口入射时的反射系数【3 7 1 。 1 4 图3 1 两个均匀平面波( 部分波) 分别向侧壁入射 硕士论文 微带反射阵列天线的研究与设计 lilllilii 王 刀 ( 、 臼、 ii _iliiiillil h h 图3 2 两个部分波场强矢量的叠加 对于入射角日有： c o s o = a 2 a ( 3 1 ) a 为波导长边的长，如图3 4 ，置于波导底面的微带贴片即可看作被平面波以角度口照射， 此时我们测量波导顶面的s 。，即可获得微带贴片在平面波照射下反射场的幅度与相位。 徽带村 介质树 二 墙 口 图3 3 波导模拟器测量微带贴片的反射( 前视图与侧视图) 这种波导模拟器方法模拟了平面波以口角度倾斜照射到微带单元上的情况，其倾斜 角度9 依赖于波导的尺寸，因此它也不能模拟任意入射角照射时的情况。对于微带反射 单元来讲，反射波相位不仅随着反射单元结构参数的改变而改变，而且和平面波的入射 角9 有关。文献 3 8 中研究了移相曲线随着平面波入射角变化的情况，当平面波入射角 口4 0 。时，相移曲线几乎不随入射角的改变而改变，即在不同入射角情况下相位偏差很 小。因此当入射角度很小时，我们可以利用平面波垂直入射无线周期阵列的方法来近似 模拟平面波倾斜入射情况下的相移曲线。 图3 4 显示了被广泛应用的h 壁波导模拟器( h w a l lw a v e g u i d es i m u l a t o r ) 的方法， 又称作平行板波导仿真器( p a r a l l e l - p l a t ew a v e g u i d es i m u l a t o r ) 。这是一个等效单元模型， 波导上下壁为理想导电壁，而左右侧壁为理想导磁壁，入射到波导中贴片和介质上为垂 直极化t e m 波基模，照射到波导底部的微带单元然后再被散射回来的反射波就包含着 幅度和相位的信息。由镜像理论可知，去掉波导壁引入虚拟镜像源就得到了原始的无限 周期阵列被垂直入射波照射的模型。因此，平面波垂直入射到周期阵列上的反射系数就 l s 3 微带反射阵列单元移相特性研究硕十论文 和t e m 波基模入射到等效的波导结构中的反射系数相等。由这个等效我们就可以通过 等效波导中t e m 波的反射系数来得到反射单元的相位曲线。 e w a ii 量爿l 硼 ( 1 e f t , r i g h t ) 图3 4h 壁波导模拟器原理图 3 2 不同结构类型反射单元的相移特性研究 如前所述，实现反射波相移补偿的方式有加载相位延迟线、加载缝隙结构、改变 贴片尺寸大小、以及旋转不同角度四种典型的方式。旋转不同角度的反射元结构只能实 现圆极化天线的设计，所以在线极化阵列设计中就不予考虑。本节针对线性极化天线， 利用h f s s 仿真软件，采用h 壁波导模拟器方法来研究前三种方式的相移特性。 3 2 1 加载相位延迟线型反射单元移相特性 图3 5 为加载相位延迟线型微带反射单元，介质板材料为占，= 3 4 8 的r o g e r s 4 3 8 0 ， 厚度为1 5 2 m m ，贴片长度为1 0 r a m ，宽度为6 9 m m ，天线工作在1 0 g h z 。为了实现反射波 的移相，在贴片中间加载了一定长度的延迟线。为了充分发挥传输线的移相功能，贴片 的输入特性阻抗与传输线的特性阻抗要基本实现匹配，也就是传输线的特性阻抗必须等 于或者接近贴片的输入特性阻抗，保证能量可以有效传输到相位延迟线上。因此根据微 带贴片天线分析方法以及微带线阻抗计算方法，延迟线的宽度设计为o 1 l m m 。 1 6 图3 5 加载相位延迟线型微带贴片 硕士论文微带反射阵列天线的研究与设计 、 o o o 、二 产 ，( m m ) 图3 6s 1 1 相位随相位延迟线长度变化的相移曲线图 如图3 6 为h f s s 仿真得到的其相移曲线的结果，可见，当相位延迟线长度，在0 5 m m 到9 5 m m 之间变化时，反射系数s l l 的相位随着延迟线长度，的改变而改变，相移曲线 接近一条直线，具有良好的线性特征，相移范围达到3 6 0 。左右。不断增加延迟线的长 度，相移范围还会进一步增大。但是由于微带阵元间距的限制，加载相位延迟线的长度 有限，为了得到大范围的相移往往还需要弯曲或折叠，这样就会产生消散损耗和伪辐射， 带来很大的交叉极化。 3 2 2 加载缝隙型反射单元移相特性 图3 7 为加载缝隙的微带反射单元，介质板材料为占，- - 2 2 ，厚度为0 7 8 7 m m 的 r o g e r s 5 8 8 0 ，贴片长度为5 r a m ，宽度为3 r a m ，贴片中间加载宽度为= 0 2 m m 、长度为 三曲的缝隙，天线工作在2 0 g h z 。如图3 8 为h f s s 仿真得到的相移曲线结果，可见，由 于缝隙加载相当于加载了电抗，反射系数的相位随着缝隙长度三姓的改变而改变，当缝 隙长度由3 2 5 m m 到3 7 5 m m 之间变化时，相移范围达3 0 0 。左右，相移曲线比较平滑。 图3 7 加载缝隙型微带贴片 3 微带反射阵列单元移相特性研究 碰十论女 守 已 l “( r n m ) 图3 8 反射被相位随缝隙长度n 改变的曲线图 南于贴片上可加载的缝隙长度受贴片长度限制，加载缝隙型的微带反射单元，反射 波相移范围有限，而且缝隙存在后向辐射，所以这种在地面加载缝隙的结构会出现后向 辐射而导致能量损失。 3 2 3 改变贴片尺寸型反射单元移相特性 改变贴片尺寸型反射单元不需要额外加载相位延迟线或者缝隙结构而是直接通过 改变微带贴片本身的尺寸就可以实现移相，这种方式不用考虑调节枝节线或者缝隙与贴 片之间的阻抗匹配，因此它的结构简单设计容易，而且由于没有延迟线带来的泄露辐射， 它交差极化性能也更好些，耗散损耗更低，具有更好的多极化性能和带宽性能比较适合 用来设计大型的微带反射阵列天线。因此本文中主要研究改变贴片尺型反射单元的特 性，通过改变贴片尺寸大小来设计微带反射阵列。 i ：。 囝3 9 改变尺d 型微带反射单兀图 硕士论文 微带反射阵列天线的研究与设计 如图3 9 所示为一个改变贴片尺寸型的矩形微带反射单元，介质材料为= 3 3 8 ，厚 度为0 5 0 8 r a m 的r o g e r s 4 0 0 3 介质板，贴片宽度为9 m m ，长度为，天线工作在i o g h z 时反射 波相移随着贴片长度，改变而改变的相位曲线仿真结果如图3 1 0 所示。 ，、 o d 、- 一 = c d z f