施 群，鄒火兒

(1.海軍702廠， 上海200434； 2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所， 石家莊050081)

0 引言

相控陣天線是由天線單元周期性排列形成的，通過(guò)T/R組件控制天線單元之間的相位差，可以靈活精確地在寬角度掃描范圍內(nèi)控制出射波束的指向。

相控陣天線最早應(yīng)用于雷達(dá)中，探測(cè)高空處的飛行目標(biāo)。近年來(lái)，相控陣技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入衛(wèi)星通信領(lǐng)域，裝載在移動(dòng)載體上的相控陣天線，能夠根據(jù)載體與衛(wèi)星的相對(duì)位置信息，及時(shí)地調(diào)整波束的指向，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)過(guò)程中的無(wú)間斷通信。傳統(tǒng)的移動(dòng)載體通信，通過(guò)二維的機(jī)械掃描和伺服控制，準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)天線的波束方向和衛(wèi)星位置。但這種二維機(jī)械掃描技術(shù)存在天線剖面高、重量大等缺陷，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很大，嚴(yán)重影響波束的控制速度和指向精度。

相控陣技術(shù)使用電子手段進(jìn)行無(wú)慣量掃描，波束指向精度高、調(diào)整速度快。但相控陣天線需要使用大量T/R組件，成本非常高昂。相控陣技術(shù)另一個(gè)缺陷是大角度掃描困難。首先，大角度掃描時(shí)，相控陣天線的等效口面面積變小，波束發(fā)生展寬，方向性和增益下降嚴(yán)重;其次，大角度掃描需要布列周期非常小，接近半個(gè)波長(zhǎng)，在這種緊布陣的天線系統(tǒng)中，天線單元之間的互耦非常嚴(yán)重，它會(huì)顯著改變相控陣天線的有源阻抗，導(dǎo)致大量的能量無(wú)法輻射，降低天線效率。

超材料是一種由人工設(shè)計(jì)的“超粒子”組成的復(fù)合材料，其等效的電磁響應(yīng)可以超出自然材料的限制［1］。左手材料是一種典型的超材料，它的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時(shí)為負(fù)，在左手材料與普通自然材料的交界面，電磁波會(huì)發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象［2］。利用負(fù)折射現(xiàn)象制作成的超透鏡，可以讓攜帶物體細(xì)節(jié)信息的電磁場(chǎng)無(wú)損失地聚焦成像，其成像分辨率可以打破衍射極限［3］。超材料還可以設(shè)計(jì)出隱身外殼，引導(dǎo)入射的電磁波像水流一樣從隱身外殼繞過(guò)，而不進(jìn)入殼體內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)直正意義的透射隱身［4］。

超材料的設(shè)計(jì)思想可以應(yīng)用于各種電磁波段。在微波段，超材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工最為成熟，是能夠最先取得實(shí)際應(yīng)用的電磁頻段。超材料技術(shù)可以突破傳統(tǒng)微波技術(shù)的瓶頸和短板，在微波器件和微波天線方面實(shí)現(xiàn)工程化設(shè)計(jì)。目前，超材料技術(shù)已經(jīng)成功地用于天線增益提升、旁瓣抑制、天線散射截面縮減等方面。

1 相控陣天線的陣因子以及柵瓣特性分析

本文提出了一種基于超材料覆層的技術(shù)方案，用于增加相控陣天線的波束掃描范圍，普通相控陣天線的掃描范圍受到陣因子的限制。若天線單元的布陣周期為p，則出現(xiàn)柵瓣時(shí)的主波束掃描角度θ滿(mǎn)足

在布陣周期p=0.667λ0的情況下，出現(xiàn)柵瓣時(shí)的波束掃描角度僅為30°。若要求波束能夠在±45°范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，則要求布陣p=0.586λ0。布陣周期越小，需要的T/R組件越多，成本相應(yīng)大幅上升。同時(shí)，天線互耦變強(qiáng)，天線單元設(shè)計(jì)難度變大，散熱和溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)也變得異常復(fù)雜。

圖1為p=0.667λ0時(shí)，相控陣天線在不同主波束指向時(shí)的陣因子。由圖1可知，當(dāng)主波束掃描到30°時(shí)，在相控陣對(duì)側(cè)的低仰角處，已經(jīng)出現(xiàn)柵瓣;當(dāng)主波束掃描到45°時(shí)，在-53°會(huì)出現(xiàn)完整的柵瓣。此時(shí)天線的輻射效率嚴(yán)重下降，噪聲溫度升高，抗干擾性能變差。

圖1 不同主波束指向時(shí)的陣因子

2 擴(kuò)大波束掃描范圍的技術(shù)手段

針對(duì)上述問(wèn)題，文中提出一種基于超材料覆層的解決方案。在相控陣的每個(gè)天線單元口面加載兩種折射率略有不同的超材料，可以調(diào)節(jié)整個(gè)陣面的相位分布，減小柵瓣電平，擴(kuò)大掃描角度范圍。

本文研究的喇叭口相控陣天線如圖2所示，設(shè)計(jì)的工作頻率為10 GHz。它是一種小規(guī)模的相控陣天線，由1×7個(gè)單元拼陣形成。喇叭口天線單元的激發(fā)波導(dǎo)口尺寸為18 mm×9 mm，輻射口面尺寸為38 mm×18 mm，金屬壁厚1 mm。天線單元沿x方向周期排列，周期間距p=20 mm。電磁波自由空間波長(zhǎng)λ0=30 mm，因此，p=0.667λ0。由上述陣因子計(jì)算可知，對(duì)該空喇叭口相控陣天線，當(dāng)主波束掃描到30°時(shí)會(huì)出現(xiàn)柵瓣。這種±30°的波束覆蓋范圍遠(yuǎn)不夠滿(mǎn)足實(shí)現(xiàn)的工程需求。因?yàn)椴▽?dǎo)口的窄邊方向?yàn)閤方向，因此，這種相控陣天線是一種E面波束掃描的天線。

為了擴(kuò)大天線的波束掃描范圍，可以在喇叭口面添加一定厚度的超材料結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)輻射口面場(chǎng)分布，其示意圖見(jiàn)圖2b)～圖2c)。所使用的超材料有兩種，它們的折射率略有差異。超材料1的折射率n1=1.2，超材料2的折射率n2=1.4。兩種超材料的厚度hmeta相同，滿(mǎn)足hmeta=18.75 mm。這里使用的超材料是一種與自由空間匹配的超材料，即介電常數(shù)與磁導(dǎo)率相等，這樣可以保證電磁波高效地透過(guò)超材料覆層。10 GHz的電磁波經(jīng)過(guò)兩塊超材料后，相移差δ為

式中:k0為電磁波在自由空間的波數(shù)。將這兩種超材料周期性排布于相控陣陣面，它可以使用電磁場(chǎng)的相位分布更加精細(xì)，從而抑制柵瓣電平。

圖2 喇叭口相控陣天線

下面實(shí)際分析一下加載的周期性超材料結(jié)構(gòu)對(duì)輻射場(chǎng)的調(diào)節(jié)作用。用電磁仿真軟件CST的全波計(jì)算方法，可以得到加載超材料覆層的相控陣天線的輻射方向圖和場(chǎng)分布?？刂葡噜彶▽?dǎo)激發(fā)端口的相位差α，可以改變主波束的輻射方向θ，二者之間的關(guān)系為

分析空喇叭相控陣天線的性能指標(biāo)，從圖3中的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)主波束指向?yàn)?0°，15°，30°，45°時(shí)，空喇叭相控陣天線的增益分別為17.8 dB、17.6 dB、15.8 dB和12.5 dB，相應(yīng)的旁瓣抑制水平為-13.2 dB、-12.5 dB、-7.6 dB和-1.6 dB。由計(jì)算結(jié)果可知，這種周期較大的相控陣天線，當(dāng)主波束掃描到30°時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的柵瓣，造成增益下降和天線效率降低。當(dāng)主波束掃描到60°時(shí)情況更加嚴(yán)重，主波束與柵瓣的幅度只有1.6 dB的差別，這時(shí)，相控陣天線已經(jīng)無(wú)法正常工作。

圖4為空喇叭相控陣天線在主波束指向?yàn)?0°和45°時(shí)相控陣天線的電場(chǎng)分布。因?yàn)椴剂兄芷谳^大，相鄰天線單元之間的相位變化較為劇烈，相位臺(tái)階很大，導(dǎo)致天線的輻射方向圖變差。

圖3 空喇叭相控陣天線的增益方向圖

圖4 空喇叭相控陣天線在主波束指向?yàn)?0°和45°時(shí)的電場(chǎng)分布

由以上的分析可知，這種相控陣天線在大角度掃描時(shí)方向性變差是因?yàn)橄辔慌_(tái)階過(guò)大。而加載了超材料覆層的相控陣，則可以將輻射口面的相位精細(xì)化，大大改善天線的輻射特性。

圖5 為主波束指向?yàn)?°，15°，30°，45°時(shí)，加載了超材料的相控陣天線的增益方向圖。在這四個(gè)指向角度下，天線的增益分別為18.8 dB、18.6 dB、17.0 dB和14.7 dB，相應(yīng)的方向圖旁瓣分別為-12.9 dB、-12.7 dB、-11.5 dB和 -7.3 dB。相比未加載超材料的空喇叭相控陣，加載的超材料有效地提高了天線的增益，降低了天線的旁瓣，這種效果在大角度掃描時(shí)尤其明顯。比如，45°波束掃描時(shí)天線的增益提高了2.2 dB。

圖5 加載超材料的相控陣天線的增益方向圖

為了更清楚地體現(xiàn)超材料在方向性改善上的作用，圖6為兩個(gè)大角度掃描時(shí)(30°和45°)，相控陣天線的場(chǎng)分布。由圖中場(chǎng)分布可知，加載超材料后輻射口面的相位變化更為平緩，這意味著天線的輻射方向更加集中，增益相應(yīng)提高。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于超材料覆層的擴(kuò)大相控陣天線E面波束掃描范圍的技術(shù)手段。這處技術(shù)手段只需要使用兩種折射率略有差異的超材料，材料損耗小，設(shè)計(jì)方便。在本文的設(shè)計(jì)中，空喇叭相控陣在30°掃描時(shí)，旁瓣抑制水平已經(jīng)高達(dá)-7.6 dB，而超材料加載的相控陣，在45°掃描時(shí)，旁瓣抑制水平為-7.3 dB。超材料相當(dāng)于將波束的掃描范圍擴(kuò)大了15°。為了進(jìn)一步提高天線增益，可以增加兩個(gè)維度上的天線單元數(shù)量。這種技術(shù)手段使用的超材料為平面結(jié)構(gòu)，相應(yīng)的剖面低，適合推廣到大規(guī)模布陣中。

［1］ Pendry J.Photonics:metamaterials in the sunshine［J］.Nat Mater，2006，5(8):599-600.

［2］ Veselago V G.The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of permittivity and permeability［J］.Soviet Physics Uspekhi，1968，10(4):509-514.

［3］ Pendry J B.Negative refraction makes a perfect lens［J］.Physical Review Letters，2000，85(18):3966.

［4］ Schurig D，et al.Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies［J］.Science，2006，314(10):977-980.