曹元熙，李建星，閆 森

(西安交通大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，陜西 西安 710049)

0 引言

相控陣天線靈活的波束賦形及波束掃描使其在現(xiàn)代微波及毫米波通信系統(tǒng)中扮演著重要的角色[1]。常見(jiàn)的相控陣天線主要是由天線的輻射體陣面及天線單元后端的大量TR組件組成，這些TR組件主要用來(lái)對(duì)天線單元的激勵(lì)幅度及相位進(jìn)行調(diào)整，從而改變天線的波束指向[2]。但大量的TR組件也意味著極高的成本，使得這種體制的相控陣天線無(wú)法在民用設(shè)備上大量使用[3-4]。

為了低成本地實(shí)現(xiàn)與相控陣天線相似的功能，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們針對(duì)具有無(wú)源波束掃描能力的天線形式進(jìn)行了大量的研究，提出了可重構(gòu)的透射陣[5-6]、反射陣天線[7]、多波束天線[8-9]以及頻掃漏波天線[10-11]等。其中可重構(gòu)的透射及反射陣基本可以實(shí)現(xiàn)與相控陣天線相同的功能，但該類(lèi)天線需要一個(gè)額外的產(chǎn)生平面波激勵(lì)信號(hào)的饋源，從而很難與一些需要一體化設(shè)計(jì)的需求相結(jié)合[12]。多波束天線則是使用多波束饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)共享口徑的天線輻射體產(chǎn)生多個(gè)波束指向的一種天線形式[13]，但該類(lèi)天線無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)的波束掃描，需要對(duì)天線的波束數(shù)、交疊電平等性能進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計(jì)[14]。頻掃漏波天線則是通過(guò)利用周期結(jié)構(gòu)在不同工作頻率下不同的相位變化，通過(guò)改變天線的激勵(lì)信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)波束掃描的一種方法[15]，但頻掃的工作特性也決定這種天線形式很難與通信設(shè)備相結(jié)合[16]。

為了在有限的空間中實(shí)現(xiàn)固定工作頻率上的波束掃描，需要將可重構(gòu)超表面、移相器及天線進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[17]提出了一種2 bit的相控陣天線，該設(shè)計(jì)通過(guò)激勵(lì)天線的不同的饋電點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了180°的相位變化，通過(guò)加載額外的90°移相器使得天線可以實(shí)現(xiàn)2 bit的相位變化，從而實(shí)現(xiàn)了一定的波束指向。文獻(xiàn)[18]中，1 bit可重構(gòu)超表面加載在并饋的間隙波導(dǎo)天線上，實(shí)現(xiàn)了靈活的二維波束掃描。該類(lèi)設(shè)計(jì)可以給天線帶來(lái)低成本的波束賦形能力，但天線能實(shí)現(xiàn)的波束狀態(tài)數(shù)還是有限的。

因此，提出了一種基于可重構(gòu)超表面的波束連續(xù)可調(diào)的天線形式。超表面上加載了變?nèi)荻O管，通過(guò)改變二極管的電容值，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)的相位變化。該天線采用雙層拋物線反射面饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)，使用波導(dǎo)縫隙天線作為輻射體，拋物線反射面饋電網(wǎng)絡(luò)位于輻射體下層，進(jìn)一步減小了天線尺寸。天線的輻射體及饋電網(wǎng)絡(luò)均為純金屬結(jié)構(gòu)，避免了介質(zhì)損耗，因而提升了天線的效率。該天線形式可根據(jù)不同的增益要求進(jìn)行周期性拓展，適用性強(qiáng)，具有低成本、高效率波束掃描特性，非常適合應(yīng)用于低成本的雷達(dá)及通信系統(tǒng)。

1 天線設(shè)計(jì)

提出的天線結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示，通過(guò)拋物線反射面將饋源入射的柱面波轉(zhuǎn)化為平面波后，傳輸給上層的波導(dǎo)縫隙天線，通過(guò)天線陣前插入的電調(diào)超表面進(jìn)行改變每條波導(dǎo)縫隙天線單元的激勵(lì)相位，從而改變天線的波束指向。天線中的饋源、拋物線反射面以及波導(dǎo)縫隙天線均為空氣填充的純金屬導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，電調(diào)超表面采用2層厚度0.762 mm，介電常數(shù)3.0，損耗正切0.001 1的電路板設(shè)計(jì)。

圖1 天線整體結(jié)構(gòu)示意

圖2 天線結(jié)構(gòu)爆炸圖

1.1 電調(diào)超表面設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)陣列天線波束指向的連續(xù)可調(diào)，陣列中每個(gè)單元的相位需進(jìn)行獨(dú)立的連續(xù)控制。該功能在本文中是通過(guò)在每條波導(dǎo)縫隙天線前加載電調(diào)的超表面實(shí)現(xiàn)的，具體加載方式如圖3所示。

圖3 波導(dǎo)中加載電調(diào)超表面的結(jié)構(gòu)示意

該超表面由雙層微帶電路板實(shí)現(xiàn)，2張電路板的地背靠背拼在一起，兩面微帶電路分別指向波導(dǎo)的輸入輸出端口。該超表面通過(guò)波導(dǎo)中的微帶貼片接收波導(dǎo)中的輸入信號(hào)后，使用變?nèi)荻O管加載的3 dB電橋改變傳輸相位，再通過(guò)金屬通孔將電流傳遞到背側(cè)的微帶電路進(jìn)行再移相，最后通過(guò)背側(cè)的微帶貼片將場(chǎng)傳輸給輸出端口。該超表面的平面示意圖及幾何關(guān)系如圖4所示，2個(gè)變?nèi)荻O管加載在電橋的2個(gè)端口上，隨后通過(guò)接地過(guò)孔短路。

圖4 電調(diào)超表面的幾何關(guān)系及尺寸標(biāo)注

該超表面的直流偏置電路連接在電路板正面的微帶線上，通過(guò)高阻的微帶線及分布式電容形成具有低通濾波特性偏置電路，通過(guò)在偏執(zhí)電路末端加載15 kΩ的集總電阻來(lái)限制通過(guò)二極管的最大電流，在實(shí)際使用時(shí)將偏置線與穩(wěn)壓源正極相接，通過(guò)電路板左側(cè)的接地過(guò)孔實(shí)現(xiàn)超表面單元與電源的共地，便可通過(guò)改變電壓源的輸出電壓實(shí)現(xiàn)超表面透射相位的改變。該超材料設(shè)計(jì)時(shí)的具體尺寸如表1所示。

表1 天線尺寸參數(shù)

該超表面的相移特性是通過(guò)短路傳輸線的全反射特性來(lái)實(shí)現(xiàn)的，傳輸線的反射特性為：

(1)

式中，ZC為傳輸線的特性阻抗；ZL為負(fù)載阻抗，當(dāng)傳輸線末端短路時(shí)，ZL為0，從而產(chǎn)生了全反射，當(dāng)反射電流流經(jīng)二極管時(shí)，根據(jù)二極管電容值的不同，會(huì)產(chǎn)生不同的相位變化，從而可以改變短路線的反射相位。當(dāng)這種變?nèi)荻O管加載的短路枝節(jié)加載到電橋中時(shí)，可以使電橋產(chǎn)生如圖5所示的電流分布，1端口輸入的電流將在2，3端口全反射，并在1端口反向疊加，在4端口同向疊加并攜帶了額外的相位變化，從而實(shí)現(xiàn)了所需的移相效果。

圖5 超表面中使用的電橋中的電流分布

該超表面在波導(dǎo)的移相范圍如圖6所示，插損及駐波如圖7和圖8所示，仿真中選取的二極管為MACOM MA46H120，該二極管的寄生電阻為2 Ω，電容值變化范圍為0.15～1.1 pF，仿真結(jié)果說(shuō)明該超表面可以在8 GHz實(shí)現(xiàn)360°的相位變化，以及最大-2.4 dB的插入損耗。該損耗產(chǎn)生的原因包括多個(gè)因素：① 電路板層間互聯(lián)帶來(lái)的插損；② 二極管寄生電阻；③ 金屬波導(dǎo)與微帶電路轉(zhuǎn)接時(shí)的損耗。但這種空氣波導(dǎo)中加載超表面移相單元的主要優(yōu)勢(shì)在于可使用三維的空間進(jìn)行結(jié)構(gòu)排布，解決了平面移相電路排布困難的問(wèn)題，同時(shí)純金屬的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)也能夠進(jìn)一步地降低天線中的介質(zhì)損耗。

圖6 超表面在不同電容值下的相位變化

圖7 超表面在不同電容值下的插入損耗

圖8 超表面在不同電容值下的回波損耗

1.2 天線饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

該天線采用的饋電網(wǎng)絡(luò)為雙層拋物線反射面，天線饋源為標(biāo)準(zhǔn)的BJ84波導(dǎo)，饋源中產(chǎn)生的柱面波在通過(guò)拋物線反射面反射后將轉(zhuǎn)化為平面波激勵(lì)波導(dǎo)縫隙天線陣。相較于傳統(tǒng)的拋物線反射面，該雙層設(shè)計(jì)避免了饋源對(duì)于反射波的遮擋，從而進(jìn)一步地提升了天線的效率。饋源激勵(lì)時(shí)，饋電網(wǎng)絡(luò)上層及下層中的電場(chǎng)分布如圖9所示，仿真結(jié)果證實(shí)了該設(shè)計(jì)可以在有限的空間中實(shí)現(xiàn)良好的柱面波到平面波的轉(zhuǎn)換效果。反射面上層及下層中波導(dǎo)高度均為16 mm，這些高度在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)小于二分之一波長(zhǎng)，以保證平板波導(dǎo)中TEM波的單模傳輸。此外，由于饋源波導(dǎo)的TE10模式的幅度為錐削分布，該饋源產(chǎn)生的激勵(lì)場(chǎng)在經(jīng)過(guò)反射面反射后形成的平面波仍保持著中心向兩側(cè)逐漸衰減，該分布在激勵(lì)天線輻射體時(shí)將有利于天線的副瓣抑制。

(a) 反射面下層場(chǎng)分布

1.3 波導(dǎo)縫隙天線設(shè)計(jì)

天線中使用的輻射體為波導(dǎo)縫隙天線，共使用了9條縫隙陣單元，其中每條單元中包含4條縫隙。為了實(shí)現(xiàn)最高的口面效率，每條輻射縫隙距離中心線的偏移量均相等，為等幅激勵(lì)?？p隙天線單元的幾何關(guān)系及尺寸標(biāo)注如圖10所示，其中天線的左右兩側(cè)壁厚為0.5 mm，上下壁厚為1 mm，其余尺寸如表1所示。

圖10 波導(dǎo)縫隙天線單元的幾何關(guān)系及尺寸標(biāo)注

1.4 平板波導(dǎo)-并聯(lián)波導(dǎo)阻抗匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)波導(dǎo)縫隙天線與上層的拋物線反射面相連接時(shí)，反射面中的準(zhǔn)TEM波將與并聯(lián)波導(dǎo)中的TE10波產(chǎn)生阻抗及模式的失配，為了減小該現(xiàn)象帶來(lái)的強(qiáng)反射與額外插耗，天線設(shè)計(jì)中每條波導(dǎo)縫隙天線前端都加載了一段阻抗匹配變化段，結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖11 平板波導(dǎo)-并聯(lián)波導(dǎo)轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)及尺寸標(biāo)注

該結(jié)構(gòu)通過(guò)改變部分波導(dǎo)的高度WG_TH1和WG_TH2以及變換段長(zhǎng)度WG_TL1和WG_TL2，實(shí)現(xiàn)了二階的特性阻抗變化。該結(jié)構(gòu)加載前后，天線饋電網(wǎng)絡(luò)的插損及駐波如圖12所示。

圖12 加載阻抗變化段前后饋電網(wǎng)絡(luò)的插損及駐波

饋電網(wǎng)絡(luò)包含從饋源到輻射體陣列輸入端的全部路徑，仿真結(jié)果表明該方式可以實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配效果，加載后該饋電網(wǎng)絡(luò)在7.2～8.4 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)-15 dB的回波損耗以及最大0.7 dB的插入損耗，相較于加載前有提升明顯。

2 天線仿真結(jié)果

為了證實(shí)天線的性能，使用全波仿真軟件對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，仿真模型中所有金屬導(dǎo)波、輻射結(jié)構(gòu)的材料均設(shè)置為鋁。該天線在不同波束指向下的回波損耗如圖13所示，天線可以在7.95～8.05 GHz內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，由于天線結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，在相位梯度大小相同、正負(fù)相反時(shí)產(chǎn)駐波結(jié)果相同，該仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了1.3節(jié)中設(shè)計(jì)的阻抗匹配段的性能。該天線的工作帶寬主要受限制于兩部分：超材料結(jié)構(gòu)中接收、發(fā)射貼片的工作帶寬以及輻射體陣列的工作帶寬。天線在不同掃描角度下的方向圖如圖14所示。

圖13 天線在不同波束指向下的反射系數(shù)

圖14 天線在不同相位梯度下的方向圖

不同掃描角下的輻射特性總結(jié)在表2中，該天線可以在±30°內(nèi)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的波束掃描，掃描時(shí)最大的副瓣電平值為-13.0 dB，增益變化為-2.0 dB，天線側(cè)射波束的增益為20.9 dB，天線在不同波束指向下的輻射效率約為60%，仿真結(jié)果證明該天線可以實(shí)現(xiàn)良好的波束掃描能力以及較低的副瓣電平值。

表2 天線在不同波束指向下的輻射特性

在該天線仿真結(jié)果中可以發(fā)現(xiàn)，隨著波束掃描范圍的增加，柵瓣將出現(xiàn)，同時(shí)降低了主瓣的增益。因此，該天線的波束掃描范圍主要受限于輻射體陣列的間距，由于天線輻射體采用空氣填充的金屬波導(dǎo)，這些金屬波導(dǎo)的寬度需要大于半個(gè)波長(zhǎng)來(lái)保證其能在波導(dǎo)的截止頻率以上工作，這樣的寬度限制增大了天線的輻射體單元間距，導(dǎo)致大角度掃描時(shí)的柵瓣出現(xiàn)，限制了天線的波束掃描范圍。在天線仿真結(jié)果中，當(dāng)波束指向30°時(shí)，柵瓣與主瓣的增益差為6.5 dB，隨著掃描角度的進(jìn)一步增大，柵瓣將增大，同時(shí)主瓣將減小。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型低成本相控陣天線形式。該天線使用準(zhǔn)光學(xué)的拋物線反射面作為饋電網(wǎng)絡(luò)激勵(lì)輻射體陣列，通過(guò)在陣列中加載電調(diào)的超材料進(jìn)行連續(xù)的360°相位的調(diào)制，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的波束掃描。該天線設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢(shì)在于全金屬的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)相較于基于PCB設(shè)計(jì)的功分器可以避免電磁場(chǎng)傳輸時(shí)的介質(zhì)損耗，同時(shí)該饋電網(wǎng)絡(luò)也可以更加便捷地與具有高輻射效率的波導(dǎo)縫隙天線相結(jié)合，當(dāng)天線需要周期性地拓展天線輻射體陣列規(guī)模時(shí)，相較于功分網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，拓展難度更低，并且不存在多級(jí)功分級(jí)聯(lián)的損耗。同時(shí)，饋源TE10模式自身產(chǎn)生的錐削式幅度分布會(huì)使天線輻射體陣列產(chǎn)生低旁瓣的方向圖，該旁瓣抑制方法相較于基于不等分功分器的設(shè)計(jì)，損耗更低、拓展更簡(jiǎn)單。該天線低成本的連續(xù)波束掃描能力、低副瓣的方向圖、緊湊的天線尺寸及便捷的拓展性使其非常適合應(yīng)用在低成本的通信及雷達(dá)設(shè)備中。