一种宽角圆极化平面反射阵天线单元设计

贾 丹，武彦飞，何应然

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

一种宽角圆极化平面反射阵天线单元设计

贾 丹，武彦飞，何应然

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

平面反射阵天线单元的电性能直接决定天线系统技术指标，而常规反射阵单元在大角度照射时工作性能下降，从而难以应用于小焦径比(即大照射角)的紧凑型天线中。针对常规反射阵天线单元宽角性能差的技术难题，提出一种采用匹配层设计的新型反射阵单元。该匹配层将空气中大入射角电磁波转化为介质中的小入射角电磁波，从而改善了单元的宽角工作性能。以一种工作于X频段的金属开口环形反射阵单元为例，采用匹配层设计技术后，天线单元在宽角度范围内的主极化反射率提高，交叉极化反射率下降。

平面反射阵；宽角圆极化；匹配层；折射定律

0 引言

反射阵天线是一种新型的高增益天线，1978年Berry D G等人首次提出反射阵天线[1]。反射阵天线与抛物面天线工作原理类似，反射阵天线系统主要包含馈源和反射面板2部分。与传统反射面天线不同的是，反射阵天线的天线面板为平面形式，面板表面排列大量亚波长尺寸微结构，这些微结构是组成反射面板的反射阵单元，反射阵单元具有相位调制功能[2-3]。通过控制反射面板上不同位置反射阵单元的移相值，可以将馈源发出的球面波转化为高增益的定向波束。目前，反射阵天线技术已经广泛应用于高增益天线[4]、多频天线[5]、低雷达散射截面天线[6]以及多频天线副反射面[7]等设计中。反射阵天线的工作频段也在逐步扩展，逐渐从微波频段拓展到毫米波[8]和太赫兹波段[9]。

最早的反射阵天线单元采用短路波导口作为天线单元，天线体积庞大而笨重。随着印刷电路板工艺的发展，基于金属铜箔微结构单元成为反射阵天线设计的主流形式。与抛物面天线相比，反射阵天线系统具有结构紧凑、重量轻、加工容易以及便于收藏等优点[10]。

反射阵天线的面板为平面结构，当馈源发出的电磁波沿法向照射反射阵天线单元时，天线单元具有良好的移相特性和交叉极化特性，其缺陷在于宽角特性较差[11]。当电磁波斜照射反射阵天线单元时，天线单元的交叉极化电平会明显升高。电磁波的入射角越大，交叉极化恶化越严重。反射阵单元的性能下降将直接导致反射阵天线的性能劣化。另外，工程中使用的反射式天线普遍采用紧凑型的小焦径比设计，相应的馈源照射角在±60°以上。然而常见的反射阵天线单元保持良好反射特性的角度范围不超过±45°。因此，反射阵天线单元的角度特性成为制约反射阵技术进一步发展的技术瓶颈之一。

为了解决平面反射阵天线单元宽角性能差的技术难题，提出一种加载介质匹配层的新型反射阵单元设计方法。该匹配层可以将空气中的大入射角电磁波转化为介质中的小入射角电磁波，从而改善单元的宽角工作性能。在理论分析基础上，设计了一款工作于X频段的宽角圆极化反射阵单元，仿真结果说明该新型反射阵单元设计可提高单元的宽角特性。

1 反射阵单元的角度特性分析

目前，主流反射阵单元采用印刷电路板工艺制作，典型的反射阵单元形式有金属贴片、金属十字、多层金属贴片、金属开口环等[12]。金属开口环单元是一种适用于圆极化电磁波的单元形式，并且通过旋转金属开口环的取向，可以实现360°范围的相位补偿。由于金属开口环单元均工作于谐振频率附近，这种单元组成的反射阵天线具有较高的天线效率[13]。

反射阵天线和抛物反射面天线类似，都采用馈源照射反射面的办法实现高增益天线。为了减小天线系统的体积，馈源的照射角一般在±60°以上。目前文献中报道的反射阵单元的宽角特性并不理想。

为了说明常规反射阵单元的角度特性，对工作于X频段的金属开口环形单元进行仿真分析。图1为金属开口环单元的结构示意图,在介质板(厚度为2.7 mm)上表面印刷金属开口环，金属环外径为3.6 mm，金属环线宽为0.3 mm,金属环开口方向与x轴夹角(α)为60°。介质基板选Arlon AR600，其介电常数为6.0，损耗正切为0.003 5。与方形阵列相比，三角形排布方式具有更好的角度稳定性，因此反射阵单元采用三角形排布方式，相邻反射阵单元的中心距离为6.3 mm。

图1 常规反射阵单元的结构示意图

反射阵天线的下表面为金属地板，因此，当馈源发出的电磁波照射到反射阵单元时，入射电磁波会发生全反射。电磁波经过反射阵单元和金属地板的作用后，其极化纯度会出现一定程度的恶化。为保证反射阵天线系统良好的交叉极化，反射阵单元要求具有高主极化反射率和低交叉极化反射率。

采用左旋圆极化电磁波作为图1反射阵单元的入射波，经过开口环阵列和金属地板反射后的电磁波可以分解为左旋圆极化和右旋圆极化。当电磁波入射到金属板表面时，电磁波的圆极化旋向会发生反转;但是对于金属开口环形反射阵单元，其电磁波的圆极化旋向保持不变。因此，对图 1所示的金属开口环反射阵单元来说，左旋极化为主极化，右旋极化为交叉极化。

在电磁仿真软件CST中采用周期性边界条件，并使用Floquet模式作为端口的激励源，可以模拟无限大周期结构对入射电磁波的响应特性。Floquet模式是周期性边界条件下的电磁场本征模式，它既可以模拟法向入射的电磁波，也可以模拟斜入射电磁波。图2和图3给出了不同入射角度下，反射阵单元的主极化反射系数和交叉极化反射系数。

从图2仿真结果可以看出，在9～12 GHz频率范围内，随照射角增加，主极化能量损耗高达1.0 dB。如图3所示，随着入射角度的增加，交叉极化反射系数逐渐增大。电磁波入射角为50°时，交叉极化反射系数高达-7 dB，这说明损耗的入射能量全部转化为交叉极化。交叉极化上升会导致主极化反射系数减小，天线效率降低。因此，反射阵单元的角度特性导致反射阵技术难以应用于小焦径比天线系统中。

图2 常规反射阵单元的主极化反射系数仿真结果

图3 常规反射阵单元的交叉极化反射系数仿真结果

2 宽角反射阵单元设计原理

为了降低反射阵单元的角度依赖性，本文提出一种基于介质匹配层结构的宽角反射阵单元设计方法。新型反射阵单元的结构组成和工作原理如图 4所示，这种反射阵单元是常规反射阵单元的改进设计。

(a)宽角反射阵单元结构示意图

(b)宽角反射阵单元工作原理示意图图4 宽角反射阵单元的结构和工作原理示意图

在介质基板上表面覆盖一层介质匹配层，匹配层的介电常数介于空气和反射阵单元的介电常数之间，金属开口环位于两层介质板的交界面处。另外，介质匹配层有阻抗匹配作用，减小空气和介质基板间的能量反射，有利于改善单元的交叉极化特性。(为了清晰地示意单元结构，在图4(a)中只画出一部分匹配层结构)。

采用麦克斯韦边界条件和折射定律，对图4所示单元实现宽角反射的工作原理进行定性分析。根据麦克斯韦边界条件，在两种介质的分界面处，介质中的电磁波波矢切向分量相等，由此可以得到：

k0·n1·sin(θ1)=k0·n2·sin(θ2)=k0·n3·sin(θ3)，

消掉等式中的波矢k0后，可简化为：

n1·sin(θ1)=n2·sin(θ2)=n3·sin(θ3)，

该等式为折射定律。其中，折射率n1、n2、n3满足n1=sqrt(ε1),n2=sqrt(ε2),n3=sqrt(ε3)。ε1、ε2和ε3分别是空气、匹配层和介质基板的介电常数。空气、匹配层和介质基板的介电常数满足ε1<ε2<ε3，因此，空气、匹配层和介质基板中电磁波入射角满足θ1>θ2>θ3。当电磁波在空气中以较大角度入射到介质匹配层时，电磁波的入射角度减小；当电磁波继续入射到介质基板时，电磁波的入射角度进一步减小。综上分析，加载匹配层的反射阵单元，从空气中入射的大角度电磁波被转化为介质基板中的小入射角电磁波，改善了反射阵单元的宽角工作特性。

3 宽角反射阵单元的性能分析

基于上述宽角原理，设计了一种X频段宽角圆极化反射阵单元。匹配层选用Arlon AD 250，厚度为4.8 mm，其介电常数和损耗正切分别为2.5和0.001 8；介质基板选用Arlon AR 600，厚度为3.3 mm，其介电常数和损耗正切分别为6和0.003 5。金属开口环位于两层介质的交界面处，金属环外径为6.6 mm，金属环线宽为0.3 mm，金属环开口方向与x轴夹角(α)为60°。反射阵单元同样采用三角形排列，相邻阵元的中心距离为8.0 mm。

图 5为不同开口方向的反射阵单元的主极化和交叉极化反射系数仿真结果，其中电磁波的入射方向为法向入射。由仿真结果可知，该反射阵单元在法向电磁波激励的情况下，具有稳定的主极化反射特性和低交叉极化特性，交叉极化反射系数小于-20 dB。

图5 法向电磁波的主极化反射系数和交叉极化反射系数仿真结果

采用周期性边界条件模拟无限大反射阵面对斜入射电磁波的主极化反射系数和交叉极化反射系数。图6为宽角反射阵单元的主极化反射曲线仿真结果。由于反射阵单元间距变大，并加载了匹配层，其透波频带向低频移动。从图6中可看出，在7～10.5 GHz的宽频带范围内，当入射角逐渐增大到70°的过程中，主极化反射系数优于0.37 dB。与常规单元的主极化反射系数相比，宽角单元的主极化反射系数提高了约0.63 dB。

图6 宽角反射阵单元的主极化反射系数仿真结果

图7为宽角反射阵单元的交叉极化反射曲线。从图7可看出，在0°～70°入射角范围内，宽角单元的交叉极化反射系数优于-13.2 dB。与常规单元的交叉极化反射系数相比，宽角单元的交叉极化反射系数降低了约6.2 dB。上述仿真结果证明，该设计方法改善了反射阵单元的角度特性，扩展了反射阵单元的照射角度范围。

图7 宽角反射阵单元的交叉极化反射系数仿真结果

4 结束语

针对常规反射阵单元对馈源入射角度敏感、大角度入射时单元交叉极化差的技术难题，提出一种基于匹配层技术的宽角单元设计方法，并采用折射定律对该新型宽角单元的工作原理进行定性分析。以金属开口环单元为例，对常规反射阵单元和新型宽角单元进行了大量仿真计算，对比它们在不同入射角度下的主极化反射系数和交叉极化反射系数，仿真分析说明该新型反射阵单元显著提高了反射阵单元的宽角工作性能，可推广应用于紧凑型反射式天线系统中。

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Design of a Broad-angle Circular Polarization Element Used in Reflectarray Antenna

JIA Dan,WU Yan-fei,HE Ying-ran

(The 54th Research Institute of CETC,Shijiazhuang Hebei 050081,China)

The element design is critical to the overall performance of a reflectarray antenna. Unfortunately,the performance of an ordinary reflectarray element will degrade as the incident angle of an electromagnetic wave gets large,which prevents its application in a compact antenna with small focal-length-diameter ratio. A novel reflectarray element loaded with matching layer is proposed in this paper to deal with the narrow-angle range issue of ordinary elements. The matching layer can convert the large incident angle of electromagnetic excitation in the air into small incident angle within the dielectric layer,so the element can work in broad angle. As an example,a metallic split-ring element working at X-band is designed and simulated. The reflectivity of co-polarization wave is elevated and the reflectivity of cross polarization wave is reduced when the matching layer technique is adopted.

reflectarray;broad-angle circular polarization;matching layer;refraction law

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.14

贾丹,武彦飞,何应然.一种宽角圆极化平面反射阵天线单元设计[J].无线电通信技术,2017,43(4):60-63.

[JIA Dan,WU Yanfei,HE Yingran. Design of a Broad-angle Circular Polarization Element Used in Reflectarray Antenna[J].Radio Communications Technology,2017,43(4):60-63.]

2017-02-21

河北省应用基础研究计划重点基础研究项目(16960404D)

贾 丹(1987—)，女，博士，工程师，主要研究方向：超材料天线技术。武彦飞(1991—)，女，硕士研究生，主要研究方向：超材料天线技术。何应然(1986—)，男，博士，高级工程师，主要研究方向：超材料天线技术。

TN821

A

1003-3114(2017)04-60-4