RF學習存檔 反射陣天線 01

2021-10-21 14:29:12 字數 2186 閱讀 4448

反射陣天線(reflectarray antenna)

大多數雷達和遠距離通訊需要高增益天線。傳統的高增益應用依賴於拋物面反射器或陣列。然而,拋物面反射器由於其特殊的曲面,在許多情況下(特別是在較高的微波頻率下)很難製造。拋物面反射器也缺乏實現廣角波束掃瞄的能力。另一方面,當配備可控移相器時,高增益陣列天線可以通過電子方式實現廣角波束掃瞄,但是由於其複雜的波束形成器和許多高成本放大器模組而導致變得非常昂貴,必須使用放大器模組來緩解高損耗波束形成器和移相器**現的與功率效率相關的問題。反射陣天線由於減輕與拋物面反射器或傳統陣列相關的缺點而得到廣泛應用。

反射陣天線一般由乙個平坦或微彎曲的反射面和乙個饋電天線組成,如圖1.1所示。在反射面上,有許多沒有任何功率分割傳輸線的輻射元件(如開放端波導、印刷微帶貼片、偶極子或環)。饋電天線在空間上輻射這些反射陣元件,這些反射陣元件被預先設計成用形成遠場距離平面相位所需的電相位重新輻射和散射入射場。換句話說,所有元素的預先設計相位被用來補償與不同路徑長度(s1, s2,…,圖1.1中的s n)。這一操作在概念上類似於使用拋物面反射器,利用其獨特的曲率反射並形成乙個平面相位前,當進給被放置在其焦點。饋電天線在空間上照射這些反射陣列元件,這些反射陣列元件被預先設計成用電相位來再輻射和散射入射場,這些電相位需要在遠場距離上形成平面相位波前。因此,術語「反射陣」有時被用來描述反射陣,它利用反射陣和陣列兩種技術。如圖1.2所示,反射陣列元件有幾種方法來獲得平面相位波前。一種是使用相同的微帶貼片,貼上可變長度相位延遲線,這樣它們可以補償來自饋電的不同路徑上的相位延遲。

另一種方法是使用可變尺寸的貼片、偶極子或環,這樣元件可以有不同的散射阻抗,從而有不同的相位來補償不同的饋電路徑延遲。對於第三種方法,僅對於圓偏振,反射鏡陣列具有所有相同的圓偏振元件,但是具有不同的角度旋轉,以補償饋電路徑長度的差異。

已經開發了使用印刷微帶元件的反射陣列,以實現低反射表面面積、小天線質量和低製造成本。圖1.3顯示了乙個使用帶有可變長度延遲線的印刷貼片元件的反射陣列的結構。這些印刷反射陣列結合了傳統拋物面反射器天線和微帶陣列技術的一些顯著特徵。當用作大口徑天線時,它的優點和缺點將在下面單獨討論。

優點

類似於拋物面反射器,反射器陣列對於非常大的孔徑可以獲得非常好的效率(> 50%),因為不需要功分器,因此這裡遇到非常小的電阻插入損耗。另一方面,與陣列天線非常相似,反射陣列可以將其主波束設計成從其寬邊方向以大角度(> 50°)傾斜。低損耗的電子移相器可以整合到廣角電子束掃瞄的元件中。有了反射陣列的這種波束掃瞄能力,就不再需要傳統相控陣的複雜的高損耗波束形成網路和高成本發射/接收放大器模組。印刷反射陣列的乙個顯著優點是,當大孔徑(例如,10公尺大小)太空飛行器天線需要展開機構時,與拋物面反射器的雙曲面所需的摺疊機構相比,反射陣列的平坦結構允許更簡單和可靠的摺疊機構。此外,可以使用滾動機構來部署用大而平的薄膜反射陣列孔徑增強的影響系統,以形成可影響的天線。反射陣列的平坦反射表面也適合於齊平安裝在現有的平坦結構上,而不會顯著增加整個系統結構的質量和體積。印刷微帶天線形式的具有數百或數千個元件的反射陣列可以用簡單且低成本的化學蝕刻工藝製造,尤其是當大量生產時。

這種天線的另乙個主要特點是,由於反射陣列中有大量具有基本相位調整能力的元件,它可以通過使用相位合成技術來獲得非常精確的輪廓波束形狀。類似於拋物面反射器,多波束能力也可以通過在天線的焦點區域放置多個饋電元件來實現。反射陣列技術可以應用於整個微波頻譜,也可以應用於公釐波頻率。

缺點

有了上述所有能力,反射陣列天線還有乙個明顯的缺點。這是其固有的窄頻寬特性,根據其元件設計、孔徑大小、焦距等,頻寬通常不能超過10%。反射器陣列的頻寬效能與拋物面反射器的頻寬效能不匹配,後者理論上存在無限頻寬。對於印刷微帶反射陣列,其頻寬主要受兩個因素限制。乙個是反射陣列表面微帶貼片元件的窄頻寬,另乙個是差分空間相位延遲。

微帶貼片元件通常具有大約3%至5%的頻寬。為了實現傳統微帶陣列的更寬頻寬,已經採用了諸如將厚襯底用於貼片、堆疊多個貼片以及使用順序旋轉的子陣列元件的技術。據報道,頻寬超過15%。

第二個相對限制因素,差分空間相位延遲,可以是最好參考圖1.4來解釋,其中差分空間相位延遲

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