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一种应用于卫星通信的 Ku频段宽带反射阵天线

范文

刘伟

【摘要】? ? 设计了一款工作于Ku频段、应用于卫星通信的宽带反射阵天线。阵列单元采用的是单层多谐振平行偶极子形式，通过优化单元结构，得到宽频带范围内较线性的反射相位响应及较大的相位变化区间。在此单元的基础上，设计了一个口径480mm的共40×40个单元的反射阵天线，天线在Ku频带内具有稳定的增益及较低的副瓣电平。

【关键词】? ? 卫星通信? ? 宽带? ? 单层? ? 反射相位

引言

反射阵天线是将抛物反射面天线平面化并结合阵列天线的若干优点而形成的一种新的天线类型。相比于弯曲的抛物反射面天线，反射阵天线因其平面化的结构而更易于加工、剖面更低、体积更小、重量更轻[1]。其一般由呈周期性排布单元组成的反射阵面和馈源组成，由于馈源发出的电磁波到反射阵面上每个阵元的传播距离不一致，阵面上的每个单元都需要通过设计使其具有特定的反射相位来补偿因传播距离不一致引入的相位延迟。通过对各个单元的结构进行优化设计使其具备所需的反射相位，就能在辐射远场的所需方向上将馈源发出的球面波汇聚成等相位波前的窄波束。

然而，微带反射阵天线也不可避免地继承了微带的窄带特性，使得天线的增益带宽相对于抛物反射面天线较窄[2]。为了提高反射阵天线的带宽，可以采用多层结构，但相应的加工成本和复杂性也会提高[3-5]。本设计中采用单层多谐振平行偶极子单元形式，通过多谐振拓宽天线带宽，同时单层的结构又保证了加工简易度。

一、单元设计与分析

本设计中采用五个平行偶极子形式的单元，结构如图1所示。此形式的单元本质上是一种多谐振结构，增加单元中偶极子的数量可以增加谐振点的数量，从而展宽反射阵的有效相位响应频率带宽，也能展宽单一频点处单元的有效相位变化范围。

单元印刷在厚度3.175mm、介电常数2.2、损耗角正切0.0009的Arlon Diclad 880介质基板上侧，介质板下侧为反射板。单元周期为12mm，中间最长偶极子的长度为l0，而两侧偶极子相互对称，且长度与l0成比例变化，长度分别为l1=l0×r1，l2=l0×r2。中间偶极子的宽度为w0，两侧第一根和第二根偶极子的宽度分别为w1和w2。中间偶极子与两侧第一根偶极子之间的间距为g1，两侧第一根与第二根偶极子之间的间距为g2。

通过优化调整参数l0，r1，r2，g1和g2的值，可以使单元获得最佳的反射相位响应曲线。单元通过仿真优化后，确定的各参数数值如表1所示。固定其他参数数值后，通过改变中间偶极子的长度l0，可以获得比较线性的反射相位曲线，而且不同频点处的反射相位曲线几乎平行，如图2所示，说明此单元形式具有非常好的宽带特性。

二、反射阵设计与分析

根据优化好的反射阵单元，设计了一款由40×40个单元组成的反射阵天线，馈源采用矩形标准喇叭天线，馈电采用中馈方式，焦距为330mm。

2.1单元相位计算

在图3所示的示意图中，要产生图中所需方向的波束，反射阵中每个单元所需相位值依据以下公式计算：

（1）

k0为真空中的传播常数，（xi ， yi）是单元i的坐标。考虑到馈源辐射到每个单元的传播路径不同，因此每个单元需要一个补偿的相位值，即

（2）

di为馈源的相位中心到单元的距离，为每个单元需要补偿的相位值，通过（1）和（2）可以得出反射阵上每个单元需要设计的补偿相位为

（3）

2.2反射阵天线分析

根据上节计算得出的反射阵中每个单元需要的相位值，通过Matlab编写脚本，在HFSS软件中建立了40×40個单元的反射阵模型，结合馈源喇叭天线进行了仿真计算，并加工制作了天线样机进行了测试，样机如图4所示。

天线的仿真与实测方向图如图5所示，从中可以看出，天线在Ku频段内的增益稳定，在接收和发射频段的中心频点处增益分别为33.7dBi和34.7dBi。

在12.5GHz处的波束宽度为3.6°，副瓣电平为-21.3dB。在14.25GHz处的波束宽度为3.4°，副瓣电平为-22.8dB。实测与仿真的曲线吻合较好，之间轻微的差异主要是由测试工装和环境引起的。

三、结论

本文设计了一款工作于Ku频段、应用于卫星通信的宽带反射阵天线。反射阵元采用的是多谐振平行偶极子形式，阵面为40×40个单元。

最终加工了样机进行验证，天线的实测与仿真性能非常吻合。

参? 考? 文? 献

[1]? J. Huang and J. A. Encinar， Reflectarray Antennas[M]. Hoboken， NJ，USA： Wiley–IEEE， 2008.

[2]? Ji Hwan Yoon， Y. J. Yoon. Broadband Microstrip Reflectarray With Five Parallel Dipole Elements[J]. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters， 2015， 14： 1109-1112.

[3]? J. Encinar and J. A. Zornoza. Broadband design of a three-layer printed reflectarray[J]. IEEE Trans. Antennas Propag， 2003， 51（7）： 1662–1664.

[4]? J. H. Park， H. K. Choi， and S. H. Kim. Design of Ku-band reflectarrayusing hexagonal patch with crossed slots[J]. Microw. Opt. Technol. Letters， 2012， 54（10）： pp. 2383–2387.

[5]? D. M. Pozar. Bandwidth of reflectarrays[J]. Electron. Lett.， 2003， 39（21）： 1490–1491.

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