《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于多諧振單元的雙波束微帶反射陣列天線設(shè)計
電子技術(shù)應(yīng)用
趙晨含，劉利，韓國瑞，劉宇峰
山西大學 物理電子工程學院
摘要： 提出了一種基于阿基米德螺旋線和正弦波混合結(jié)構(gòu)的反射單元，結(jié)合編碼超表面原理，采用“0110…”編碼序列設(shè)計了一款16×12規(guī)模的雙波束微帶反射陣列天線。天線工作于10 GHz，采用Vivaldi天線饋電，實現(xiàn)了穩(wěn)定的雙波束輻射。實測結(jié)果表明，天線-10 dB阻抗帶寬為7.5%（9.56~10.31 GHz），E面雙波束偏轉(zhuǎn)角達13.5°，3-dB波束寬度為9.7°，峰值增益13.0 dBi。通過混合諧振單元設(shè)計，解決了傳統(tǒng)反射陣列相位非線性導致的帶寬受限問題，編碼超表面的應(yīng)用進一步簡化了波束控制復(fù)雜度。
中圖分類號：TN823+.27 文獻標志碼：A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.256588
中文引用格式： 趙晨含，劉利，韓國瑞，等. 基于多諧振單元的雙波束微帶反射陣列天線設(shè)計[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2025，51(12)：83-87.
英文引用格式： Zhao Chenhan，Liu Li，Han Guorui，et al. Design of dual-beam microstrip reflectarray antenna based on hybrid resonant elements[J]. Application of Electronic Technique，2025，51(12)：83-87.
Design of dual-beam microstrip reflectarray antenna based on hybrid resonant elements
Zhao Chenhan，Liu Li，Han Guorui，Liu Yufeng
School of Physics and Electronic Engineering， Shanxi University
Abstract： This paper presents a dual-beam reflectarray antenna operating at 10 GHz, which is designed using hybrid resonant elements combining Archimedean spirals and sinusoidal structures. Based on the principles of coding metasurfaces, a 16 × 12 array employing the encoding sequence “0110…” is developed. A Vivaldi antenna is adopted as the feed source, achieving stable dual-beam radiation characteristics. A prototype antenna was fabricated and measured. Experimental results indicate that the proposed antenna exhibits a -10 dB impedance bandwidth of 7.5% (9.56~10.31 GHz) with excellent impedance matching. At the operating frequency, the antenna demonstrates symmetric dual-beam radiation patterns in the E-plane with stable gain performance. Specifically, the measured 3-dB beamwidth is 9.7°, the dual-beam deflection angle is 13.5°, and the peak radiation gain reaches 13.0 dBi. The use of a hybrid harmonic oscillator unit solved the problem of limited bandwidth in traditional reflect array phased arrays. The application of coding beyond the surface further simplified the complexities of beam control.
Key words : reflectarray antenna；hybrid resonant elements；coding metasurface；dual-beam

引言

微帶反射陣列天線作為一種新型的反射面天線，以其結(jié)構(gòu)輕巧、高增益、空間饋電及優(yōu)異的波束定向性能，正逐漸成為研究熱點。隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的快速發(fā)展，通信需求日益復(fù)雜多樣化，微帶反射陣列天線也相應(yīng)地朝著寬帶化、多頻帶化與波束靈活可控的方向發(fā)展。相較于傳統(tǒng)的單波束天線，多波束天線因其多方向輻射、波束覆蓋范圍廣泛和更大的系統(tǒng)容量，具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

近年來，學者們在多波束反射陣列天線的研究領(lǐng)域取得了諸多進展。例如，文獻[1]提出了一種基于陣列分區(qū)方法的多波束反射陣列天線方案，通過將陣列劃分為四個獨立的區(qū)域以實現(xiàn)多波束獨立反射。然而，這一方案的主要不足在于每個區(qū)域僅能利用部分饋源輻射能量，導致整體效率較低。為克服此類問題，研究人員進一步提出了多種優(yōu)化設(shè)計方法。文獻[2]提出了一種基于多饋源可重構(gòu)反射陣列的二維可操縱多波束天線；文獻[3]研究了利用單饋源生成并掃描多波束的反射陣列天線；文獻[4]則提出了一種基于惠更斯超表面的高增益多波束天線方案。

與此同時，編碼超表面技術(shù)的興起為電磁波的精準調(diào)控提供了新途徑。編碼超表面通過特定的單元編碼排列，可以靈活地控制電磁波的傳播方向、相位和幅度。例如，文獻[5]提出了一種基于編碼超表面的多波束切換天線，通過控制二極管狀態(tài)實現(xiàn)波束切換；文獻[6]設(shè)計了一款可對雙頻段相位進行獨立調(diào)控的小型化雙頻段微帶天線，實現(xiàn)了高增益多波束性能；文獻[7]則將編碼超表面技術(shù)與相位梯度設(shè)計相結(jié)合，實現(xiàn)了多波束的靈活定向輻射；文獻[8]更是通過耦合諧振器設(shè)計出動態(tài)編碼超表面，成功實現(xiàn)電磁波幅相的同步控制。借助編碼超表面設(shè)計反射陣列天線，不僅具備了堅實的理論基礎(chǔ)，還顯著提升了天線性能，并拓展了其功能與應(yīng)用范圍，為無線通信和雷達系統(tǒng)的發(fā)展開辟了新的可能性。

本文提出一種基于多諧振結(jié)構(gòu)的多波束微帶反射陣列天線，通過對傳統(tǒng)阿基米德螺旋線進行改進，實現(xiàn)了工作頻段內(nèi)更加穩(wěn)定的相位響應(yīng)。同時，選用Vivaldi天線作為饋源，以進一步拓寬天線的工作帶寬。此外，利用編碼超表面的設(shè)計原理構(gòu)建了反射陣列，并加工制作了天線樣品。實測結(jié)果表明，設(shè)計的天線-10 dB阻抗帶寬達到7.5%（9.56~10.31 GHz），在工作頻率處能夠?qū)崿F(xiàn)良好的雙波束輻射特性，雙波束俯仰角為13.5°，3-dB波束寬度為9.7°，且峰值增益達到了13.0 dBi。


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作者信息：

趙晨含，劉利，韓國瑞，劉宇峰

（山西大學 物理電子工程學院，山西 太原 030006）


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