X波段圆极化透射阵天线

韩杼滨，齐洋潇，李建瀛，杜 彪

(1.西北工业大学 电子信息学院，陕西 西安 710129；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

0 引言

透射阵天线是透镜天线和微带阵列天线的组合，具有高增益、低质量、低成本和无馈电网络等优点。透射阵天线与反射阵天线相比，天然地解决了馈源遮挡地问题。近年来，透射阵天线逐渐成为一个研究热点，许多研究方向都值得探索，比如多波束[1]、高口径效率[2]、低剖面[1,3-4]和波束扫描[5-8]等。文献[1]采用了缝隙阵列天线来代替传统的馈源天线，从而降低了透射阵天线的剖面，并且根据优化算法计算补偿相位实现了多波束方向图的赋形。文献[2]基于电路的分析方法提出了一种全金属的透射阵单元，由于完全没有电介质材料的损耗且采用了不同层数的单元设计透射阵，该透射阵天线可以达到62%的最大口径效率。文献[3]基于一种宽带的带通频率选择超表面设计了一种透射阵单元，该单元能够在大入射角度下保持稳定的性能，因此能够在0.36的焦距比下拥有16%的1 dB增益带宽和60%的最大口径效率。文献[4]采用了将传统透射阵进行折叠的方法，可以让透射阵天线剖面降低到原来的1/3，但是由于电磁波的多次反射会引入较大损耗，导致该透射阵天线口径效率的降低，最终该天线在0.22的焦径比下实现了32.8%的口径效率。文献[5-7]均基于PIN二极管的通断特性实现透射阵单元的相位可重构，通过控制每个透射阵单元上二极管的状态实现波束的偏转。文献[8]基于馈源天线的波束切换实现了透射阵天线的波束扫描。

透射阵天线一般由一个馈源天线和透射阵面组成，其中透射阵面是由周期结构排布的透射阵单元组成。由于馈源天线到阵面上每个透射单元的距离不同，因此单元需要能够实现相位补偿。相位补偿的典型方法有：① 圆极化透射阵通过旋转单元实现相位补偿[9-10]；② 通过改变单元的尺寸实现相位补偿[11-13]；③ 采用相位延迟线实现相位补偿[14-15]。

本文设计和仿真分析了一种具有极化转换功能的透射阵单元，并基于此单元设计了透射阵天线。与传统的透射阵天线相比，该透射阵能够将线极化波转换为圆极化波，并且剖面较低。

1 透射阵天线设计

1.1 透射阵相位补偿原理

透射阵天线由2部分组成：馈源和透射阵面。由于透射阵面上不同位置的单元到馈源的距离不同，因此需要不同位置的单元提供特定的传输相位来抵消空间相位延迟，从而将球面波转化为平面波，实现高增益。平面透射阵上不同单元的传输相位φ(x,y)为：

(1)

式中，λ为自由空间波长；(x,y)为不同透射阵单元的位置坐标；F为馈源天线的相位中心到透射阵的距离，即焦距。对于某一个单元，其位置坐标和焦距都是已知值，因此可以直接计算出其传输相位，再根据计算出的传输相位添加特定的补偿相位从而实现相位补偿。

1.2 透射阵单元的设计

典型的单元结构如图1所示，单元尺寸参数在表1中给出。该单元由2层介质基板和3层金属贴片交叠组成：顶层圆极化贴片、地板和底层U形槽贴片。底层的U形槽贴片作为接收层用于接收来自馈源的电磁波，之后电流通过中心处的金属化通孔传输到顶层圆极化金属贴片从而辐射圆极化波，并且辐射层和接收层贴片中间用地板隔离。介质基板使用的材料为Rogers RO4350(相对介电常数为3.66)，厚度t= 0.762 mm。采用旋转圆极化贴片的设计方案，每个单元均可以实现0°～360°的相位补偿。

图1 透射阵单元结构示意

表1 透射阵单元参数

为了更好地解释该单元的极化转换原理，在HFSS中采用周期边界和FloquetPort进行仿真，电磁波透过该单元后2个正交模式的幅度和相位情况如图2所示。从图2中可以看出，在10 GHz时，线极化波透过该单元后的2个正交模式电磁波的幅度相等，相位相差90°，即线极化波转化为了圆极化波。透射阵单元透射幅度与圆极化贴片旋转角度的关系如图3所示，可以看出随着圆极化贴片的旋转，透射阵单元的透射系数变化较大，但是10 GHz仍然能够达到-3 dB以上。不同频率下的移相曲线如图4所示，可以看出该透射阵单元的移相方法对频率比较敏感。由于透射阵单元在实际情况下大多采用斜入射，因此，图5展示了在斜入射情况下的移相情况。可以看出，在60°的入射角范围内均可以实现要求的移相，且误差可以接受，因此采用0.33焦径比的设计是可以的。

(a) 2个模式的幅度情况

图3 透射阵单元透射幅度与圆极化贴片旋转角度的关系

图4 不同频率下圆极化贴片的旋转角度与传输相位的关系

图5 10 GHz时不同入射角度下圆极化贴片的旋转角度与传输相位的关系

1.3 馈源天线与阵列设计

馈源采用角锥喇叭，由BJ-100标准波导馈电。喇叭参数为：a= 25.4 mm,b= 12.7 mm,W= 22.54 mm,L= 37.54 mm,h= 5 mm。喇叭馈源的E面和H面仿真方向图如图6所示，图中的虚线表示馈源喇叭的E面和H面照射透射阵的边缘照射电平。在半照射角43.9°和56.5°时，边缘照射电平分别为-6.5 dB和-9.0 dB。

图6 喇叭馈源方向图

透射阵及其馈源结构示意如图7所示。

图7 透射阵天线及其馈源结构示意

该极化转换透射阵由周期排布的13×20个单元组成，该矩形口径的尺寸为195 mm×300 mm。透射阵的焦距为101.5 mm，长边口径的焦径比为0.33，短边口径的焦径比为0.52，工作频率为9.6～10.5 GHz。天线在10 GHz时的仿真方向图如图8所示，可以看出形成了一个约24.1 dBi的高增益波束，副瓣电平在-20 dB以下，交叉极化电平也低于-20 dB。

(a) E面仿真方向图

2 天线样机与实测结果

透射阵天线样机照片、喇叭馈源的S11和天线轴比的仿真和测试结果如图9所示，馈源喇叭和透射阵之间用FR4介质板和尼龙柱支撑。从图9可以看出，在9.5～10.5 GHz的频率范围内，天线的S11均小于-10 dB，天线的轴比均在3 dB以下。实测曲线与仿真存在一定差异，主要是由加工误差和测量误差引起的。

(a) 天线S11的仿真与实测

在微波暗室中测试了天线的辐射方向图，10 GHz频率的测试结果如图10所示。从图10可以看出，天线的实测副瓣在-20 dB以下，交叉极化电平小于-20 dB，这与图8中的仿真结果相符。

(a) E面实测方向图

天线增益和口径效率的测试与仿真结果如图11所示。由图11可以看出，透射阵天线在10 GHz处增益和口径效率均达到最大，其中增益约为24 dBi，口径效率约为31%，3 dB增益带宽约为9% (9.6～10.5 GHz)。

图11 透射阵天线的增益和口径效率曲线

表2比较了近几年圆极化透射阵天线的相关文献。可以看出，提出的透射阵天线与已有的圆极化透射阵相比，天线的剖面较低，结构比较紧凑，但是其3 dB增益带宽较小，且口径效率不高，这是后续有待改进的地方。从图3中可以发现，所设计的透射阵单元的透射系数随圆极化贴片的旋转波动较大，在某些角度下的透射系数下降明显，限制了该天线的最大增益以及最大口径效率。从图4中可以看出，透射阵的调相方式对频率较为敏感，限制了该天线的3 dB增益带宽。

表2 同类天线测试性能比较

注：文献[13]与文献[16]中的透射阵为圆形，因此天线口径中给出的是天线口径面半径的电尺寸，其余文献均为矩形。

3 结束语

本文提出了一种X波段圆极化透射阵天线。采用线极化贴片作为接收单元和圆极化贴片作为辐射单元实现了线极化波到圆极化波的转换，通过旋转圆极化贴片实现相位补偿。基于上述单元设计的透射阵天线在10 GHz处增益达到24 dBi，其口径效率为31%，3 dB增益带宽为9.6～10.5 GHz(9%)。后期可以通过增加介质匹配层来提高透射阵单元的透射系数，从而提高天线的增益和口径效率。