一种新型宽带反射阵单元及其应用 卫星通信, 数字电视, 成本, 军事, 领域

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引言
微带反射阵天线是抛物面天线和微带阵列天线相结合的产物。它用刻蚀有微带贴片的平面阵代替传统的抛物面，通过平面阵上的每个微带阵元的相位延迟线来调节相位，使反射阵和抛物面一样有等相位面。
反射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的一些优点，具有体积小、重量轻、易折叠、易共形、成本低、制作简单等优点，使得它不仅可用在航天航空探测、卫星通信、雷达等军事领域，也可以应用在接收数字电视广播、交通预警等民用领域。
但是与抛物面天线相比较，微带反射阵天线有一个致命的缺陷：窄带特性，这主要是由反射阵单元的相位变化范围有限(<360°)以及相位变化曲线陡峭造成的。本文针对这一缺陷，提出了一种新型的单层宽带反射阵单元，能够实现360°以上的线性的相位变换。利用这种新型的宽带单元设计相应的反射阵天线，验证了该反射阵单元的宽带特性。
2 反射阵天线介绍
微带反射阵天线由微带阵列和馈源构成，其结构如图1所示。在反射平面上有许多的微带反射单元，从馈源发出的波照射在平面阵列上，通过这些微带单元调节入射波的散射相位，使得波从单元再反射出去时在特定的方向形成同相位，发出方向性极强的笔形波束。
反射阵天线的设计中，带宽是非常重要的一个指标。而这恰恰是反射阵设计的一个难点。反射阵天线带宽主要由其单元设计、孔径尺寸、焦距等决定，一般不会超过10%。对于小尺寸的微带反射阵来说，影响其带宽的最重要的因素是单元的带宽。而对于大尺寸或超大尺寸的反射阵来说，还有一个不可忽视的因素是不同的空间相位延迟。近年来出现了很多的展宽反射阵带宽的方法，最主要的是通过展宽单元的带宽来实现的。在展宽带宽之后，反射阵天线在性能上亦能与抛物面天线相比拟。


图1 反射阵天线结构示意图
3 反射阵单元分析
3.1 反射阵宽带单元的设计
图2给出了新型微带反射阵单元的结构图。该单元工作的中心频率为12 GHz，微带贴片置于边长为17 mm(约为0.68λ)的方形介质板中心。介质板的相对介电常数2.65、厚度为0.79 mm，且与地板之间有3 mm的空气层。介质板上层的贴片单元具体结构如图2 (b)所示，其尺寸相对大小在图中给出。


(a) 侧视图


(b) 俯视图
图2 新型反射阵单元结构示意图
3.2 反射阵单元移相特性分析
为了验证上一小节中设计的反射阵单元的相移特性并估计其带宽，在Ansoft HFSS中，对该单元进行建模仿真。具体仿真结果如图3-图4所示。


图3 12GHz时，相位曲线图


图4 不同频率时相位曲线图
从图3可以看出，该新型结构的单元能够获得400°(对应单元尺寸为2.5 mm～4 mm)的线性相位变化曲线，且曲线坡度较平缓。图4给出了在一定的频率范围之内该反射阵单元的相位变化曲线对比图，由此可以看出该单元具有宽带特性，能够应用于宽带反射阵的设计。 反射阵天线设计及性能分析