寬角掃描相控陣天線

劉春梅，肖紹球，樊 星，柏艷英，李 梅

(電子科技大學，成都 610500)

寬角掃描相控陣天線

劉春梅，肖紹球，樊 星，柏艷英，李 梅

(電子科技大學，成都 610500)

針對導彈精確制導系統(tǒng)及無人機偵察的應用需求，圍繞機載掃描相控陣天線低成本、小體積的技術難題，開展了一系列寬角掃描相控陣技術的研究。基于可重構技術, 利用有源器件加載，實現(xiàn)了具有較寬掃描范圍的平面相控陣； 利用表面波輔助，拓寬天線單元的波束寬度，完成了具有較低剖面、易加工、易集成的工程可實現(xiàn)的寬角掃描相控陣天線的設計； 基于鏡像理論，設計了易實現(xiàn)、可用于二維掃描的新型磁偶極子，實現(xiàn)了上半空間內較大范圍的掃描。

平面相控陣; 寬角掃描； 可重構技術； 表面波輔助； 鏡像理論； 低剖面

0 引 言

平面天線作為目前較流行的天線類型，其獨特的優(yōu)勢，如體積小、低剖面、易集成等[1-3]，使其成為通信、雷達系統(tǒng)的核心部分，但平面相控陣天線較窄的掃描范圍[4-5]也使其在現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中的應用受到較大限制。在目標跟蹤與制導雷達

系統(tǒng)中，具有在寬角度范圍內波束掃描能力的天線系統(tǒng)，是系統(tǒng)在大范圍內進行探測和跟蹤目標、精確靶向定位等的關鍵保障，也是目標探測、通信與制導等信息系統(tǒng)研究的主要內容之一。

對于平面相控陣天線，根據方向圖乘積原理[6]，其掃描范圍取決于其天線單元的波束寬度及其陣列排布方式。因此，為拓展平面相控陣天線的掃描范圍，需要研究波束寬度較寬的天線單元。微帶天線是平面天線的一種，其簡單的加工方式使其成為目前主流的天線類型。傳統(tǒng)的微帶天線受地板的邊界條件限制，3 dB波束寬度大約為±45°左右，為了展寬微帶天線單元的波束寬度，通常采用增加天線剖面、減小地板大小, 或設計三維地等方法。文獻[7-8]通過增加微帶貼片天線的介質基板厚度，實現(xiàn)對天線單元的波束展寬，3 dB波束寬度為±60°左右。文獻[9-11]通過對地板進行優(yōu)化設計拓寬波束，但是這種方式不利于加工，且不適用于高度集成的現(xiàn)代相控陣雷達系統(tǒng)。

本文針對導彈精確制導及無人機偵察等應用需求，提出適用于高度集成的現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)的寬角掃描平面相控陣新方法，發(fā)展了相控陣天線新理論。

1 基于可重構技術的寬角掃描相控陣

基于可重構技術的寬波束天線單元，將輻射區(qū)域分為多個子區(qū)域，利用可重構技術，加載開關等有源器件。開關狀態(tài)不同時，天線輻射口徑上的電流分布不同，因此，天線的輻射方向圖不同，每一種開關狀態(tài)對應不同的子區(qū)域，通過切換開關的狀態(tài)，動態(tài)實現(xiàn)整個區(qū)域的波束覆蓋。

1.1 方向圖可重構天線

由于地板的影響，微帶偶極子天線具有一定的方向性，輻射方向為邊射，波束寬度較窄。為展寬其波束寬度，在微帶偶極子天線附近加載寄生單元，利用可重構技術，在寄生單元上加載開關，如圖1所示。

圖1 方向圖可重構寬波束天線單元結構

通過控制開關的狀態(tài)，調節(jié)寄生單元的有效長度，改變其反射和引向的作用，實現(xiàn)方向圖重構，由于其工作原理與八木相似，因此稱其為可重構微帶八木天線。K1，K2為圖1中左邊寄生單元上的開關，K3，K4為圖1中右邊寄生單元上的開關。當K1，K2為開狀態(tài)，K3，K4為關狀態(tài)時，天線單元的輻射向右偏轉，最大指向為40°，3 dB波束覆蓋范圍為+8°～+76°，此為右偏模式； 當K1，K2為關狀態(tài)，K3，K4為開狀態(tài)時，天線單元的輻射向左偏轉，最大指向為40°，3 dB波束覆蓋范圍為-10°～-77°，此為左偏模式； 當K1，K2，K3，K4均為開狀態(tài)時，天線單元的輻射指向其法向，3 dB波束覆蓋范圍為-53°～+53°，此為邊射模式。左偏、右偏及邊射模式如圖2所示?？梢钥闯?，通過這三種模式的切換，天線單元能夠實現(xiàn)較大范圍內的波束覆蓋。

圖2 方向圖可重構天線單元左偏、右偏及邊射模式

1.2 可重構天線陣列

基于可重構技術的微帶八木天線的3 dB波束覆蓋為-77°～+76°，將該天線單元應用到平面陣列天線中，在H面按照最佳加權稀布陣方式排列，如圖3所示，該方式有效降低了單元間互耦對陣元工作特性的影響。

圖3 基于方向圖可重構單元的稀布陣列設計

在陣列環(huán)境中，陣元的有源反射系數較好，見圖4，從而保證在掃描區(qū)域內不會出現(xiàn)掃描盲點，進一步提高了天線陣列的可靠性。當相控陣掃描到左子區(qū)域時，所有天線單元工作于左偏模式，在此基礎上，再對各天線單元進行相應的饋相，其實現(xiàn)難度大大降低，掃描角度展寬，陣列主波束的3 dB增益波動掃描范圍為-7°～-70°，相較于傳統(tǒng)天線陣列，基于方向圖可重構的相控陣具有更高的靈活性。同理，掃描到右子區(qū)域時，均工作于右偏模式，陣列主波束的3 dB增益波動掃描范圍為

圖4 陣元有源反射系數

+7°～+70°。掃描到中間區(qū)域時，天線單元均工作于邊射狀態(tài)，其增益幾乎不變，其陣列掃描結果見圖5。同時，其稀布陣的布陣方式使其在整個掃描范圍內具有較小的副瓣電平，在雷達系統(tǒng)中，有利于其抗干擾性能的提高。

圖5 陣列掃描結果

2 利用表面波輔助展寬天線波束寬度

針對微帶天線波束較窄的問題，提出一種新型寬波束天線，即表面波輔助的寬波束天線單元。由于地板的邊界條件限制，傳統(tǒng)的微帶天線中電磁波無法沿端射方向傳播。因此，在低仰角處增益減小。為突破該限制，提出了將輻射源放置在支持表面波傳播的表面波導結構上，表面波沿端射方向傳播并產生輻射，補償輻射源在端射方向的增益下降，實現(xiàn)對原輻射源的波束寬度的展寬。

2.1 表面波輔助的寬波束天線單元

高阻抗表面的結構具有周期性，可以支持漏波和表面波的傳播，為天線設計提供了新方法。將輻射源放置在高阻抗表面上方，利用近場耦合激勵高阻抗表面波導結構，使電磁波沿端射方向傳播，在邊緣截斷處衍射，從而實現(xiàn)對原天線單元的波束展寬。

首先需要設計支持表面波傳播的高阻抗表面(HIS)。HIS結構由周期性排列的亞波長結構組成，用比較典型的蘑菇狀結構作為單元，構造7×5的HIS結構，如圖6所示。該結構支持2.3 GHz以上的沿y方向傳播的TE模式表面波。

圖6 蘑菇狀的HIS結構

基于HIS的線天線結構如圖7所示，線天線直接放置于所設計的作為地板的HIS結構上方。采用50 Ω的SMA接頭進行饋電，優(yōu)化饋電位置，實現(xiàn)良好的阻抗匹配。

圖7 基于HIS的線天線結構

仿真與實測方向圖結果如圖8所示，可以看出，線天線單元放置在鄰近HIS結構上方0.01λ0時，其波束依然保持較好的邊射輻射特性，且由于HIS支持表面波傳播，表面波的邊沿衍射使其在端射方向上的增益得到補償，相對于未加載HIS結構的線天線，該線天線單元表現(xiàn)出寬波束的輻射特性。

圖8 基于HIS的線天線的H面輻射方向圖

2.2 基于表面波輔助的寬角掃描相控陣

利用2.1節(jié)提出的基于HIS 的線天線單元構建八單元陣列，實現(xiàn)在上半空間的大范圍掃描，其結構如圖9所示。

為避免柵瓣出現(xiàn)，陣元間距設計在半波長以內。陣列單元的有源單元方向圖的仿真與實測結果如圖10所示，可以看出，實測結果與仿真吻合較好，且各天線單元均表現(xiàn)出寬波束特性。改變天線單元間相位差，使陣列主波束進行掃描，仿真與實測結果如圖11所示，陣列天線主波束的3 dB 掃描范圍為-85°～+85°，且在整個掃描范圍內，具有較低的旁瓣電平，交叉極化較低。

圖9 基于HIS的寬角掃描線陣

圖10 各天線單元的有源單元方向圖

圖11 基于HIS的線陣掃描結果

該陣列天線結構簡單、加工誤差較小，且掃描范圍大、旁瓣電平低，同時具有較低的剖面(0.05λ0)，非常適用于高度集成的現(xiàn)代機載雷達系統(tǒng)。

3 平行于地板的新型磁偶極子

基于表面波輔助的寬角掃描相控陣為天線的低剖面設計提供了新思路，通過構建同相反射面，線天線可以鄰近放置于地板上方，使天線在較低的剖面情況下保持良好的邊射輻射。根據鏡像原理，理想情況下，平行放置于鄰近地板的磁流源在上半空間同樣具有準全向的輻射特性。因此，構建平行于地板的磁流源是實現(xiàn)低剖面寬角掃描相控陣的新方法。

3.1 新型磁偶極子天線單元

實際情況下，并不存在磁流源，但是一些天線類型可以等效成磁流源，例如縫隙天線、小環(huán)天線等，縫隙天線的主流實現(xiàn)方式是在波導上開槽，但這種方法并不適用于高度集成的雷達系統(tǒng)。文獻[12-13]提出了通過將微帶貼片的三邊短路，一邊開路，構造等效磁流源，雖然其在E面具有很寬的波束寬度，利用該單元組成的E面陣列可以實現(xiàn)寬角掃描[14-15]。但是，其在H面的尺寸大于半個波長，由于柵瓣條件的限制，該結構不適用于在H面進行組陣，從而限制了其在二維相控陣上的應用。基于此，提出一種新型的微帶磁偶極子，其結構尺寸小，非常有利于在二維方向的布陣。

新型微帶磁偶極子結構如圖12所示。對于傳統(tǒng)的微帶貼片天線，其輻射邊為E面方向上的兩條間距為半波長的等效磁流源，由于陣因子貢獻，二單元等效磁偶極子天線陣具有一定的方向性，其波束寬度大約為90°。為避免陣因子貢獻，將兩輻射邊短路，同時在貼片中間開縫，根據腔模理論可知，其主模為TM01模； 根據邊界條件可以得出，電場在貼片中間最大； 基于等效原理，中間開槽的貼片天線可以等效為磁流源。因此，該天線具有低剖面特性的同時，在上半空間還表現(xiàn)出準全向輻射特性。

圖12 新型磁偶極子結構圖

實測與仿真方向圖結果如圖13～14所示。

圖13 新型磁偶極子的E面輻射方向圖

由圖可以看出，實測結果與仿真吻合較好，其單元在E面表現(xiàn)出寬波束特性，半功率波束寬度為150°，相對于文獻[12]中的磁偶極子，其H面波束寬度展寬，半功率波束寬度為90°(文獻[12]中的磁偶極子在H面半功率波束寬度為40°)，且天線尺寸減小，適用于二維寬角掃描相控陣的應用。

圖14 新型磁偶極子的H面輻射方向圖

3.2 基于新型磁偶極子的寬角掃描相控陣

由于其E面波束較寬，因此，在E面方向組建了九元線陣，為驗證其單元對寬角掃描的貢獻，采取等間距布陣，單元間距為0.4λ，陣列結構如圖15所示，由于天線單元兩邊有金屬化過孔，破壞原本的支持表面波傳播的帶地介質板表面波導結構[7, 16]，從而消除了大角度掃描時可能出現(xiàn)的盲點，中間開槽的結構使得近距離放置的天線單元間的空間耦合減小，因此，天線單元在陣列環(huán)境中能夠較好地保持其E面寬波束輻射特性，非常有利于該方向的寬角掃描。采取等幅饋電，通過對各單元的初始相位進行調節(jié)，使得陣列主波束發(fā)生偏轉。仿真與實測結果如圖16所示。

圖15 基于新型磁偶極子的E面線陣

該陣列可以實現(xiàn)-76°～+76°的3 dB增益波動掃描，掃描范圍內無盲點，且在等幅饋電的情況下，掃描范圍內的旁瓣電平都在-10 dB以下，交叉極化均小于-40 dB, 各項指標均符合工程應用中的要求, 且其剖面低(0.03λ)、結構簡單、成本低，適用于軍用以及商用寬角掃描相控陣。

相較于文獻[12]中的微帶磁偶極子，提出的新型微帶磁偶極子在H面上的尺寸大大減小，因此，在該方向上同樣組建九元線陣，其結構如圖17所示。與E面線陣相同，采取等間距布陣，單元間距為0.4λ； 與E面線陣不同的是該方向上的耦合作用有利于其波束展寬[17-18]。仿真與實測結果如圖18所示。

圖16 陣列掃描結果

圖17 基于新型磁偶極子的H面線陣

圖18 陣列掃描結果

采取等幅饋電，調節(jié)各單元間初始相位，使陣列主波束發(fā)生偏轉。仿真與測試結果吻合較好，其主波束的3 dB增益波動掃描范圍為-64°～+64°，但其旁瓣電平較高，需要通過優(yōu)化口徑分布來降低，同時帶來陣列口徑效率的降低，因此在實際應用中，需綜合考慮。

由于其E面及H面線陣均具有較寬的掃描范圍，該單元在二維寬角掃描面陣中具有較大應用潛力，在此基礎上，構建9×9面陣，其掃描范圍相對于線陣降低，后期將對該陣列進行優(yōu)化設計，通過調節(jié)布陣等方式，改善掃描性能。

4 結 論

針對現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)的低剖面、高度集成等問題，提出了多種解決方案，突破平面相控陣掃描范圍有限等關鍵技術，首先提出利用可重構技術，構造方向圖可重構寬波束天線單元，組陣實現(xiàn)了上半空間的大范圍低增益波動掃描； 其次，首次提出通過構造周期性超表面，利用表面波的邊沿衍射，補償邊射天線在端射方向上的低增益輻射，展寬其波束寬度方案，組陣實現(xiàn)了上半空間的準全空間掃描； 最后，基于鏡像理論，構建新型微帶磁偶極子，其結構簡單，適用于二維低剖面寬角掃描相控陣應用，基于該單元完成了E面及H面寬角掃描相控陣的設計。

[1] Schmidt F. Low-Cost Microstrip Phased Array Antenna for Use in Mobile Satellite Telephone Communication Service[C]∥Antennas and Propagation Society International Symposium,1987.

[2] Harrington R F. Time-Harmonic Electromagnetic Field[J].Physics Bulletin, 1961, 29(2): 395-423.

[3] Mailloux R J. Phased Array Antenna Handbook[M]. 2nd ed. Norwood, MA, USA: Artech House, 2005.

[4] Kedar A, Beenamole K S. Wide Beam Tapered Slot Antenna for Wide Angle Scanning Phased Array Antenna[J]. Progress in Electromagnetics Research B, 2011, 27(27):235-251.

[5] Valavan S E, Tran D, Yarovoy A G, et al. Planar Dual-Band Wide-Scan Phased Array in X-Band[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2014, 62(10): 5370-5375.

[6] Stutzman W L, Thiele G A. 天線理論與設計[M]. 朱守正，安同一, 譯. 北京:人民郵電出版社, 2006: 80-126.

[7] Ding Zhoufu, Xiao Shaoqiu, Liu Changrong, et al. Design of a Broadband, Wide-Beam Hollow Cavity Multilayer Antenna for Phased Array Applications[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2015, 15: 1040-1043.

[8] Huang Bin, Yao Yuan, Feng Zhenghe. A Novel Wide Beam Dual-Band Dual-Polarization Stacked Microstrip-Dielectric Antenna[C]∥ International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2007: 1-4.

[9] Ta S X, Choo H, Park I, et al. Multi-Band, Wide-Beam, Circularly Polarized, Crossed, Asymmetrically Barbed Dipole Antennas for GPS Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(11): 5771-5775.

[10] Su C W, Huang S K, Lee C H. CP Microstrip Antenna with Wide Beam Width for GPS Band Application [J]. Electronics Letters, 2007, 43(20): 1062-1063.

[11] Wang Ren, Wang Bingzhong, Ding Xiao, et al. Planar Phased Array with Wide-Angle Scanning Performance Based on Image Theory[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2015, 63(9): 3908-3917.

[12] Liu Juhua, Jackson D R, Long Yunliang. Propagation Wavenumbers for Half- and Full-Width Microstrip Lines in the EH1 Mode[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2011, 59(12): 3005-3012.

[13] Liu Juhua, Xue Quan. Microstrip Magnetic Dipole Yagi Array Antenna With Endfire Radiation and Vertical Polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(3): 1140-1147.

[14] Wen Yaqing, Wang Bingzhong, Ding Xiao. A Wide-Angle Scanning and Low Sidelobe Level Microstrip Phased Array Based on Genetic Algorithm Optimization[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2016, 64(2): 805-810.

[15] Wen Yaqing, Wang Bingzhou, Ding Xiao. Wide-Beam Circularly-Polarized Microstrip Magnetic-Electric Dipole Antenna for Wide-Angle Scanning Phased Array[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2016(99)：1.

[16] Awida M H, Kamel A H, Fathy A E. Analysis and Design of Wide-Scan Angle Wide-Band Phased Arrays of Substrate-Integrated Cavity-Backed Patches[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(6): 3034-3041.

[17] Hannan P , Lerner D, Knittel G. Impedance Matching a Phased-Array Antenna over Wide Scan Angles by Connecting Circuits[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1965, 13(1): 28-34.

[18] Amitay N. Improvement of Planar Array Match by Compensation through Contiguous Element Coupling[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1966, 14(5): 580-586.

Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna

Liu Chunmei, Xiao Shaoqiu, Fan Xing, Bai Yanying, Li Mei

(University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 610500，China)

In view of the application requirement of missile precision guidance system and UAV reconnaissance, a series of researches on the technology of wide-angle scanning phased array are carried out, based on the technical problems on low cost and low volume of airborne scanning phased array antenna. Using reconfigurable technology, the wide scanning range on planar phased array is realized by active device loading. Using surface-wave assistant method, the beam width of antenna element is broadened, and a design of wide-angle scanning phased array antenna with low profile, easy processing and easy integration is completed. Based on image theory, a new type of magnetic dipole, which is easy to realize and can be used in 2D scanning, is designed to realize a larger range scan on upper half space.

planar phased array; wide-angle scanning; reconfigurable technology; surface-wave assistant; image theory; low profile

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.001

2016-10-11

國家自然科學基金項目(61271028； 61271027)

劉春梅(1992-)，女，四川成都人，博士研究生，研究方向為天線理論與設計，寬角掃描相控陣。

TN820.2

A

1673-5048(2016)06-0003-06