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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 通用RF天線

一種新型寬帶反射陣單元天線設計及性能分析

發布日期：2022-10-17 點擊率：86

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合的產物。它用刻蝕有微帶貼片的平面陣代替傳統的拋物面，通過平面陣上的每個微帶陣元的相位延遲線來調節相位，使反射陣和拋物面一樣有等相位面。

反射陣天線結合了拋物面天線和陣列天線的一些優點，具有體積小、重量輕、易折疊、易共形、成本低、制作簡單等優點，使得它不僅可用在航天航空探測、衛星通信、雷達等軍事領域，也可以應用在接收數字電視廣播、交通預警等民用領域。

但是與拋物面天線相比較，微帶反射陣天線有一個致命的缺陷：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。本文針對這一缺陷，提出了一種新型的單層寬帶反射陣單元，能夠實現360°以上的線性的相位變換。利用這種新型的寬帶單元設計相應的反射陣天線，驗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成，其結構如圖1所示。在反射平面上有許多的微帶反射單元，從饋源發出的波照射在平面陣列上，通過這些微帶單元調節入射波的散射相位，使得波從單元再反射出去時在特定的方向形成同相位，發出方向性極強的筆形波束。

反射陣天線的設計中，帶寬是非常重要的一個指標。而這恰恰是反射陣設計的一個難點。反射陣天線帶寬主要由其單元設計、孔徑尺寸、焦距等決定，一般不會超過10%。對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。而對于大尺寸或超大尺寸的反射陣來說，還有一個不可忽視的因素是不同的空間相位延遲。近年來出現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現的。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計）

反射陣天線結構示意圖

圖1 反射陣天線結構示意圖

3、反射陣單元分析

3.1、反射陣寬帶單元的設計

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

新型反射陣單元結構示意圖

(a) 側視圖

新型反射陣單元結構示意圖

(b) 俯視圖

圖2 新型反射陣單元結構示意圖

3.2、反射陣單元移相特性分析

為了驗證上一小節中設計的反射陣單元的相移特性并估計其帶寬，在Ansoft HFSS中，對該單元進行建模仿真。具體仿真結果如圖3-圖4所示。

12GHz時，相位曲線圖

圖3 12GHz時，相位曲線圖

不同頻率時相位曲線圖

圖4 不同頻率時相位曲線圖

從圖3可以看出，該新型結構的單元能夠獲得400°（對應單元尺寸為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該反射陣單元的相位變化曲線對比圖，由此可以看出該單元具有寬帶特性，能夠應用于寬帶反射陣的設計。

4、反射陣天線設計及性能分析

由于本文預期設計的是一個49單元正饋反射陣，屬于較小規模反射陣，為了減少饋源的遮擋效應，應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。

漸變槽天線結構

圖5 漸變槽天線結構

在確定了饋源、單元結構及陣列間距以后，再計算不同位置的單元的路徑差，從而根據反射陣單元相位曲線圖合理設計每個輻射單元的大小以補償從饋源到每個貼片的相位延遲，使每個輻射單元沿+z軸方向達到同相。整個天線系統結構圖如圖6所示，方形反射平面的邊長為119mm,焦距為120mm。

反射陣天線示意圖

圖6 反射陣天線示意圖

在Ansoft HFSS中對此反射陣天線進行仿真，結果如圖7-圖9所示。

12.5GHz時，反射陣天線輻射方向圖

圖7 12.5GHz時，反射陣天線輻射方向圖

此反射陣在12.5GHz時獲得最高增益19.6GHz。圖7給出了12.5GHz時，反射陣天線E面方向圖，可以看出該方向圖主波束寬度達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頻點處的輻射方向圖。從圖中可以看出整個帶寬內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，整個天線在12.5GHz時達到最高增益19.6dB，且在1dB增益帶寬（11GHz~14.7GHz）內方向圖性能均良好，可見此反射陣單元可應用于寬帶設計。

不同頻率時的輻射方向圖