新型相位合成：让TRA天线宽带增益不再跑偏

本文提出了一种改进的多频相位合成方法，用于设计具有倾斜波束的宽带传输反射阵列（TRA）。该方法通过引入优化频率点的预偏离波束方向，有效缓解了导致增益下降和带宽受限的波束偏移效应。实验结果验证了该设计方法能显著提升天线在传输和反射模式下的宽带平坦增益性能。

频率相关的波束偏移效应

• 频率相关的波束偏移是空间馈电阵列天线中的不理想现象，会导致增益下降和带宽减小。
• 传输反射阵列（TRA）天线尤其受波束偏移影响，特别是当反射波束设计为倾斜方向时，难以实现宽带性能。
• 现有的一些波束偏移缓解方法（如选择镜面方向、使用平面反射器、双偏置馈源）不适用于具有任意出射波束的TRA天线。
• 真时延（TTD）补偿理论上可改善增益带宽，但在波束偏移存在时，需要更大的相位斜率范围，增加了元件设计难度。

改进的多频相位合成方法

• 提出了一种修正的多频相位合成方法，通过引入预偏离波束方向来缓解波束偏移现象，从而增强增益带宽。
• 该方法在优化频率点（低、中、高频点）引入预偏离波束角（θi），以迫使波束回到设计方向。
• 通过优化参考相位，最小化总加权相位误差，并结合1 dB增益带宽（BW）和峰值孔径效率（AE）作为评估指标。
• 与传统相位合成方法相比，该方法修改了成本函数，能更有效地抑制波束偏移并提升天线带宽。

TRA单元设计与验证

• 设计的TRA单元包含四层金属层和三层介质基板，通过改变几何参数实现反射和传输模式下的独立相位调制。
• 在反射模式下，通过改变Lb可实现280°相位移；在传输模式下，通过改变α可实现180°相位移和90°偏振转换。
• 基于该优化流程，设计、制造并测量了一个30x30单元的宽带TRA天线原型，中心频率为15 GHz，尺寸为180 mm × 180 mm。
• 设计目标为传输模式下波束方向为(180°, 0°)，反射模式下为(20°, 0°)，并在微波暗室中进行了性能测量。

实验结果与性能提升

• 传输模式下，实测峰值增益26.57 dBi，1 dB增益带宽达40.2%（13.9至20.9 GHz），峰值孔径效率43.7%。
• 反射模式下，实测峰值增益25.57 dBi，1 dB增益带宽达33.7%（14.3至20.1 GHz），峰值孔径效率35.3%。
• 与未优化情况相比，反射模式的1 dB增益带宽从12%提升至33.7%，传输模式的1 dB增益带宽从22.3%提升至40.2%。
• 优化后的反射波束角在13.5 GHz至20 GHz范围内保持在18°至22°之间，有效缓解了频率相关的波束偏移，从而拓宽了增益带宽。