宽带透射阵设计及其近场研究

张岩/ZHANG Yan，赵超超/ZHAO Chaochao，贾田扬/JIA Tianyang

（1. 北京航空航天大学，中国北京 100191；2. 中国科学院空天信息创新研究院，中国北京 100094）

在传统设计方案中，电磁波的调控主要通过介质透镜来实现[1]。随着科技的发展，无线通信、航空航天等行业迫切需要具有高增益、宽频带、小重量等特性的天线，同时基于电磁超表面设计思路的反射阵天线和透射阵天线等概念被陆续提出。与反射阵不同，透射阵的馈源放置于辐射口径面的前侧，避免了馈源遮挡问题。1982年，R.MILNE[2]首次提出透射阵天线，随后透射阵的发展一直比较缓慢。1997年，香港中文大学的K.W.LAM 等[3]通过口径耦合微带贴片加载传输线的方式实现了360°相移的透射阵单元。2006年，M.R.CHAHARMIR等[4]采用多层十字形阵子单元分别设计了单频和双频的透射阵天线。这些均为透射阵的蓬勃发展奠定了坚实的基础。

透射阵的代表性设计方法有3 种：多层频率选择性表面、 接收机- 发射机结构、 极化转换结构。 H.NEMATOLLAHI 等[5]设计了一种3 层透射阵单元，可以实现360°相移。AN W.X.等[6]使用垂直放置的金属圆柱连接两个金属层，可以有效增大传输系数幅度和传输相移范围。然而，由于频率选择表面（FSS）单元的工作带宽具有局限性，整个透射阵的工作带宽十分狭窄。虽然我们可以通过增加层数来扩展带宽，但是随着层数的增加，天线的剖面和复杂度会大大增加。P.PADILLA等[7]提出了一种包括接收天线、微带传输线和辐射天线3个部分的透射阵结构，通过调节微带传输线的长度来实现相位调节。XIAO L.等[8]设计了一种基于紧耦合偶极子的宽带平面透射阵天线，该天线可以在9.5～16 GHz之间稳定工作。具有接收-发射结构的透射阵天线的带宽取决于辐射器和移相器的性能，可有效扩大透射阵的带宽范围。K.MAVRAKAKIS等[9]提出了一种新的基于极化旋转的低剖面、宽频带透射阵结构。透射阵单元包括3 个金属层，相邻金属层之间由介质层隔开。

本文的主要研究内容包括：基于紧耦合偶极子结构和时间延迟线技术设计了一种工作于3～9 GHz 的宽带透射阵单元，然后对其菲涅尔区电场特性进行研究，并对所设计的天线进行加工测试。

1 透射阵设计

本节主要针对基于紧耦合偶极子设计的宽带透射阵天线展开研究，详细介绍了宽带透射阵天线的设计实现过程。

1.1 宽带透射阵原理分析

透射阵天线的主要作用是将球面波转换为平面波，如图1所示。

图1 透射阵工作原理示意图

图1 透射阵工作原理示意图

假设产生的定向波束沿(θ0,φ0)方向传输，出射场的相位记为φi，φi可以表示为：

其中，k0是自由空间中的传播常数，(xi,yi)是透射阵阵面上第i个单元中心位置的坐标。定义Ri为馈源到第i个单元的中心位置的距离，Φi(xi,yi)为第i个单元补偿的相位，公式（1）中等式左右两边分别除以k0，可以得到：

可以看出，在一个频率范围内，一个透射阵单元的等效延迟距离不会随着频率的变化而改变。因此，该透射阵单元可用于补偿该工作频带内任意频率的空间相位延迟。

1.2 宽带透射阵单元设计

宽带透射阵单元的整体结构示意图、上下层偶极子图案如图2所示。该透射阵单元由一对紧耦合偶极子、一对平行双导线和金属接地板3 个部分组成。为避免共模谐振的发生，本文通过基于时间延迟技术的平行双导线来实现超宽带工作频带内的相移可调。

图2 设计的宽带透射阵单元结构模型

其中，两个偶极子天线分别印刷在材料为Rogers RO4003C的介质板上、下表面上。介质板厚度为0.813 mm，介电常数为3.55。紧耦合偶极子天线之间的耦合电容是通过相邻单元末端的横向枝节和位于介质板异侧的寄生贴片引入的。偶极子天线的接地板由两片金属组成，两个金属片之间的间距为5 mm。设计的透射阵单元的具体参数如表1所示。

表1 宽带透射阵单元的结构参数

宽带透射阵单元的设计可以分为紧耦合偶极子天线单元设计和传输线设计两个部分。

1.2.1 紧耦合偶极子天线设计

本文所设计的天线在蝶形紧耦合偶极子单元的基础上，通过在辐射贴片同侧增加横向枝节并在辐射贴片异侧增加寄生贴片实现了相邻偶极子单元之间的耦合电容强度增强，从而实现了超宽带的工作特性。

天线模型及其等效电路如图3所示，C1表示由横向枝节结构产生的耦合电容，C2表示由寄生贴片结构产生的耦合电容。图4为本文设计的紧耦合偶极子天线反射系数与频率的关系图。由图4可以看出，在3～9 GHz的频率区间里，反射系数均小于-10 dB。

图3 设计的紧耦合偶极子天线模型

图4 紧耦合偶极子天线反射系数

1.2.2 传输线设计

为了实现良好的阻抗匹配，我们对传输线的直角弯头进行了切角处理。传输线参数L的取值为1～15 mm内的整数，仿真得到各取值条件下对应的传输系数幅度曲线如图5 所示。从仿真结果可以看出，当L取值不同时，插入损耗均小于1.8 dB，传输系数的相位会随着频率和参数L的变化而改变。

图5 透射阵单元仿真结果

图6给出了透射阵单元在不同频率下的归一化等效延迟距离。可以看出，在不同频率下的归一化曲线几乎重合，这说明该透射阵单元的归一化等效延迟距离在3～9 GHz 频段内与频率无关，满足透射阵宽带工作特性的要求。

在MATLAB 中使用数理统计中的最小二乘法，得到拟合函数如下：

拟合的曲线如图6所示。使用拟合曲线能够有效减少阵面在不同工作频点的误差损耗。

图6 透射阵单元的归一化等效延迟距离

1.2.3 馈源设计

对于本文设计的Vivaldi 天线，在辐射金属面上进行开槽，可减小终端反射的电流，改善天线反射系数，提高天线辐射特性。同时，也可以改变扇形短路端的张角，对馈电部分的阻抗匹配进行优化。图7给出了相应的天线模型及其反射系数曲线和方向图。

图7 Vivaldi天线模型及其反射系数曲线和方向图

1.3 阵面设计

本文设计的透射阵由30×15 个单元组成，阵面尺寸为300 mm×300 mm，焦径比为0.5。图8 为以透射阵中心位置的单元为参照得到的电磁波在空间传输过程中的等效延迟距离分布。依据等效延迟距离和单元传输线参数L之间的函数关系，可实现透射阵的设计。最终的模型图如图9所示。

图8 透射阵口径面归一化等效延迟距离分布

图9 透射阵模型图

2 宽带透射阵天线的性能分析

基于拟合函数的设计方法，本文实现了宽带透射阵天线的阵面排布和联合仿真。距离阵面150 mm 平面处的电场分布如图10所示。

图10 电场分布图

由仿真结果可以看出，在透射阵的菲涅尔区，中心区域的相位波动较小，幅度波动较为明显，这是因为透射阵是以相位为依据进行阵面设计与排布的。经过进一步细化设计后，该透射阵有望用于天线测量系统。

3 宽带透射阵天线的加工应用

为了证实设计方法的有效性，我们加工制造了透射阵样品（如图11 所示），并对样品进行了测试。如图12 和图13所示，天线具有稳定的辐射方向图，能够实现较好增益。

图11 透射阵天线测试演示图

图12 测试和仿真增益和口径效率曲线

图13 不同频率下方向图测试结果与仿真结果对比

4 结束语

本文提出并设计了一种基于紧耦合偶极子的宽带透射阵天线，可实现3～9 GHz 的超宽工作带宽。其中，宽带透射阵单元由紧耦合偶极子结构和平行双导线组成，在较宽工作频带内具有良好的传输特性和360°的相移特性。此外，本文还对菲涅尔区电场分布进行了研究，为了证实设计方法的有效性，对所设计的透射阵天线进行了加工与测试。

致谢

本研究得到北京航空航天大学吕善伟教授和全绍辉教授的帮助，向他们表示感谢！