[科普中国]-反射天线

反射天线的工作原理基本上和抛物面天线相同，有一个放在特定位置的馈源和反射器，因此阵列反射天线又称为平面反射天线。这种天线由于采用了空间馈电方式，相比于直接馈电的微带阵列天线，节省了后端微波馈电网络的成本和传输损耗。

简介随着近代卫星通讯、微波通讯、航天技术的迅猛发展，抛物面天线扮演着日益重要的角色。但是，由于现代社会对通讯系统灵活机动的要求，传统的抛物面天线笨重、体积庞大的劣势已经日益显现。为了突破抛物面天线的这些缺陷，国外的学者提出了一种新型的阵列反射天线的概念。顾名思义，这种阵列反射天线具有反射天线和阵列天线共同的优势，它的基本结构是由大量的无源谐振单元组成的单屏或多屏周期性阵列，然后由一个馈源照射这个阵列，通过调节介质板上每个单元对于入射波的散射相位，使得反射波在特定的方向上实现同相位，发射出方向性极强的笔形波束。

这种天线的工作原理基本上和抛物面天线相同，有一个放在特定位置的馈源和反射器，因此这种阵列反射天线又称为平面反射天线。这种天线由于采用了空间馈电方式，相比于直接馈电的微带阵列天线，节省了后端微波馈电网络的成本和传输损耗。这种反射阵列天线的概念在很早就已经提出来了，但是随着微带天线的迅速发展和对微带天线低成本，高增益的要求，以微带单元为主要形式的阵列反射天线的研究才受到了越来越高的重视，特别是在毫米波频段，由于采用微带馈电的毫米波天线的馈电网络有很大的传输损耗和极高的成本，以空间馈电形式工作的平面反射天线的研究和应用具有更大的价值。另外，阵列反射天线的馈源形式也有很多种，旁馈、前馈、后馈、以及卡塞哥仑馈电都可以作为阵列反射天线的馈电形式。

阵列反射天线核心问题在于如何设计每个单元结构使之对于入射波实现特定相移，使整个反射波在要求的方向上具有相同的相位，从而以笔形波束的形式发射出去。阵列反射天线可以分为两大系列:1)直接调节单元谐振频率的阵列反射天线，2)间接调节谐振频率的阵列反射天线。虽然经过多年对阵列反射天线的研究，国内外学者开发出了许多性能优越的阵列反射天线的结构，但是仍旧有许多问题仍待解决:如工作带宽有限、加工难度大、设计结构相对复杂、波束扫描功能不完善等1。

直接调节单元谐振特性的阵列反射天线直接调节阵列单元谐振特性的阵列反射天线是通过直接改变单元的物理结构来改变单元的谐振特性，从而实现反射移相。根据现有的文献来看，这类的阵列反射天线大概可以分为以下几种方式:（1）传输线型阵列反射天线、（2）尺寸改变型阵列反射天线、（3）旋转圆极化型阵列反射天线。

缝隙型阵列反射天线由许多相同的阵列反射贴片单元和地板上不同的细缝组成。缝隙型阵列反射天线单元的电磁特性的提取也是基于全波分析。为了分析简洁，‘缝隙型’单元特性宏模型的提取借用了波导仿真器的方法，即在平面波垂直照射下，将垂直于电场方向的面使用电壁进行代替，垂直于磁场方向的面使用磁壁代替。然后通过在观测面得到的反射波的移相角度与缝隙长度建立起相应的函数关系，得到单元的移相特性曲线2。

高阻面型的阵列反射天线高阻面型的阵列反射天线由典型的高阻面结构与变容二极管组成，基本结构：高阻面结构是通过在单元与地板间打孔，引入单元与地板间的电感，同时利用单元贴片间的祸合电容，形成等效L-C串联电路组，构成等效的终端阻抗高阻面或等效磁壁。从高阻面的这一特性出发，通过在周期性结构间引入变容二极管，可以改变高阻面单元的电容值，从而改变高阻面单元的谐振频率。

变容二极管型阵列反射天线与高阻面阵列反射天线类似，这种变容二极管型阵列反射天线同样引入了变容二极管结构，通过对变容二极管直流偏置电压的控制，实现整体阵列反射天线的电可调，使得阵列反射天线具有动态方向图扫描功能。但是，这种变容二极管型阵列反射天线与高阻面型的阵列反射天线的工作原理不同，它主要是将变容二极管作为终端负载，通过改变变容二极管电容值，直接改变单元的反射波的移相。

为了减少这种幅度波动，可以采用二极管并联的措施:通过二极管的并联，二极管的损耗阻抗可以大大减少，从而最终可以大大减少因变容二极管自身阻抗引起的反射波的幅度凹陷效应。

总结随着近代卫星通讯，微波通讯，航天技术的迅猛发展，抛物面天线扮演着日益重要的角色。但是由于现代社会对通讯系统灵活机动的要求，传统的抛物面反射天线笨重，体积庞大的劣势已经日益显现。为了突破抛物面天线的这些缺陷，国外的学者提出了一种新型的阵列反射天线的概念。阵列反射天线在卫星通讯，航人航天，微波通讯中都有很重要的实用价值，可以在很多场合替代传统的抛物面天线。以阵列反射天线为研究对象，设计出了两种宽频带电可调的阵列反射单元的形式，同时通过对了EBG结构的研究和学习，设计出了一种抑制阵列反射天线祸合的一种单元天线形式，为设计出功能更加完善性能更加优越的阵列反射天线奠定了一定的基础3。

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所