反射阵天线（Reflectarray Antenna）设计方法简述

摘要

反射阵天线（Reflectarray Antenna，下文简称RA）做为相控阵与传统抛物面天线相结合的一种新型天线形式，一般结构如下图所示。

RA因结构简单不需要馈电网络，加工方便，是高增益天线的常用形式。
本文主要介绍RA的设计流程，具体如下。

反射阵天线设计流程

先放一下设计流程图

Created with Raphaël 2.3.0

开始

单元设计

生成数据库PhaseC

计算阵面相位分布PhaseA

从PhaseC中匹配PhaseA

整体相位误差最小？

仿真工具建模仿真RA性能

结束

yes

单元结构设计

RA的阵列结构是众多相似单元周期排列的结构，因此单元结构的性能对RA的天线性能有重要影响。比较典型的结构有：（1）使用相同尺寸的贴片单元，改变与其相连的延迟线长度控制反射相位[1]；（2）使用相同形状的贴片单元结构，改变贴片尺寸大小直接控制单元反射相位[2,3]；（3）通过旋转单元贴片的方式控制反射相位[4,5]。

不同的单元设计对应不同的相位影响曲线，判断相位曲线的优劣在于你的设计目的，比如你需要宽带RA，则要求相位曲线随频率变化呈线性，可以选择如下的结构。单元设计的目的是为了获取单元不同物理尺寸对应的相位值，从而建立相位与尺寸映射的数据库，流程图中PhaseC。

如下图为一组单元不同尺寸、频率下的相位应用图：

理论计算

阵列单元相位补偿公式如下

Rmn表示阵元mn到馈源的距离，R0表示参考阵元到馈源的位置。矢量rmn表示阵元mn的坐标矢量，u0表示波束指向向量。Φ0表示参数相位。
根据上述公式便可计算得到阵面上不同位置所需的补偿相位值，如同流程图中的PhaseA。
特别注意，上述公式只是适用于高增益笔束波束，如需特殊波束赋形，如多波束，余弦波束等，需要特定相位补偿计算公式。
如下图为16*16单元的阵列相位理论计算分布图

选择合适的阵元尺寸

根据目标相位分布利用一些简单的计算程序得到能够满足目标相位分布的每个位置的单元尺寸，使得整体相位误差最小。
相位误差分布

建模仿真

RA结构的特点是相似单元类周期排列，所以不能在建模仿真软件中通过简单的复制平移或者阵列命令快速建模。如果一个一个通过手动建模排布，修改不同单元的尺寸参数将会是一项巨大的耗时工程。一般的仿真软件比如HFSS/CST都有VBS脚本接口支持与一些编程软件例如Matlab/C/C++进行交互。这里推荐matlab-HFSS-api 或者 matlab-CST-api 工具进行建模。

HFSS自动化建模

参考文献

[1]:DAU-CHYRH C, MING-CHIH H. Multiple-polarization microstrip reflectarray antenna with high efficiency and low cross-polarization [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 1995, 43(8):829-834.
[2]: TARGONSKI S D, POZAR D M. Analysis and design of a microstrip reflectarray using patches of variable size[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1994 AP-S Digest. 1994, 1820-1823.
[3]: ENCINAR J A. Design of two-layer printed reflectarrays for bandwidth enhancement[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1999 IEEE. 1999, 1164-1167.
[4]:HUANG J, POGORZELSKI R J. Microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles[C]. Antennas and Propagation Society International Symposium, 1997 IEEE, 1997 Digest. 1997, 1280-1283.
[5]:HUANG J, POGORZELSKI R J. A Ka-band microstrip reflectarray with elements having variable rotation angles [J]. IEEE Trans Antennas Propag, 1998, 46(5):650-656.
[6]：反射阵天线