田修穩(wěn) 宋立眾

①(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

②(哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）信息科學(xué)與工程學(xué)院 威海 264209)

1 引言

相控陣天線(xiàn)能夠快速切換和掃描波束，其優(yōu)越的性能可以滿(mǎn)足未來(lái)信息傳輸?shù)男枨骩1]。由于傳統(tǒng)的相控陣天線(xiàn)需要大量的T/R組件、復(fù)雜的饋電網(wǎng)絡(luò)和波束控制電路等，因此，其具有較高的生產(chǎn)成本和較大的傳輸線(xiàn)路損耗。然而，與傳統(tǒng)相控陣天線(xiàn)相比，可重構(gòu)傳輸/反射陣列不需要大量的T/R組件，而且，其采用的空間饋電方式降低了饋電網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗[2]?？芍貥?gòu)傳輸/反射陣列為研究低成本相控陣天線(xiàn)提供了一種可行的方案。在另一方面，與可重構(gòu)傳輸陣列相比較，可重構(gòu)反射陣列存在饋源遮擋問(wèn)題[3–7]。本文只針對(duì)可重構(gòu)傳輸陣列進(jìn)行研究。

目前，對(duì)傳輸陣列的研究包括超表面[8]、頻率選擇表面(Frequency Selective Surface, FSS)[9]、部分反射表面[10]和不同相位精度的傳輸陣列[11]等，它們都能夠調(diào)控入射電磁波的相位，并實(shí)現(xiàn)波束控制的能力。為了實(shí)現(xiàn)傳輸陣列對(duì)電磁波實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)控，科研人員將有源器件(PIN二極管或變?nèi)荻O管)嵌入到傳輸陣列單元中。文獻(xiàn)[12,13]將變?nèi)荻O管嵌入到電偶極子和磁偶極子單元中，在1維方向上，惠更斯超表面能夠?qū)﹄姶挪ㄟM(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)控，但是，在大相位范圍變化時(shí)，可重構(gòu)傳輸陣列(Reconfgurable Transmit Array, RTA)單元損耗較大。文獻(xiàn)[14]采用了6層級(jí)聯(lián)的超表面來(lái)設(shè)計(jì)RTA，所設(shè)計(jì)的RTA單元具有較低的損耗和較大的相位調(diào)節(jié)范圍。文獻(xiàn)[15]采用5層FSS來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的波束調(diào)控，在俯仰向和方位向，RTA能夠?qū)崿F(xiàn)26°和28°波束掃描。然而，多層級(jí)聯(lián)的傳輸陣列具有較厚的結(jié)構(gòu)，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文獻(xiàn)[16,17]將接收天線(xiàn)、輻射天線(xiàn)和移相器集成在一個(gè)RTA單元中，通過(guò)調(diào)節(jié)移相器中的變?nèi)荻O管的電容值，RTA實(shí)現(xiàn)了高效率調(diào)控。但是，在RTA進(jìn)行波束掃描時(shí)，采用獨(dú)立的模擬電壓線(xiàn)路來(lái)控制每個(gè)RTA單元，因此，其波束控制電路比較復(fù)雜和控制電壓值較多。在降低這種模擬電壓值的數(shù)量方面，文獻(xiàn)[18,19]將PIN二極管加載到接收天線(xiàn)中，所設(shè)計(jì)的RTA結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和電壓值數(shù)量少。在簡(jiǎn)化RTA的控制電路和結(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)了一種由3層FSS表面組成的RTA，并將變?nèi)荻O管嵌入到上下兩層的FSS單元中，每一條電壓線(xiàn)路控制著一列RTA單元，在1維方向上，RTA實(shí)現(xiàn)了45°的波束掃描。雖然上述研究成果已經(jīng)采用不同方式來(lái)設(shè)計(jì)可重構(gòu)傳輸陣列，但是，對(duì)于一種同時(shí)具有2維波束掃描和控制電路簡(jiǎn)單的研究成果較少。

本文提出一種行-列分離控制的可重構(gòu)傳輸陣列，陣列單元由雙層FSS構(gòu)成，將變?nèi)荻O管嵌入到FSS單元中，通過(guò)調(diào)節(jié)變?nèi)荻O管的變?nèi)葜担琑TA單元能夠?qū)崿F(xiàn)相位連續(xù)可調(diào)。為了簡(jiǎn)化波束控制電路，本文提出一種行-列分離式的波束控制方法，RTA僅用40條控制線(xiàn)就能夠控制2維波束掃描。在方向圖E面上，隨著波束增益變化–1.7 dB，RTA的波束掃描角度達(dá)到了39°，同時(shí)，在方向圖H面上，RTA的波束掃描角度能夠達(dá)到33°，波束增益變化–3 dB。本文第2節(jié)介紹RTA單元的設(shè)計(jì)和仿真結(jié)果，第3節(jié)給出波束掃描的理論支撐及RTA的設(shè)計(jì)過(guò)程，第4節(jié)展示RTA的掃描波束性能，第5節(jié)為結(jié)論。

2 RTA單元設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的RTA單元結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示，從圖1(a)和圖1(b)可以看出RTA單元由雙層FSS單元級(jí)聯(lián)構(gòu)成，F(xiàn)SS單元之間為空氣，其整體尺寸為 12 mm×12 mm×7.036 mm，介質(zhì)基板采用F4B265 高頻介質(zhì)板，介電常數(shù)為2.65，損耗角正切為0.001，厚度h=1 mm。金屬貼片、平行微帶線(xiàn)和變?nèi)荻O管緊貼在介質(zhì)板上表面，其中黑色部分為變?nèi)荻O管，變?nèi)荻O管正方向與電場(chǎng)方向相同，垂直微帶線(xiàn)印刷在介質(zhì)板背面，通過(guò)金屬過(guò)孔與矩形貼片連接，平行微帶線(xiàn)和垂直微帶線(xiàn)分別控制水平方向與垂直方向上的單元電壓。在圖1(c)中，Z是空氣的波阻抗，Ls和Cv表示單元上層金屬部分的等效電感和電容，Ch和Lh表示介質(zhì)板的等效電容和電感，Cvar表示變?nèi)荻O管的電容。由單元等效電路可知，F(xiàn)SS單元具有帶通特性，因此，RTA單元也具有帶通特性。本文采用 Macom公司生產(chǎn)的MA46H120變?nèi)荻O管，在二極管兩端的直流偏壓從0 V上升到18 V時(shí)，其電容值從1.304 pF降低到0.149 pF。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，變?nèi)荻O管存在寄生電阻2 Ω和電感0.05 nH，寄生電阻和電感對(duì)變?nèi)荻O管的整體性能影響較小。

圖1 RTA單元結(jié)構(gòu)和等效電路示意圖

通過(guò)CST Microwave Studio 軟件仿真RTA單元，其具體參數(shù)數(shù)值如下：p =12 mm, l=8.9 mm,h=1 mm, d=5 mm, w=9.3 mm。隨著變?nèi)荻O管的電容值變化，RTA單元傳輸幅度與傳輸相位性能如圖2所示。從圖2(a)可以看出，RTA的傳輸幅度曲線(xiàn)呈現(xiàn)帶通特性，通過(guò)改變變?nèi)荻O管的電容值，RTA單元中的容性發(fā)生改變，同時(shí)帶通曲線(xiàn)左右平移，相位曲線(xiàn)上下移動(dòng)。隨著變?nèi)荻O管的電容值從0.15 pF增加到1.2 pF，傳輸曲線(xiàn)向低頻移動(dòng)，曲線(xiàn)的3 dB帶寬從1 GHz增加到1.9 GHz，同時(shí)，圖2(b)展示了相位曲線(xiàn)逐漸下降。在工作頻率為10.4 GHz處，當(dāng)變?nèi)荻O管的電容值從1.2 pF下降到0.6 pF時(shí)，在3 dB傳輸損耗范圍內(nèi)，相位曲線(xiàn)變化了163°。在10.5 GHz處，電容值在0.15～1.2 pF內(nèi)變化時(shí)，相位變化175°，傳輸損耗小于–4 dB。同時(shí)，在10.3 GHz處，當(dāng)電容值從0.17 pF增加到1.2 pF時(shí)，傳輸相位變化154°，傳輸損耗小于–2.95 dB。因此，在10.3～10.5 GHz范圍內(nèi)，RTA單元能夠調(diào)節(jié)的相位大于154°。由于RTA單元調(diào)節(jié)的相位小于360°，在波束掃描時(shí)，RTA單元存在相位誤差。本文將采用一種相位修正方法來(lái)合理設(shè)置單元相位，從而減少單元的相位誤差。

圖2 RTA單元傳輸幅度與傳輸相位

圖3給出了不同入射角度下的RTA單元傳輸幅度特性。在圖3中，當(dāng)傳輸損耗小于–3 dB時(shí)，RTA單元的調(diào)節(jié)相位為? phase?3dB。在方向圖E面上，不同入射角度下的傳輸曲線(xiàn)具有較好的穩(wěn)定性，同時(shí)，當(dāng)入射角度大于30°時(shí)，? phase?3dB下降較快。在方向圖H面上，隨著入射角度的增加，傳輸曲線(xiàn)性能逐漸變差， ?phase?3dB不變。因此，在方向圖E面和H面上，? phase?3dB和傳輸曲線(xiàn)性能限制了入射角度大小。

圖3 在不同入射角度上RTA單元傳輸特性

3 可重構(gòu)傳輸陣列設(shè)計(jì)

圖4為RTA波束控制原理示意圖，其中紅色圓點(diǎn)代表饋源，F(xiàn)為饋源到達(dá)RTA的距離，S1,S2和S3為入射波傳輸路徑。

圖4 RTA波束控制原理示意圖

根據(jù)幾何光學(xué)原理，為了獲得高增益掃描波束，從喇叭發(fā)射的準(zhǔn)球面電磁波到達(dá)RTA時(shí)，不同單元處的電磁波相位延遲不同，因此，RTA單元需要補(bǔ)償延遲相位，補(bǔ)償相位表達(dá)式為

式(1)中，(xmn,ymn)為 陣面中的單元位置，(x0,y0)為F處的饋源位置，φ0是參考相位。

當(dāng)一個(gè)正向傳輸?shù)钠矫娌ǖ竭_(dá)RTA時(shí)，RTA將平面波傳輸角度調(diào)控到θ方向，角度θ與RTA單元之間的相位差??的關(guān)系式為

式(2)中，P是單元周期，λ0為自由空間波長(zhǎng)。

RTA將垂直入射角的準(zhǔn)球面波轉(zhuǎn)換成傳輸方向?yàn)棣鹊钠矫娌?，單元所需要的相位φmn為

由式(3)可知，在波束掃描時(shí)，單元需要具有360°的相位調(diào)節(jié)。由于本文提出單元相位調(diào)節(jié)能力有限，因此，本文采用一種相位修正的方法合理設(shè)置單元相位，以減小相位誤差。所采用的相位修正方法表達(dá)式為

式(4)中，M ax 和M in分別為單元調(diào)節(jié)的最大與最小相位，φ為單元需要的相位，M id的表達(dá)式為

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)20×20單元的RTA，有效口徑尺寸為240×240 mm2，其2維結(jié)構(gòu)和控制電路如圖5所示。從圖5(a)和圖5(b)可以看出，每一條水平微帶線(xiàn)和垂直微帶線(xiàn)分別連接每一行單元和每一列單元。在圖5(c)和圖5(d)中，每條水平微帶線(xiàn)連接電壓V1,i(i=1,2,...,20) ，i表示第i行水平微帶線(xiàn)，每條垂直微帶線(xiàn)連接電壓V2,j(j=1,2,...,20) ，j表示第j列垂直微帶線(xiàn)，兩個(gè)維度上的電壓差表示為

圖5 RTA結(jié)構(gòu)與控制電路示意圖

在方向圖E 面上，設(shè)置每一列微帶線(xiàn)的電壓V2,j=0 V ， 此時(shí)，變?nèi)荻O管兩端的電壓差?Vi,j=V1,i，僅調(diào)節(jié)每一行微帶線(xiàn)的電壓V1,i能夠獨(dú)立控制每一行單元的相位。同理，在方向圖H面上，設(shè)置每一行電壓V1,i=18 V，變?nèi)荻O管兩端的電壓差為?Vi,j=18 V?V2,j,(V2,j ≤18 V)，此時(shí)，僅需要調(diào)節(jié)電壓V2,j來(lái) 調(diào)節(jié)電壓差?Vi,j。因此，RTA僅需要20+20個(gè)控制線(xiàn)路就能夠?qū)崿F(xiàn)2維波束掃描，這種控制方式可以應(yīng)用到M×N的RTA中。

在RTA實(shí)際波束掃描時(shí)，首先，采用相位補(bǔ)償方法合理地設(shè)置每一列和每一行單元相位，然后，波束控制器的輸出電壓端口與水平和垂直微帶線(xiàn)進(jìn)行連接，根據(jù)變?nèi)荻O管的電容值與兩端偏壓關(guān)系，波束控制器控制輸出端口的電壓大小。

4 結(jié)果和討論

為了驗(yàn)證所提RTA性能，本文采用標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線(xiàn)作為饋源，喇叭口徑尺寸為65×48 mm2，焦距F為160 mm，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。本文采用電磁仿真軟件CST Microwave Studio 對(duì)RTA進(jìn)行仿真。本文所提RTA波束掃描性能如圖7所示。

圖6 RTA和喇叭天線(xiàn)結(jié)構(gòu)

從圖5可以看出，RTA關(guān)于方向圖E面和H面對(duì)稱(chēng)，同時(shí)掃描波束也具有相同的對(duì)稱(chēng)性，因此，本文僅給出了掃描角度大于0°的波束。由于不同頻率處的掃描波束具有相似的性能，本節(jié)將詳細(xì)討論10.4 GHz處的掃描波束，詳細(xì)的波束性能將展示在表1中。在圖7中，波束掃描角度范圍的限制條件為：掃描波束的旁瓣電平(SLL)不大于–4.9 dB，掃描角度范圍內(nèi)的波束增益(Gain)變化不大于3 dB。在方向圖E面上，當(dāng)波束角度θ從1°～39°時(shí)，波束增益從17.6 dB下降到15.9 dB，旁瓣電平從–10.7 dB上升到–5.4 dB，其中，波束增益減少1.7 dB， 旁瓣電平增加5.3 dB，因此，在波束掃描過(guò)程中，波束增益較為穩(wěn)定。在方向圖H面上，掃描角度從0°到達(dá)33°時(shí)，波束增益從17.8 dB下降到14.8 dB，旁瓣電平從–11.3 dB上升到–4.9 dB，其波束增益和旁瓣電平的變化值都大于方向圖E面。從以上結(jié)果可以看出，隨著掃描角度的增加，波束增益下降，旁瓣電平上升，造成這些變化的原因：(1) 在波束掃描中，方向圖增益變化因子與掃描角度θ的關(guān)系cosθ為 ，因此，隨著掃描角度的增加，波束增益下降；(2)隨著掃描角度的增加， RTA單元的相位誤差升高，從而導(dǎo)致增益下降和旁瓣升高。在掃描波束增益為17.8 dB時(shí)，RTA口徑效率為6.93%，并且，在200 MHz帶寬內(nèi)，RTA實(shí)現(xiàn)了2維波束掃描。表2給出了本文所設(shè)計(jì)的RTA與參考文獻(xiàn)中的RTA對(duì)比情況，從陣列厚度、波束掃描維度、控制線(xiàn)路方式和波束掃描角度范圍4個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)對(duì)比分析。

表1 10.4 GHz 處RTA掃描波束性能

圖7 RTA掃描波束結(jié)果

在表2中，文獻(xiàn)[15,18]設(shè)計(jì)的RTA，其陣列厚度較低，且具有較寬的2維波束掃描能力，但是，其每個(gè)單元獨(dú)立控制，波束控制電路相對(duì)復(fù)雜。文獻(xiàn)[20]設(shè)計(jì)的RTA，雖然陣列厚度較低，但是僅具有1維波束掃描能力。相比于表2中的參考文獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)的RTA具有簡(jiǎn)單的波束控制電路、2維波束掃描能力和較低的陣列厚度。

表2 與相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)比

5 結(jié)論

本文提出一種簡(jiǎn)化RTA控制電路復(fù)雜度的方法，并設(shè)計(jì)了一種具有簡(jiǎn)化控制電路的RTA，其整體結(jié)構(gòu)由加載變?nèi)荻O管的雙層FSS組成。在10.3～10.5 GHz頻率帶寬內(nèi)，隨著變?nèi)荻O管的電容值變化，所設(shè)計(jì)的RTA單元能夠高效調(diào)節(jié)入射電磁波相位。為了簡(jiǎn)化控制電路，本文提出了一種行-列分離的波束控制方法來(lái)獨(dú)立控制RTA的行單元與列單元。在波束掃描時(shí)，針對(duì)RTA單元的相位調(diào)節(jié)范圍有限問(wèn)題，采用了一種相位修正的方法來(lái)降低RTA單元的相位誤差，改善了掃描波束性能。所設(shè)計(jì)的RTA掃描波束性能表明，在200 MHz帶寬內(nèi)，RTA能夠?qū)崿F(xiàn)2維波束控制。因此，本方法能夠?yàn)楹?jiǎn)化RTA的控制電路提供新的思路，非常適合應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)和現(xiàn)代通信系統(tǒng)中。