平面反射阵天线的优化设计和误差分析

发布时间：2020-09-18 17:10

　　平面反射阵天线作为新型的高增益天线,结合了经典反射面天线和阵列天线的优点,可以通过合理设计阵列平面上各个独立单元的反射相位来实现特定形状或指向的远场波束。反射阵天线因其剖面低、重量轻、增益高、成本低、易集成等优势在近些年得到了快速发展,发展出了多种多样的天线形式,具有广阔的应用前景。论文针对平面反射阵天线在宽带拓展、多频段优化、赋形优化、太空环境下形变误差及工程应用等几个方面存在的问题进行了研究,主要研究内容及创新点如下:1.平面反射阵天线带宽拓展研究。针对单层平面微带反射阵天线在宽带工作方面的劣势,提出了两种新型的宽带反射阵单元——开槽圆形贴片单元和四臂方形螺旋单元。两种单元的反射相位均超过了360度,而且相位曲线的线性度较好。据此分别设计了基于开槽圆形贴片单元的平面微带反射阵天线和基于四臂方形螺旋单元的平面微带反射阵天线,前者的实测1.5-dB增益带宽达到了24%,后者的实测1-dB增益带宽可达34.7%,在单层平面反射阵天线中处于领先水平。2.口径复用平面反射阵天线的优化设计。多频段反射阵天线可以让其口径同时工作在不同的频段,可以实现口径的复用。为提高口径复用率,可以增加反射阵天线的频段。首次在三频段口径复用平面反射阵天线的优化设计中引入了多参数扫描法,设计了旋转嵌套的三方环贴片单元,并对多个独立参数如方环贴片的边长、环宽、环间距、旋转角度等的不同组合进行仿真,得到了单元在10 GHz、15 GHz和20 GHz处的反射相位组合与多个参数尺寸的对应关系。利用粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization,PSO)对反射阵天线的整体相位误差和单元的排布进行了优化,并设计了中等口径的单层微带平面反射阵天线。加工测试结果与仿真结果较为吻合,三频段平面反射阵天线可以正常工作在X、Ku和K波段,实现了阵列口径平面的多频复用。和其他三频段反射阵天线相比,该设计较好地平衡了三个不同频段的性能,在3-dB增益带宽和口径效率方面有较大优势。该口径复用平面反射阵天线的设计流程可以推广到其他多频口径复用反射阵天线的设计中去。3.赋形平面反射阵天线的系统优化方法研究。从天线要实现的目标波束出发,利用生物地理学优化算法(Biogeography-based Optimization,BBO)优化设计了基于中国大陆地形的单层赋形平面反射阵天线,和PSO、遗传算法(Genetic Algorithm,GA)等优化算法相比,BBO算法显著减少了收敛的迭代次数。利用二维离散IFFT和FFT算法不断交替迭代优化设计了对称和非对称的四波束单层赋形平面反射阵天线。MATLAB计算得到的方向图和HFSS仿真的方向图基本一致,验证了优化方法的有效性。4.平面反射阵天线在工程应用方面的探索研究。对平面反射阵天线的误差及其影响进行了研究,首先从理论上分析了反射阵天线不同位置的单元对反射相位误差贡献的不同权重,然后对平面反射阵天线整体在太空环境工作可能出现的误差对辐射特性的影响进行了分析,提出了相关的改进措施。通过改进已有的星载反射阵单元结构,设计了工作于太阳能电池板表面的透明四钥匙单元和基于方形螺旋结构的全金属反射阵单元,并设计了两款可以工作在太空环境中的平面反射阵天线——透明反射阵天线和全金属反射阵天线,两款天线的仿真结果较为理想。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820
【部分图文】：

示意图,高增益天线,示意图,阵列天线

隙天线、阵列天线、抛物面天线等[1]。在星载天线领域，高增益天线如阵列天线[2]和抛物反射面天线[3]一直占据着重要地位，其典型的天线形式如图 1.1所示。金属波导缝隙阵天线[4,5]虽然可以较为容易的实现特定波束指向和波束赋形，而且可以依靠增大自身尺寸来实现高增益，但是却不可避免地带来了重量问题，特别是在空间的综合探测需要越来越多有效载荷来对地球的水环境、大气天气等进行观测的情况下，天线的重量问题更加严峻，严重制约着高精度探测的发展。此外，普通的阵列天线需要较为复杂的馈电网络，特别是相控阵天线，需要消耗大量的移相单元以及 T/R组件，加工制造成本较高。反射面天线选取了抛物面的部分结构作为反射结构，结构较为简单，有较好的波束指向，馈电方式较为简单。但是当频率较高时，对曲面的加工精度提出了较高的要求[6]。另外，如果要实现波束赋形，不规则的反射面加工更为复杂，成本较高。结合了阵列天线和反射面天线的优点的反射阵天线[7,8]应运而生。

反射阵,波导管

便于大规模加工推广；单元设计灵活，可以实现多波束、波束赋形、波束扫描等多种功能。反射阵天线在国内外的研究现状半个多世纪以来，反射阵天线的发展经历了概念提出、缓慢发展、快速发展等几个阶段。20世纪六十年代处于反射阵天线的概念提出阶段。1963年，Berry、 Malech 和 Kennedy三人首次提出了反射阵 (Reflectarray)[7]的概念，他们从反射面天线的简洁性和阵列天线的功能多样性出发，采用一端短路、另一端开口的金属波导作为天线的调节单元，通过改变波导的长度来影响单元的表面阻抗，从而调节从馈源喇叭发出的入射电磁波的相位，整个金属波导的开口平面就等效为了平面反射阵，其原型及测试场景如图 1.2 所示。由于当时广泛应用的天线频段较低，大规模的金属波导阵列体积较为庞大，占用空间较多，重量较重，应用极为不便，因而并未在提出时就得到广泛重视。

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图 1.3 螺旋相位反射阵[8]Figure 1.3 Spiraphase reflectarray年代，随着微带反射阵天线的大量了多种多样的天线类型，主要实现包括一些全金属反射阵[9-21]，主要形反射阵、可重构反射阵[22-32]、折的发展历程线具有很多其他天线无法比拟的优工作带宽通常在 3% 到 5% 之间，微了其实际应用范围。由于反射阵天传统的 S 参数带宽仅仅反映了馈源性。因此，宽带反射阵选取了新的

【参考文献】