[论文解读] Multilayer Minkowski Reflectarray Antenna with Improved Phase Performance

Ender Öztürk, Birsen Saka|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2020

Advanced Antenna and Metasurface Technologies参考文献 26被引用 31

一句话总结

该论文提出一种多层Minkowski分形反射阵元单元，采用孔径耦合相位调节探针，实现超过两个周期的相位动态范围（740°），同时将贴片面积减少21.9%，并保持反射损耗低于0.14 dB。该设计通过调节探针长度实现双周期相位响应，成功研制并测量了一款全尺寸221单元反射阵列，工作频率为10 GHz，仿真与实测在波束宽度、旁瓣电平和增益（26.8 dBi）方面表现出高度一致。

ABSTRACT

We propose a multi-layer unit cell consisting of Minkowski fractal shaped reflector with aperture coupled phasing stubs to obtain a broad phase range for the reflectarray antenna with smaller unit cell size and inter-element spacing compared to some other studies in the literature. In the study, simulations are conducted using HFSS(TM) program with Floquet Port incidence. A unit cell with two cycles of phase range and very low reflection loss is designed. 21.9% shrinkage is achieved in patch surface area using Minkowski fractals. Subsequently, proposed unit cell is used to design and fabricate a full scale 221 element reflectarray antenna. At 10 GHz, simulation results are compared with measured data and good agreement is observed.

研究动机与目标

• . 为解决单层Minkowski分形反射阵列中相位范围受限的问题，此类结构通常仅提供不足一个周期的相位动态范围。
• . 通过采用孔径耦合技术将相位调节探针移至主反射面下方，以克服微型化与效率之间的权衡。
• . 实现更宽的相位范围，同时相比以往设计减小单元尺寸并降低反射损耗。
• . 在10 GHz频率下，通过全尺寸221单元反射阵列的加工与实测，验证所提出单元的可行性与性能。

提出的方法

• . 设计一种多层单元结构：顶层介质层（D2）上为Minkowski分形形状的主反射面，与下层介质层（D4）之间通过空气间隙（D3）隔开。
• . 在主反射面下方实现孔径耦合相位调节探针：沿y轴设置一个匹配探针，沿x轴设置一个相位控制探针，两者在中心相连。
• . 使用HFSS软件，采用Floquet端口激励方式，在周期性边界条件下仿真单元的相位与幅度响应。
• . 通过优化探针长度，实现总相位范围达740°（超过两个周期），且在整个相位范围内反射损耗低于0.14 dB。
• . 采用优化后的单元结构加工制作221单元全尺寸反射阵列，相位分布通过先前研究中的方法计算得出。
• . 在电波暗室内测量全尺寸天线，并将实测结果与HFSS仿真进行对比，以验证性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 . 多层Minkowski分形反射阵列结合孔径耦合探针，是否能实现超过两个周期的相位范围，同时最小化单元尺寸？
• RQ2 . 将相位调节探针移至主反射面下方，相较于共面布置，对相位范围、反射损耗和表面积有何影响？
• RQ3 . 使用Minkowski分形几何结构在多大程度上可减少贴片面积，而不降低相位性能或增加损耗？
• RQ4 . 使用Floquet模型的仿真结果与全尺寸221单元反射阵列实测性能的匹配程度如何？
• RQ5 . 孔径耦合对多层Minkowski反射阵列中互耦合与交叉极化水平有何影响？

主要发现

• . 所提出的单元结构实现了740°的总相位范围，超过两个完整周期，与传统方形贴片相比，贴片面积减少了21.9%。
• . 在整个相位范围内，反射损耗保持在0.14 dB以下，平均损耗仅为0.08 dB。
• . 221单元全尺寸反射阵列的最大波束增益达到26.8 dBi，与仿真结果高度一致。
• . 半功率波束宽度（HPBW）在仿真与实测中均为9.6°，旁瓣电平（SLL）实测为-14.2 dB，仿真为-15.1 dB。
• . 仿真中交叉极化电平低于-45 dB，远低于测量暗室的动态范围，表明交叉极化失真可忽略不计。
• . 实测与仿真的E面和H面方向图高度一致，尤其在主瓣区域表现良好，水平面附近存在微小偏差，主要由馈电遮挡与空间反射效应引起。