一体化馈源大角度扫描折叠式反射阵列天线

张翀 韦高 许家栋 李建周 吴昌英 王彦芳 朱富国

(1.西北工业大学电子信息学院,西安 710129; 2.河海大学计算机与信息学院,南京 211100;3.南京电子技术研究所,南京 210039)



一体化馈源大角度扫描折叠式反射阵列天线

张翀1韦高1许家栋1李建周1吴昌英1王彦芳2朱富国3

(1.西北工业大学电子信息学院,西安 710129; 2.河海大学计算机与信息学院,南京 211100;3.南京电子技术研究所,南京 210039)

卫星通讯服务的快速增长催生了对于“动中通”设备旺盛的需求．由于具有低剖面、加工方便、功能实现多样等特点,折叠式反射阵列具有应用于“动中通”系统的巨大潜力．针对这一应用需求,提出了一种具有大角度扫描能力的折叠式反射阵列设计方案,基于多层印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)技术，设计了一种工作在C波段可用于折叠式反射阵列具有60°扫描能力的微带缝隙单元,利用该单元设计了0°、45°和60°波束指向的固定波束折叠式反射阵列．此外,使用阵列馈源替代传统喇叭馈源,完成了馈源与主反射面的一体化设计,实现了折叠式反射阵列天线结构的平面化．固定波束折叠式反射阵列的仿真和实测结果表明在4.85～5.15 GHz的频率范围内,阵列具有60°波束扫描的能力．

折叠式反射阵列;微带缝隙阵列单元;一体化馈源;大角度波束扫描

DOI 10.13443/j.cjors.2015100601

引 言

卫星通讯服务的快速增长催生了对于“动中通”设备旺盛的需求,而作为整个通讯系统中的关键子系统,高增益天线一直是该领域的研究热点之一．由于具有加工方便、实现功能多样的特点,反射阵列天线[1-3]近年来吸引了科研人员和工程师们的大量关注．然而,反射阵列天线继承自反射面天线的空间馈电方式使得天线整体高度无法有效降低,这极大地制约了反射阵列天线在“动中通”系统中的应用．针对这一不足,折叠式反射阵列[1, 4-7]通过极化选择栅格的使用,将馈源嵌入到主反射面中(如图1所示),在保留了空间馈电方式低损耗特点的同时,从整体上降低了反射阵列天线高度．因此,折叠式反射阵列天线已成为反射阵列天线中一个重要发展分支,同时也完全具有应用于“动中通”系统的潜力．

图1 折叠式反射阵列天线结构示意图

针对“动中通”系统的应用需求,本文设计、加工、组装并测试了工作在C波段具有不同固定波束角度(波束指向俯仰角为0°、45°、60°)的折叠式反射阵列．在阵元设计中,周期条件下设计的微带缝隙天线单元和低介电常数(相对介电常数εr<2)介质覆盖层的使用将保证阵列单元具有满足设计指标的最大扫描角度．此外,一体化设计的阵列馈源将用于代替传统喇叭馈源并应用到阵列中,尝试实现天线结构上的平面化．

1 基本原理与设计重点

由图1可以看出,折叠式反射阵列天线的结构主要由使用空间馈电形式的馈源天线、实现极化翻转和相位补偿的主反射面以及用于极化选择的极化栅格这三部分组成．来自馈源天线的发射波(虚线)在极化栅格处经过镜面反射折回并照射到主反射面上,经过主反射面上各处阵元的相位补偿以及极化翻转后进行二次辐射．此时,与馈源天线极化方向垂直的二次辐射波(实线)将无反射地透过极化栅格进行传播．为实现不同的波束方向,只需在各个阵元处做出相应的相位补偿即可．

根据上述基本原理可知,主反射面是整个天线设计中的重要环节,而组成主反射面的阵列单元将是其中关键节点．在阵元设计过程中应注意的问题主要有以下几点:首先,阵元设计中不仅要考虑其要达到的性能,而且还应充分考虑到设计方案的可实现性和相应的成本问题．因此,使用印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)加工技术并将微带天线作为阵列阵元是一个合适的选择．其次,选择何种相位补偿的方式．目前,实现相位补偿的方式有两种,即反射式和传输式．其中使用反射式相位补偿方式的阵列设计方便且制作成本低,但是其有限的空余面积,或不利于延迟线的布线,或不利于有源器件和控制器件的集成．因此,本文中的波束扫描阵列选择传输式的相位补偿方式．

此外,馈源天线和主反射面的平面一体化是本文设计工作的另一重点．首先,为实现一体化阵列馈源对传统喇叭馈源的替代,主反射阵中间四个单元的位置被用于阵列馈源的设计．其次,为了节约成本,阵列馈源的层间结构应与阵列单元相同,使得馈源天线和主反射面的各层结构可以加工在同一印制板上．另外,为尽量保证馈源周围单元的准周期工作环境以及出于简化设计的目的,馈源天线的单线极化阵元应在尽量保留原有双线极化单元整体结构的前提下进行单线极化设计．

2 阵元设计

文中天线主反射面所使用的双线极化阵元为微带线转带状线馈电的背腔缝隙天线[8],其层间结构示意图如图2所示．其中第一层为环形辐射缝隙,在对角线方向的角落处为连接第二层和第四层馈电线的准同轴转换结构(连接第二层的带状线与第四层的微带线)．第二层中的馈电线为非对称的带状线,与转换结构相连部分的特性阻抗为50 Ω．为了实现阻抗匹配,其末端变为65 Ω．连接第一层和第四层的金属化过孔与第三层的金属地板组成了缝隙天线的背腔．单元所用介质为聚四氟乙烯玻璃纤维,其标称相对介电常数为2.65．阵元中各部分结构的具体尺寸可参见表1和表2．

图2 双线极化阵元结构示意图

LinLoutLSinSout13.927.628.51.20.45Ws1Ws2Ls1Ls2Ls31.51.010.710.06.0R1R2RpadRholeWm11.81.10.650.41.4

表2 介质层厚度 mm

为了实现大角度扫描,在阵元结构的最上层使用了低介电常数介质盖板[9](相对介电常数为1.4的低发泡聚氯乙烯泡沫板)以减弱阵元输入阻抗随扫描角度变化的剧烈程度,尤其能够改善在大扫描角度时阵元输入阻抗的性能．由于聚四氟乙烯纤维板与其他材料间的粘结性较差,所以单元的四角处留有直径为3 mm的非金属通孔,便于紧固件的使用．

利用商业仿真软件,在周期边界条件下得到双线极化单元在不同扫描角度时TM模和TE模的|S11|仿真结果,如图3所示．由仿真结果可知,该双线极化单元的TE模和TM模的最大扫描角度均达到了60°．其中,TM模的扫描性能要强于TE模．对于TM模,在0°～60°的扫描范围内,其反射系数幅值始终能够保证在14%左右的带宽内低于-10 dB．但是,随着扫描角度的增加,TE模|S11|带宽在逐渐缩小,但仍然能够保证在4.86～5.17 GHz的频率范围内,其反射系数幅值低于-10 dB．另外,由图3(b)中扫描角度为60°的TE模|S11|曲线可以看出,在5.4 GHz处出现了谐振,但是由于单元尺寸被限制在最高工作频率的二分之一波长以下,该谐振点处于工作频率之外,所以避免了扫描盲点的出现．良好的扫描性能将为阵列设计打下坚实的基础．

(a) TM模

(b) TE模图3 双线极化单元|S11|

3 馈源设计

馈源单元结构示意图如图4所示．在尽量保留双线极化单元结构的前提下,将一条微带馈电线去掉并将带状线馈线短路的同时,经过对部分金属化过孔位置进行微调就得到了组成一体化阵列馈源的单线极化单元．另外,其层间结构与双线极化单元完全一致．使用商业仿真软件,在周期边界条件下得到的|S11|仿真结果如图5所示．

利用前文给出的单线极化单元,主反射阵中间四个单元的位置被用于阵列馈源的设计．馈源阵列的平面示意图和背面的馈电网络如图6所示．其中,馈电网络由两级T形功分器构成,SMA接头将以立焊的方式固定在馈电点处．

图4 馈源单元结构示意图

图5 单线极化单元|S11|

图6 阵列馈源及其馈电网络示意图

中心频率(5.0 GHz)下,阵列馈源的实测归一化主平面方向图如图7所示．由图可知,方向图的-10 dB增益下降点位于43°～57°及-43°～-47°的区间内．此外,阵列馈源正向方向的交叉极化电平均优于-20 dB．

(a) E面

(b) H面图7 阵列馈源实测方向图(5.0 GHz)

4 阵列设计

本文中折叠式反射阵列的主反射面由196个单元格构成,其中包括:作为馈源的中间部分4个单线极化单元、处于主反射面边缘的8个安装孔以及余下的双线极化单元,具体排列结构可参考图10中的阵列实物图．每个单元格的尺寸为28.5 mm×28.5 mm,主反射面的面积为420 mm×420 mm,约为49λ2．参照馈源方向图的-10 dB增益下降点,极化栅格被放置在距离主反射面120 mm的位置处,天线焦距与主反射面边长之比约为0.57．根据上述天线关键尺寸,主反射面上各处阵元的相位补偿将由图8所示的三种延迟线布线方式来实现．这三种布线方式将分别覆盖0°～165°、165°～330°和310°～360°的相位补偿范围．

(a) 布线一 (b) 布线二 (c) 布线三图8 微带延迟线布线示意图

利用商业仿真软件,五个固定角度(方位角为0°、90°,俯仰角为0°、45°、60°)波束折叠式反射阵列在中心频率(5.0 GHz)下的归一化主极化方向图以及交叉极化方向图的仿真结果如图9所示．由仿真结果可知,该设计在0°和90°的方位角上均实现了60°的最大扫描角度．波束指向为60°的阵列增益相较于0°波束指向的阵列下降4.0 dB,略大于3 dB的理论值．此外,在-3 dB波束范围内,除一个阵列(方位角90°,俯仰角60°)的交叉极化电平为15 dB之外,其他波束指向阵列的交叉极化电平均优于20 dB．

(a) 方位角0°

(b) 方位角90°图9 固定角度(0°、45°、60°)波束折叠式反射阵列方向图仿真结果 (5.0 GHz)

文中五个阵列天线结构均相同,仅是由于不同波束指向导致所需背面相位延迟线布线有所不同．因此,我们完成了方位角为0°的三个阵列(如图10所示)的加工、组装与测试,通过与仿真数据的对比以验证该设计的可行性．图10中的三组折叠式反射阵列在中心频率(5.0 GHz)下的归一化主极化和交叉极化方向图实测结果如图11所示．由图可见,该设计达到了60°最大扫描角度的要求,且在-3 dB波束范围内具有较低交叉极化电平值．由于加工误差、组装和测试等相关因素的影响,45°波束指向阵列的实测增益略低于仿真结果,其余实测结果(波束宽度、副瓣电平以及交叉极化电平等)与仿真结果基本一致．

另外,这三组折叠式反射阵列的实测增益结果可参见图12．由图可见:0°波束指向阵列在5.0 GHz频率下的实测天线增益值为21.6 dBi;60°波束指向阵列增益值较0°波束指向阵列增益值下降不超过4.3 dB;在4.85～5.15 GHz的频带范围内,阵列增益值变化小于3.0 dB．

图10 折叠式反射阵列实物图

图11 固定角度(方位角0°,俯仰角0°、45°、60°)波束指向阵列方向图测试结果(5.0 GHz)

图12 固定角度(方位角0°,俯仰角0°、45°、60°)波束指向阵列天线增益测试结果

5 结 论

本文利用微带背腔缝隙天线作为阵列单元,完成了工作在C波段具有大扫描角度能力的折叠式反射阵列的设计、加工与测试工作．通过对不同角度的固定波束阵列进行的仿真与测试,证实了该设计具有60°的波束扫描能力．另外,一体化设计的阵列馈源被成功应用到阵列中,实现了天线结构上的平面化．仿真与实测结果验证了所提出设计方案的有效性,良好的性能令该天线具有应用于“动中通”系统的巨大潜力．

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张翀 (1985-),男,辽宁人,西北工业大学电子信息学院电磁场与微波技术专业博士研究生,研究方向为折叠式反射阵列天线．

韦高 (1963-),男,山东人,西北工业大学电子信息学院教授,博士生导师,研究方向为介质测量与反射阵列天线．

许家栋 (1948-),男,安徽人,西北工业大学电子信息学院教授,博士生导师,研究方向为介质测量．

folded reflectarray; slot-type antenna unit-cell; integrated feeding source; large-angle beam scanning

Large-angle beam scanning folded reflectarray with integrated feed source

ZHANG Chong1WEI Gao1XU Jiadong1LI Jianzhou1WU Changying1WANG Yanfang2ZHU Fuguo3

(1.SchoolofElectronicsandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi’an710129,China; 2.CollegeofComputerandInformation,HohaiUniversity,Nanjing211100,China; 3.ScienceandTechnologyonAntennaandMicrowaveLaboratory,Nanjing210039,China)

The booming development in satellite communication service forces the brisk demand for “SatCom-on-the-move” devices. Due to the low profile, the ease of fabrication and realization of multifunction, folded reflectarrays have the potential to be applied in the “SatCom-on-the-move” . To fill this application demand, a design method of the wide-angle scanning folded reflectarray is presented in this paper. Based on the multi-layer printed circuit board (PCB) technology, the design of a C-band microstrip slot-typed unit cell with the beam scanning angle up to 60° is accomplished and the folded refelctarrays with discrete beam angles of 0°, 45° and 60° are also designed by using the proposed slot-typed unit cell. In addition, the completely planar structure of the whole antenna is achieved through integrating the array source with the main reflecting face instead of using the traditional horn source. The simulated and measured results demonstrate that the proposed folded reflectarrays have the capability of realizing the large beam scanning angle up to 60° from 4.85 GHz to 5.15 GHz.

10.13443/j.cjors.2015100601

2015-10-06

TN82

A

1005-0388(2016)04-0766-06

张翀, 韦高, 许家栋, 等. 一体化馈源大角度扫描折叠式反射阵列天线[J]. 电波科学学报,2016,31(4):766-771.

ZHANG C, WEI G, XU J D, et al. Large-angle beam scanning folded reflectarray with integrated feed source[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):766-771. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015100601

联系人： 张翀 E-mail: zczcdale@163.com