用于太阳能电站的一种分布式功率放大反射阵天线①

0 引言

在长距离通讯中，有效全向发射功率(EIRP)是一个很重要的品质因数，指在主波束方向发射功率与天线增益的乘积。对于一个传统的具有特定口径的反射阵天线[1]，可获得的增益是有限的。因此，为了提高EIRP，通常采用增加馈源发射功率的方式。然而，反射阵的集中空间馈电机制极大地限制了馈源总输入功率，进而限制了天线的EIRP性能。

通过增加分布式功率放大能力，可进一步增强EIRP，该方法已经在有源相控阵中被证明有效。目前，广泛使用的方法是在反射阵单元中增加集成功放。它们作为二次功放，通过叠加大量的反射阵单元上的功放功率，能够极大地增加反射阵的总发射功率，有效提高EIRP，并显著降低单个功放的功率容量要求。

目前，关于这方面技术的报道还很少。拥有两个正交极化端口的孔径耦合贴片单元结构被广泛研究，文献[2-3]验证了该技术。然而，入射和反射波的隔离较差，以及功放的不稳定阻抗匹配，导致其有源增益相对较低。

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在文献[4-5]中，作者在孔径耦合贴片单元中进一步集成了一个电子相位控制器件，以获得对反射阵单元幅值和相位的控制。在文献[6]中，提出了一种新颖的设计方案，功放被直接集成到狭缝贴片天线中。然而，由于狭缝空间的限制，该方案不适用于高频天线设计。

本文设计了一个12×12孔径耦合贴片单元的C波段反射阵天线，用于实现分布式功率放大能力和改善天线EIRP性能。研究重点是提高反射阵天线的端口隔离和有源增益。方案的基本设计及模拟仿真在文献[7]中也有过报道，详细的贴片单元分析、反射阵样机的制备与测试将会在文中体现。

1 单元设计与仿真

1.1 单元设计与S参数仿真

带有功率放大功能的单元分析过程主要分为两个步骤；首先，将不含功放的贴片单元认为是一个四端口网络。其中，两个弗洛奎(Floquet)端口是x极化波和y极化波，另外两个端口分别连接到功放的输入和输出端口。然后，使用HFSS仿真并提取四端口网络的端口数据。最后，与功放的二端口网络相连，使用安捷伦的先进设计系统(ADS)软件，即可模拟功率放大反射阵单元的弗洛奎端口参数，获得单元的幅值和相位响应特性。

除此之外，端口电路的阻抗不匹配可能会导致反射阵具有较高的旁瓣电平及交叉极化电平[3]。因此，较高的隔离度和良好的阻抗匹配是一个性能良好的功率放大反射阵单元设计的关键。

带有功放的反射阵单元结构如图1所示。

单元被设计成具有两个H形槽的孔径耦合贴片结构。H形槽正交放置在槽平面上，用于耦合上贴片和下微带线的能量。集成在微带线上的功放用于放大接收信号。为了提高隔离度，结构在y方向上对称[3,5,8]。天线单元接收x极化入射波、通过功放增强，然后再转换成y极化的辐射波。该转化机制能够使得单元集成功率放大器的输入及输出端口之间具有较好的隔离。

  

图1 反射阵单元贴片的设计图形

 

Fig.1 Designed graph of reflectarray element

两分钟就可以弄懂的概念或解决的问题，学生应该先放下别的任务，在工具的帮助下，集中精力理解、分析和解决问题。课堂就是验证自主学习成果和加深理解教材的机会。

国际市场：上周，国际尿素价格持续小幅上涨，其中黑海小颗粒尿素离岸价低端和高端价格周环比均上涨5美元/吨，为265-270美元/吨；波罗的海小颗粒尿素离岸价周环比低端价格上涨2美元/吨，高端价格上涨6美元/吨，为 270-280美元/吨；中国小颗粒尿素离岸价周环比低端和高端价格均上涨10美元/吨，为295-300美元/吨。

天线单元的设计参数如下所述。工作频率为5.8 GHz，单元间距41 mm。单元的上层方形贴片是由介电常数为2.2、正切损耗为0.000 9的微波介质基板刻蚀而成，边长为20.3 mm、厚度为0.25 mm。上层贴片基板的下方是2 mm厚的泡沫层，用于提高天线单元的带宽。槽平面和微带线分别在厚度为0.25 mm的第二层基板的上、下面刻蚀而成，如图1所示，基板的介电常数为2.55，正切损耗为0.001 9。微带线的宽度为0.7 mm，在5.8 GHz时阻抗为50 Ω。地板位于微带线下方12 mm处，用于避免背面反射和提高天线单元的整体效率。

  

图2 功率放大器的网络设计

 

Fig.2 Bias network design for power amplifier

功率放大器的网络设计如图2所示，其中直流信号及射频信号之间的隔离至关重要。这里微带线上的射频通路使用两个电容来隔离直流信号；直流回路里使用蛇形线和扇形线实现射频信号的隔离；图2中的电阻用于限制功放的最大电流。

使用HFSS软件仿真分析了孔径耦合单元的阻抗匹配和输入输出端口的隔离性能，仿真结果如图3所示。5.6～6.0 GHz频率范围内，输入及输出端口的反射系数均低于?10 dB；5.4～6.2 GHz频率范围内，交叉极化隔离性能优于40 dB。

改变微带线的长度，可相应地调节单元的相位。但当微带线长度改变时，相邻单元之间的耦合会影响功率放大系统的隔离及阻抗匹配。因此，采用了以下两种方法减小阵列单元贴片之间的耦合：(1)使用相对较大的单元间距0.79 λ0；(2)在两层基板上制备网格排列的金属过孔，用于进一步抑制表面波和减少相邻单元之间的耦合。

研究组发生护理差错1例，对照组8例，研究组护理差错的发生率为0.5%，低于对照组的4.0%，组间对比，差异具有统计学意义（χ2=4.092，P＜0.05）。

  

图3 单元输入输出端口的仿真S参数

 

Fig.3 Simulated S parameters of the aperture coupled element at input and output ports

文献[7]中，仿真分析了在法向及30°斜入射时不同微带线长度的天线单元性能。分析结果显示，在设计频率下，反射系数低于-10 dB，隔离性能优于31.8 dB，具有较好的性能。因此，设计的贴片单元具有较好的稳定性能，理论上单元较好的隔离性能使功放的增益达到31.8 dB，可用于增强EIRP。

1.2 功率放大反射阵单元的模拟计算

天线设计选择LEE-39+模块作为单元输入信号的功率放大器。该功放性价比优越，在文献[5]中已经被证实过，工作频率5.8 GHz时能提供14 dB的增益。

功率放大反射阵单元的主要作用是确保从空间中获得的能量能有效耦合到天线单元内。该能量通过功率放大器放大，然后反射到空间中去。正如文献[5]叙述的那样，功率放大器提供的小信号增益受其输入和输出端口的隔离度限制，该隔离能够保证放大电路的稳定。具有较高隔离度的天线单元，可使反射阵天线实现更高的有源增益性能。

单元的幅频特性响应仿真结果如图4(a)所示，可看出与设计相一致，单元接收x极化入射波，再辐射y极化场。5.8 GHz时，主极化(y极化)幅值响应达到14.0 dB，交叉极化(x极化)电平低于31.5 dB。5.6～5.9 GHz频率范围内，主极化的电平变化小于1.0 dB。对于不同微带线长度的单元幅值计算结果如图4(b)所示，主极化电平在13.1～14.3 dB之间，最大变化幅度只有1.2 dB，交叉极化电平低于-25.7 dB。

海拉尔盆地某水平井自斜深2 550m进入水平段，水平段全长为500m，全井综合解释411m／24层，含油井段占水平段的82.2%。根据现场地质录井资料，两次提出有可能钻遇非储层或钻出油气层的提示，并建议调整相应的钻井轨迹。

  

(a)频率

  

(b)微带线长度

 

图4 反射阵单元的幅值响应

 

Fig.4 Simulated amplitude responses of reflectarray element

  

图5 y极化场的相位响应与微带线长度之间的关系

 

Fig.5 Simulated phase response versus microstrip line length

2 反射阵天线样机制备与测试

2.1 功率放大反射阵天线设计

为了验证功率放大反射阵天线的EIRP增强功能，设计了12×12单元的样机，如图6所示。

  

(a)频率 (b)微带线长度

 

图6 制备样机的实物照片

 

Fig.6 Photograph of fabricated prototype

使用全波分析软件CST仿真分析了天线在5.8 GHz时的无源辐射性能。分析过程中，使用微带线直连代替功率放大器，模拟功放增益为0 dB的情况。仿真结果如图7所示，天线的无源增益为27.6 dBi，旁瓣电平和交叉极化电平分别为-16.7 dB和-18.0 dB。馈源遮挡以及较小的天线口面尺寸导致了相对较高的旁瓣电平。

使用射线跟踪法计算各单元的相位调节，计算式如下：

 

(1)

式中 n为单元序号；k为空间波数；rfn为单元到馈源相位中心的距离；为主波束的单位矢量；为各单元的位置矢量。

根据天线的波束指向，可确定各单元的相位分布，并由图5计算确定所需微带线的长度。

分别计算每种型号的超级电容与铁锂电池组直接并联的功率增强因子，计算结果如表3所示。可知在电池组上直接并联不同型号超级电容的6种方案来应对脉冲性负载时，瞬态功率改善情况均不明显，主要是超级电容串联组数太多，导致等效内阻远远大于铁锂电池组的等效内阻所致。

2.2 天线辐射性能的仿真与测试

方形反射阵天线的口径边长为492 mm，x极化馈源在反射阵天线表面正上方640 mm处。天线为三明治结构，上下两层介质板，中间层为泡沫，三明治结构安装在铜底板上方12 mm处，与铜地板之间用塑料螺栓实现连接。反射阵天线的输入电压为7.0 V，电流大约为4.1 A。

带有功放的单元相位响应如图5所示，当微带线长度从15～34 mm变化时，相位角变化360°。相位延迟与微带线长度之间有较好的线性比例关系。

5.8 GHz时天线样机的测量辐射方向图也如图7所示。馈源输入功率为0 dBm。由于功放提供功率放大的能力，主极化电平被极大地增强，天线样机的有源增益为37.4 dBi。而交叉极化并未放大，与无源反射阵基本相当。因此，交叉极化电平降低到-26.5 dB。旁瓣电平为-13.5 dB。

(3)球体模型重力异常和重力梯度数据试验分析表明，该方准确推测出地下异常地质体的空间分布形态以及等效剩余质量的分布情况。梯度成像分辨率相比重力异常分辨率有了明显提高。本文所研究的方法可以有效的定位地下重力异常源的位置和赋存范围。

  

(a)xoz平面

  

(b)yoz平面

 

图7 5.8 GHz时的天线仿真与测试辐射方向图

 

Fig.7 Simulated and measured radiation patterns at 5.8GHz

5.2～6.4 GHz频率范围内天线样机的测量有源增益和方向性系数如图8所示。频率稍有漂移，最大增益在5.6 GHz。这主要是由于制备和装配误差引起的，它们改变了天线耦合单元的固有频率。5.8 GHz时样机的测量方向性系数为27.3 dBi，在有效带宽范围内基本稳定在27.0～28.5 dBi之间。对比有源增益和方向性系数曲线发现，当频率超过6.0 GHz时，频率稍有改变会引起增益急剧变化。这主要是由于端口阻抗匹配恶化的结果，如图3所示。如果考虑样机如图8所示的频率漂移，情况会变的更加严重。这会造成天线主极化电平降低，以及较高的交叉极化电平，如图4(a)所示，最终导致天线有源增益下降。但单元的相位是通过改变微带线的长度来实现，在一个较宽的频率范围内可保持稳定。因此，反射阵天线仍能够有效形成聚焦波束，从而保持较好的方向性系数。

  

图8 天线增益及指向性测试

 

Fig.8 Measurement of gain and directivity

天线样机在5.2、5.6、6.0 GHz频率时的方向图测试结果如图9所示。与图7对比，明显看出随着频率的变化，方向图基本保持稳定，说明了该有源反射阵天线具有较好的带宽。6.0 GHz时较高的交叉极化电平是由于阻抗不匹配及单元本身的交叉极化性能引起的。

我国经济的快速发展大力推动了基础设施建设，大跨度桥梁建设项目呈现出逐年增加的趋势，其中，大部分基础形式采用桩基础，而且桩径与桩长也在不断增加。大直径超长桩基础拥有整体刚度大、承载能力强、变形小、沉降稳定快、抗震性能好等优势，逐渐得到了建筑施工界的普遍认可与应用研究。目前，我国大多数超长桩基成孔采用的设备是反循环设备，而本项目选用大功率旋挖钻进行成桩，成桩效果较好。通过对成桩倾斜度控制技术进行分析，对我国今后项目施工具有非常重要的借鉴作用。

  

(a)xoz平面

  

(b)yoz平面

 

图9 不同频率下的测试方向图

 

Fig.9 The measured patterns at different frequencies

天线样机的非线性性能测试结果如图10所示。在测试中，样机被用作发射天线，矢量网络分析仪提供发射信号，并利用探头接收信号。在矢量分析仪和样机馈源之间增加了一个功率放大器，用于提供需要的馈源输入功率，功率范围在0～30 dBm。可看出，当输入功率低于一个阈值时，大部分功放都工作在线性范围内。样机的有源增益比较稳定，EIRP随着输入功率的增加而线性增长。随着馈源输入功率的不断增加，集中在反射阵中心区域的功放逐渐进入饱和区，这主要是由于反射阵中心具有较高强度的入射场。这时有源增益显著减少，且EIRP曲线变成非线性。测量1 dB压缩点的输入功率为24.8 dBm，EIRP为61.2 dBm。

  

图10 天线测量有源增益及EIRP随输入功率的变化

 

Fig.10 Measured gain and EIRP versus input power

本文设计的反射阵天线样机的辐射性能与文献中类似天线(表1所示)进行了对比。对比发现，本文研究的有源反射阵天线在单元的输入输出隔离、有源增益、交叉极化电平和EIRP方面，都取得了明显的进步。

 

表1 天线样机性能对比

 

Table 1 Performance for comparison

  

文献单元隔离/dB反射阵单元数/个有源增益/dB交叉极化/dBEIRP(P1dB)/dBm[2-3]16.713721.4-11.455.0[5]30.04824.6-13.051.2[6]17.0423.0-20.0—本文31.814437.4-26.561.2

3 结论

本文设计了一个12×12单元的C波段功率放大反射阵天线。单元采用正交H形槽孔径耦合贴片结构，能够获得360°的线性相位响应，且集成的功放具有较好的阻抗匹配以及端口隔离性能。5.8 GHz时，样机的测量有源增益为37.4 dBi，方向性系数为27.3 dBi。1 dB压缩点的输入功率24.8 dBm时，EIRP为61.2 dBm。

参考文献：

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[2] Robinson A and Bialkowski M.An X-band active microstrip reflectarray[C]//in Proc.Asia Pacific Microwave Conf.,1997:925-928.

[3] Bialkowski M E,Robinson A W and Song H J.Design,development,and testing of X-band amplifying reflectarrays[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2002,50(8):1065-1076.

[4] Cabria L,Garcia J A,Tazon A,et al.An active reflectarray with beamsteering capabilities[C〗//in Proc.18th Int.Conf.Appl.Electromag.Comm.,2005:1-4.

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[6] Clark R W,Huff G H and Bernhard J T.An integrated active microstrip reflectarray element with an internal amplifier[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2003,51(5):993-999.

[7] Yang X,Xu S H,Yang F,et al.Design of an amplifying reflectarray antenna with improved isolation performance[C]//in Proc.Int.Symp.Antennas Propag.Soc.,2016:1023-1024.

[8] Gao S C,Li L W,Leong M S,et al.Dual-polarized slot coupled planar antenna with wide bandwidth[J].IEEE Trans.Antennas Propag.,2003,51(3):441-448.