周期結(jié)構(gòu)對小型天線陣寬角掃描性能的影響

李建瀛　楊光偉　張兆林　徐瑞　楊姜軍

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129)

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周期結(jié)構(gòu)對小型天線陣寬角掃描性能的影響

李建瀛楊光偉張兆林徐瑞楊姜軍

(西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院,西安 710129)

摘要利用周期結(jié)構(gòu)來改善原陣列天線的輻射特性,新設(shè)計(jì)的高阻抗周期結(jié)構(gòu)提高了天線陣波束掃描到較寬角度時(shí)天線的增益．該周期結(jié)構(gòu)使得天線單元前向輻射有所增強(qiáng),特別是在陣中情況下單元方向圖比沒有周期結(jié)構(gòu)時(shí)的單元方向圖寬很多,因此，在波束掃描到較大的角度時(shí)陣列天線的增益下降較少,如在波束掃描到±60°時(shí)天線陣列的增益比無周期結(jié)構(gòu)陣列的增益高至少4 dB,新設(shè)計(jì)的周期結(jié)構(gòu)保證了掃描波束在掃描到較寬角度時(shí)天線陣列具有較高的增益．

關(guān)鍵詞周期結(jié)構(gòu);寬角掃描;陣列天線;增益

資助項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(No.61271416和No.61301093)； 中央高?；A(chǔ)研究經(jīng)費(fèi)(No.3102014KYJD027)；NPU基金會基礎(chǔ)研究(No.JCY20130132)

聯(lián)系人： 楊光偉 E-mail：foxbaby086@gmail.com

引言

相控陣天線波束指向可以靈活控制而得到了廣泛應(yīng)用．由于陣列單元間互耦的影響以及單元方向圖自身的波束寬度的限制,天線陣列的增益在波束掃到較寬的角度時(shí)下降較大．比如微帶天線單元的相控陣天線在波束掃描到±45°時(shí)增益下降4～5 dB．提高寬角度掃描時(shí)天線的增益一直是天線研究人員研究的熱點(diǎn),近年來人們提出了一些方法來改善寬角掃描時(shí)增益下降較大的問題．在天線陣面上方添加一些材料改善寬角掃描增益[1-2],而一般這種添加的材料的結(jié)構(gòu)尺寸都很大;另一種方法是通過改變天線結(jié)構(gòu)來改善寬角掃描時(shí)的增益,如通過可重構(gòu)天線或者寄生貼片形式,在波束掃到某一邊時(shí)就利用改變天線的結(jié)構(gòu)來控制天線單元的波束形狀以達(dá)到提高寬角掃描時(shí)天線的增益的目的[3-4]．這種方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜,控制也較麻煩,從而限制了這種技術(shù)的推廣應(yīng)用．還有一種措施是改變天線陣列排列結(jié)構(gòu),利用三面線性陣列結(jié)構(gòu)以提高寬角掃描時(shí)陣列的增益[5]．這類天線陣列類似于共形陣列,可以實(shí)現(xiàn)寬角掃描,但天線增益不高．文獻(xiàn)[6-7]提出在天線下方放置一個(gè)反射面．這種方法將會使天線的反射板很大,且天線結(jié)構(gòu)較復(fù)雜．文獻(xiàn)[8]給出一種寬帶不等間距相控陣天線的設(shè)計(jì)方法,利用該方法實(shí)現(xiàn)對方向圖柵瓣的抑制和波束掃描;此方法的波束掃描角度相對較窄．在文獻(xiàn)[9]的啟發(fā)下我們提出用一種簡單的周期結(jié)構(gòu)來提高天線寬角掃描時(shí)天線增益的方法,這種方法結(jié)構(gòu)簡單易于工程實(shí)現(xiàn)．

1高阻抗周期結(jié)構(gòu)與天線單元設(shè)計(jì)

電磁周期結(jié)構(gòu)的種類很多,可分為一維結(jié)構(gòu)、二維結(jié)構(gòu)、三維結(jié)構(gòu)等形式,也可分為金屬結(jié)構(gòu)、介質(zhì)結(jié)構(gòu)、金屬-介質(zhì)混合結(jié)構(gòu)等[10-12]．本文研究了一種金屬-介質(zhì)混合型高阻抗周期結(jié)構(gòu)來提高天線陣列的寬角掃描性能．周期尺寸遠(yuǎn)小于波長的結(jié)構(gòu)可用有效媒質(zhì)模型表征,其性能可歸結(jié)成唯一的參數(shù):表面阻抗[13]．而本文應(yīng)用的金屬-介質(zhì)混合型結(jié)構(gòu)之所以被稱為“高阻抗表面”,是因?yàn)樗谋砻嬖谝欢l帶內(nèi)呈現(xiàn)高阻抗特性,具體原理可借助傳輸線模型來分析，如圖1所示:本文選用金屬柱按菱形方式排列并插入介質(zhì)中的混合型周期結(jié)構(gòu),相鄰金屬柱間產(chǎn)生電容效應(yīng),而金屬柱則引入電感,是該結(jié)構(gòu)近似地等效成集總參數(shù)的并聯(lián)諧振電路．將自由空間等效為特性阻抗等于自由空間波阻抗的傳輸線,其終端接有電容和電感并聯(lián)而成的負(fù)載阻抗，即該結(jié)構(gòu)的表面阻抗,則

(1)

表面阻抗在低頻時(shí)成感性,高頻時(shí)呈容性,諧振頻率時(shí)趨于無窮、即高阻抗．其諧振頻率

(2)

將這種周期結(jié)構(gòu)放在天線下方,不但可以降低單元天線后瓣輻射,改善單元天線輻射性能;而且還能夠抑制表面波．將這種周期結(jié)構(gòu)應(yīng)用到相控陣天線中,改善了寬角掃描增益下降的問題,同時(shí)還能夠降低后瓣輻射,提高陣列天線輻射效率．

圖1　周期結(jié)構(gòu)等效的并聯(lián)諧振電路模型和傳輸線模型

天線中心工作頻率3.5 GHz,天線單元為U-型槽天線,介質(zhì)板εr=4,厚度為1 mm,天線貼片高度為7.9 mm,中間為空氣．貼片連接50 Ω的同軸接頭,饋電位置在貼片中心．利用Ansoft Hfss電磁仿真軟件進(jìn)行仿真,其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖2(a)所示,天線的仿真輻射方向圖如圖3中實(shí)線所示．圖2(b)為增加高阻抗周期結(jié)構(gòu)后的天線結(jié)構(gòu),周期結(jié)構(gòu)與圖1相似為菱形排列的金屬柱嵌入在介質(zhì)中,介質(zhì)背面為金屬地．改變周期結(jié)構(gòu)單元間距S、柱體半徑Rh和高度H5、介質(zhì)厚度H3和介電常數(shù)等使其工作在與普通型相同條件下,得到其最佳結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示,其輻射方向圖如圖3(a)中虛線所示．

圖3(b)為兩種形式分別放在陣列中間的中間單元輻射方向圖,其中實(shí)線為無周期結(jié)構(gòu)的輻射方向圖,虛線為有周期結(jié)構(gòu)的輻射方向圖．在圖3中,通過對比可以發(fā)現(xiàn)無周期結(jié)構(gòu)的天線單元的最大輻射方向增益比較高,很明顯加入高阻抗周期結(jié)構(gòu)后天線方向圖有所展寬,另外有高阻抗周期結(jié)構(gòu)的天線單元方向圖后瓣比較低,這種效果尤其是在比較大的周期結(jié)構(gòu)中尤為效果顯著．這種現(xiàn)象是由于電場在周期結(jié)構(gòu)中傳輸中,高阻抗周期結(jié)構(gòu)改變了電場相移,同時(shí)周期結(jié)構(gòu)的介質(zhì)反射后也改變了電場的輻射方向，使其更有利于輻射波束的展寬．圖3顯示高阻抗周期結(jié)構(gòu)改變了天線輻射性能,展寬了輻射方向圖,并且減小后瓣輻射,提高輻射效率,這有利于陣列天線的高增益寬角掃描．

(a) 增加高阻抗周期結(jié)構(gòu)前 (b) 增加高阻抗周期結(jié)構(gòu)后L0=34.7 mm,L1=21.1 mm,W0=26.6 mm,W1=12 mm,W2=3.3 mm,W3=3 mm,H0=5.9 mm, H1=1 mm,H3=1.5 mm,H5=3.5 mm,S=9.8 mm,Rh=1.2 mm圖2　孤立天線單元結(jié)構(gòu)圖

(a) 兩種結(jié)構(gòu)單元輻射方向圖

(b) 兩種結(jié)構(gòu)在陣列中的孤立單元輻射方向圖圖3

2高阻抗周期結(jié)構(gòu)對陣列天線寬角掃描的影響

以上面的天線單元為基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了一個(gè)1×8的線陣,如圖4(a)所示,地板尺寸為350 mm×55 mm,介質(zhì)板尺寸為350 mm×35 mm,但分別同軸饋電,單元之間相隔d=43 mm．

對一維線陣做了仿真計(jì)算,陣列天線在不同掃描方向的方向圖如圖5所示．

(a) 增加高阻抗周期結(jié)構(gòu)前

(b) 增加高阻抗周期結(jié)構(gòu)后圖4　1×8線性陣列結(jié)構(gòu)示意圖

圖5　無周期結(jié)構(gòu)天線陣列輻射方向圖

圖6　高阻抗周期陣列輻射方向圖

從圖5中可以看出不同掃描角度的主瓣情況,而這些的輻射參數(shù)(半功率寬度、旁瓣電平、增益)如表1所示．從圖5和表1可以得到,當(dāng)掃描到40°以后增益下降得比較大．

表1　普通型線性陣列輻射性能參數(shù)

對于高阻抗周期結(jié)構(gòu)基板陣列天線,其結(jié)構(gòu)尺寸與孤立單元時(shí)的尺寸一樣,周期結(jié)構(gòu)尺寸也與孤立單元的周期結(jié)構(gòu)尺寸相同,如圖4(b)所示．輻射方向圖如圖6所示．

從圖6可以看出不同掃描角度的主瓣情況,而這些的輻射參數(shù)(半功率寬度、旁瓣電平、增益)如表2所示．從圖6和表2可以得到，當(dāng)掃描到60°以后增益下降得比較嚴(yán)重．

表2　周期結(jié)構(gòu)線性陣列輻射性能參數(shù)

圖7　兩種天線陣列增益隨掃描角度變化曲線

對比表1和表2可以得出,高阻抗周期結(jié)構(gòu)型陣列天線的半功率角度更窄．增益歸一化之后,高阻抗周期結(jié)構(gòu)型陣列天線的旁瓣電平相對增長緩慢(θ<60°)．普通型陣列天線的最大增益高,但當(dāng)θ較大時(shí)(30°<θ<60°)高阻抗周期結(jié)構(gòu)陣列天線的增益下降比較慢．表1和2中的增益隨掃描角度變化曲線如圖7所示．圖7顯示高阻抗周期結(jié)構(gòu)陣列天線掃描到大角度時(shí)的增益,即在0°<θ<60°波束掃描增益下降較少,因而實(shí)現(xiàn)波束在掃描到較寬角度時(shí)天線陣列具有較高的增益．

3測試結(jié)果對比

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果,我們制備了兩套天線陣列,分別為有周期結(jié)構(gòu)和無周期結(jié)構(gòu)的陣列天線,其實(shí)物圖如圖8所示．圖8(a)為無周期結(jié)構(gòu)實(shí)物測試圖,圖8(b)為有周期結(jié)構(gòu)實(shí)物測試圖．將兩種結(jié)構(gòu)分別在微波暗室中進(jìn)行測量,測量的結(jié)果如圖9所示,圖9(a)為圖8(a)所示結(jié)構(gòu)測試輻射方向圖,圖9(b)為圖8(b)所示結(jié)構(gòu)測試輻射方向圖．由于天線加工工藝的差異和測試環(huán)境的影響,測試結(jié)果與仿真結(jié)果沒能完全一致,但我們可以看到所測結(jié)果跟仿真分析結(jié)果基本類似,當(dāng)波束掃描到大角度時(shí),圖9(b)比圖9(a)有明顯的改善．由此可以證明此周期結(jié)構(gòu)可以明顯改善陣列天線的寬角掃描性能．

(a) 無周期結(jié)構(gòu)

(b) 有周期結(jié)構(gòu)圖8　兩種天線實(shí)物測試圖

(a) 無周期結(jié)構(gòu)

(b) 有周期結(jié)構(gòu)圖9　實(shí)測天線陣列波束掃描輻射方向圖

4結(jié)論

通常設(shè)計(jì)的陣列天線在其波束掃描到較大角度時(shí),其增益與最大值對比下降的比較嚴(yán)重,這樣不利于陣列寬角掃描．本文利用一種三維金屬-介質(zhì)混合周期結(jié)構(gòu),即一種高阻抗反射基板代替金屬地板,在不影響天線本身結(jié)構(gòu)的前提下,改變單元方向圖輻射性能,減小后瓣,提高了陣列天線寬角度掃描時(shí)具有較高的增益,其在-60°<θ<60°內(nèi)增益下降不超過3 dB．研究發(fā)現(xiàn)在一定情況下如果接地板更小,陣列單元個(gè)數(shù)越多,更能體現(xiàn)其性能優(yōu)勢,這種周期結(jié)構(gòu)可以極大地改善寬角掃描時(shí)天線陣列的增益．

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李建瀛(1965-),男,河南人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院教授,博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)橛?jì)算電磁學(xué)、天線理論與工程設(shè)計(jì)、電磁散射、電磁兼容、相控陣天線.

楊光偉(1989-),男,陜西人，西北工業(yè)大學(xué)在讀博士研究生，主要從事天線理論與工程設(shè)計(jì)、相控陣天線和周期結(jié)構(gòu)研究.

張兆林(1978-),男,河南人，西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)閷?dǎo)航抗干擾技術(shù)、陣列信號處理,以及多媒體通信.

徐瑞(1989-),男,陜西人，西北工業(yè)大學(xué)在讀博士研究生,主要從事天線理論與工程設(shè)計(jì)、波導(dǎo)縫隙研究.

楊姜軍(1991-),男,河北人，西北工業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生,主要從事電磁計(jì)算與基站天線設(shè)計(jì).

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Some impacts of periodic structure on wide-angle scanning

performance of small antenna array

LI JianyingYANG GuangweiZHANG ZhaolinXU RuiYANG Jiangjun

(SchoolofElectronicandInformation,NorthwesternPolytechnicalUniversity,

Xi’an710129,China)

AbstractThis paper presents that periodic structure can be utilized to modify radiation characteristics of the original antenna array,in which the newly designed high-impedance periodic structure has improved the antenna gain under larger wide-angle scanning. The forward radiation of the antenna cell is improved by adding periodic structure, especially in an antenna array where the cell radiation pattern with periodic structure is much wider than that without it, thus allowing a relatively small decrease in the gain of array antenna when scanned at a wider angle. For instance, the gain of the antenna array with periodic structure is at least 4 dB higher than that without it when the beam is scanning at ±60°. Therefore, the newly designed periodic structure has ensured a relatively high gain of the antenna array under wide-angle scanning.

Key wordsperiodic structure; wide-angle scanning; array antenna; gain

作者簡介

收稿日期：2014-12-01

中圖分類號TN820.1+7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A

文章編號1005-0388(2015)06-1102-06