基于電磁超表面的寬角掃描相控陣天線

何應(yīng)然，張文靜，杜 彪,張治強(qiáng)

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081;2.西北核技術(shù)研究所 高功率微波技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024)

0 引言

相控陣天線是一種非常適合波束掃描或多波束應(yīng)用的天線型式。通過調(diào)節(jié)天線各單元的相位，可以在較大的掃描角度范圍內(nèi)精確控制電磁波束的指向[1]。為了使相控陣天線在盡量大的掃描角度范圍內(nèi)無柵瓣工作，天線單元之間的周期間距要盡量小，一般為半波長左右[2]。天線單元距離很近的相控陣天線，單元之間的互耦效應(yīng)較強(qiáng)。當(dāng)掃描角度很大時，天線單元的反射系數(shù)變大，會嚴(yán)重影響相控陣天線的增益、效率、波束形狀以及掃描指向精度。

為了在寬角度范圍內(nèi)改善相控陣天線的阻抗匹配特性，寬角匹配技術(shù)有以下幾種：① 介質(zhì)薄板匹配技術(shù)；② 內(nèi)部耦合補(bǔ)償技術(shù)，在天線饋線與天線單元之間添加電抗網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)耦合補(bǔ)償；③ 外部耦合補(bǔ)償技術(shù)，即改變天線單元的外部環(huán)境對波束掃描過程中阻抗變化的影響。介質(zhì)薄板技術(shù)受限于自然界現(xiàn)存材料；內(nèi)部耦合補(bǔ)償技術(shù)復(fù)雜度過高，實(shí)用價值不高；外部耦合補(bǔ)償技術(shù)難以同時擴(kuò)展E面和H面的掃描角度[3]。

超材料是由人工微結(jié)構(gòu)周期排列形成的等效介質(zhì)，其電磁響應(yīng)可以靈活控制[4-6]。相比自然材料，超材料的電磁響應(yīng)參數(shù)不受自然材料的限制，其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率可以是正值，可以接近于零，也可以是負(fù)值。除此之外，超材料的電磁響應(yīng)可以設(shè)計(jì)為強(qiáng)各向異性，或者空間分布是梯度變化的[7-11]。超表面是由一層或多層超材料單元二維周期性排列組成的功能性電磁表面，相比三維超材料結(jié)構(gòu)，其加工制造更加簡單和靈活[12-15]。超材料/超表面的電磁參數(shù)可控特性，為相控陣天線的阻抗匹配帶來了新的技術(shù)手段[16-18]。本文提出了一種基于電磁超表面的寬角匹配相控陣天線技術(shù)，首先介紹了超表面的工作機(jī)理，然后分析了采用常規(guī)匹配方式和超表面匹配技術(shù)的2種相控陣天線的輻射性能，通過仿真和實(shí)測兩方面證明了超表面匹配技術(shù)能夠改善相控陣天線的寬角掃描性能。

1 超材料層實(shí)現(xiàn)寬角匹配的工作機(jī)理

將波導(dǎo)口輻射單元內(nèi)部填充介質(zhì)，天線陣列的排布周期可以大為減小，從而實(shí)現(xiàn)大角度無柵瓣的波束掃描。此類天線的主要問題是如何實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，這是因?yàn)榻橘|(zhì)和空氣分界面處的反射較強(qiáng)。將填充介質(zhì)延伸出一段長度，可以有效解決法向輻射時的阻抗不匹配問題，但大掃描角度時，匹配效果并不理想。這是因?yàn)榇蠼嵌葤呙钑r，波導(dǎo)陣列天線口面與空氣的交界面會激勵出表面波。表面波的出現(xiàn)會顯著增加天線單元之間的互耦，破壞相控陣天線的阻抗匹配特性。

為了改善波導(dǎo)相控陣天線的寬角匹配特性，本文提出使用各向異性超材料覆蓋于相控陣天線的輻射口面，抑制表面波模式，從而提升相控陣天線的匹配性能和輻射性能。

下面簡單分析電磁波在介質(zhì)中的傳播特性及表面波模式的存在條件。不失一般性，限定電磁波在x-z面內(nèi)傳播，波矢分量為kx和kz。

在介電常數(shù)為εr的各向同性材料中，波矢k要滿足的色散方程為：

(1)

式中，k0為自由空間波矢。可見，波矢大小與傳播方向無關(guān)。

在各向異性介質(zhì)中，材料的介電特性可以用張量表示εr=diag(εx,εy,εz)。對x-z面內(nèi)傳播的TM極化電磁波，其波矢色散關(guān)系為：

(2)

圖1對比了2種典型材料的色散曲線。材料1為各向同性，介電常數(shù)εr=2.2；材料2為各向異性，介電常數(shù)εx=2.03,εz=1.01。明顯可見，各向同性材料的色散曲線為圓形，而各向異性材料的色散曲線為橢圓。2種色散曲線會導(dǎo)致顯著不同的表面波特性。

圖1 2種材料中的波矢色散特性

表面波是一種沿材料與空氣分界面?zhèn)鞑サ穆Ｊ?。在空氣中，電磁場沿垂直界面方向指?shù)衰減，場能量被有效地約束在界面附近。對x-z平面?zhèn)鞑サ谋砻娌?，假設(shè)空氣和介質(zhì)分界面方向?yàn)閤方向，則這種表面波在空氣中的電場分布表達(dá)式為：

E(x,z)=E0exp(-γz)exp(iβx)，

(3)

式中，β=kx為沿空氣-介質(zhì)分界面的傳播常數(shù)；γ為空氣中的衰減系數(shù)。二者之間的關(guān)系為：

(4)

因此，表面波存在的首要條件是傳播常數(shù)β>k0。對照圖1中2種材料的色散曲線可知，材料1與空氣的分界面可以支持表面波模式；而材料2與空氣的界面則能完全抑制表面波傳播。

根據(jù)上述原理分析，可得各向異性超材料匹配層的設(shè)計(jì)原則：

(1) 首先調(diào)節(jié)超材料的法向介電張量分量εz=1，能夠抑制表面波模式，改善大角度掃描時的匹配性能；

(2) 然后調(diào)節(jié)超材料的切向介電張量分量，可以實(shí)現(xiàn)介質(zhì)與自由空間的匹配過渡，保證小角度掃描時的匹配性能。

利用超材料可靈活調(diào)控電磁響應(yīng)的特點(diǎn)，本文給出了一種基于超材料的寬角匹配相控陣天線設(shè)計(jì)，僅采用包含一層單元的二維超材料結(jié)構(gòu)，即超表面實(shí)現(xiàn)了相控陣天線的寬角匹配，提高了其寬角掃描性能。

2 相控陣天線設(shè)計(jì)

2.1 概述

針對某Ka頻段寬角掃描衛(wèi)星通信相控陣天線開展設(shè)計(jì)。其主要指標(biāo)如下：

·工作頻率：19.6～21.2 GHz；

·極化形式：右旋圓極化；

·布陣形式：三角布陣；

·波束覆蓋范圍：二維相掃，覆蓋±60°；

·陣列規(guī)模：16×8。

相控陣天線系統(tǒng)的陣列天線如圖2所示，后端饋電波導(dǎo)對每個天線單元饋電。饋電波導(dǎo)的線極化波經(jīng)過隔板圓極化器后，轉(zhuǎn)換為圓極化波，圓極化波在介質(zhì)波導(dǎo)內(nèi)傳播至輻射口面，進(jìn)行輻射，如圖3所示。輻射口面處設(shè)計(jì)有錐形漸變結(jié)構(gòu)，可有效改善寬角掃描時的有源駐波特性。

圖2 相控陣天線組陣示意

圖3 相控陣天線單元示意

天線單元的各組成部分設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

·拼陣方式：三角布陣；

·組陣周期：x方向周期dx=7.4 mm,y方向周期dy=8.4 mm；

·波導(dǎo)口邊長：a=5.7 mm；

·填充介質(zhì)：Rogers 5850，εd=2.2，介電損耗正切值δe=0.000 9。

在該布陣周期下，天線波束二維相掃±60°內(nèi)不會出現(xiàn)柵瓣。

2.2 傳統(tǒng)介質(zhì)錐匹配設(shè)計(jì)

介質(zhì)波導(dǎo)口天線組成的相控陣陣列，在出射口面存在較強(qiáng)的反射。解決該問題的傳統(tǒng)辦法是介質(zhì)錐匹配法，將填充介質(zhì)延伸出一段長度，延伸段形狀可以為柱狀、錐狀或棱臺狀。

針對圖2所示的相控陣天線單元，使用基于有限元的電磁仿真軟件優(yōu)化了相控陣天線的寬角匹配特性，仿真模型如圖4所示。通過優(yōu)化介質(zhì)匹配柱尺寸，得到匹配錐臺的幾何參數(shù)為：介質(zhì)錐底邊邊長3.7 mm,介質(zhì)錐頂部邊長1.4 mm，介質(zhì)錐高度3 mm。

圖4 介質(zhì)錐匹配的相控陣天線單元結(jié)構(gòu)

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的相控陣，對x極化和y極化2個波導(dǎo)模式的有源S參數(shù)如圖5所示。

(a) φ=0°面

本文使用經(jīng)典的球坐標(biāo)系掃描天線的波束指向。陣面的法向方向?yàn)棣?0°。x-z面為φ=0°面，y-z面為φ=90°面。

由此可見，θ在0°～30°內(nèi)，該相控陣單元有源阻抗匹配良好，S11系數(shù)在-12 dB以下。隨著掃描角度θ進(jìn)一步增大，S11系數(shù)呈明顯的上升趨勢。在φ=0°面，當(dāng)θ=60°時，出現(xiàn)了嚴(yán)重的能量反射；尤其是在21.2 GHz，x極化信號出現(xiàn)了全反射。

2.3 超表面匹配層設(shè)計(jì)

采用周期性的金屬貼片構(gòu)成超表面匹配層。在匹配層設(shè)計(jì)中遵循如下原則：

(1) 為了保證超材料的法向介電張量分量εz=1，使用的印制板電尺寸要盡量薄。本設(shè)計(jì)中使用極薄的Rogers 5880印制板，其厚度僅為0.254 mm。

(2) 為了盡量減小匹配層引入的插入損耗，使用了低介電常數(shù)、低損耗正切的印制板。Rogers 5880的介電常數(shù)是2.2，損耗正切是0.000 9。

(3) 匹配層的周期性要與天線單元的周期性保持一致。本設(shè)計(jì)中匹配層上的金屬貼片的周期為天線單元周期的1/4。4×4個貼片正好鋪滿一個單元。

超表面覆層要實(shí)現(xiàn)良好的寬角匹配，還需要優(yōu)化超表面單元的幾何參數(shù)。優(yōu)化過程中調(diào)整的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：金屬貼片在x，y兩個方向的間隙gx，gy；超表面覆層與天線陣面之間的距離h。

與介質(zhì)錐匹配技術(shù)類似，建立如圖6所示的仿真模型，使用周期性邊界條件計(jì)算該相控陣單元的有源反射特性。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到的匹配層參數(shù)為：貼片間隙gx=0.5 mm，貼片間隙gy=0.55 mm,介質(zhì)板高度h=1.1 mm。超表面覆層的匹配效果如圖7所示。它展示了波導(dǎo)口內(nèi)沿x,y兩個方向極化的波導(dǎo)模式在φ=0°和φ=90°面的有源駐波。

圖6 超表面匹配的相控陣天線單元結(jié)構(gòu)

(a) φ=0°面

由圖7可知，在0°～60°掃描范圍內(nèi)，相控陣天線單元的有源S11在-5.1 dB以下，匹配特性較好。

3 小規(guī)模陣列仿真結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證超表面匹配技術(shù)的成效，首先仿真一個小規(guī)模陣列，并觀察其增益和軸比特性。該小規(guī)模相控陣天線由5條子陣組成。每一條子陣陣元沿y方向排列，陣元數(shù)為8。5條子陣沿x方向錯位排列。

表1對比了介質(zhì)錐匹配相控陣天線和超表面匹配相控陣天線的增益特性。從增益特性看，采用超表面技術(shù)的天線法向增益略低于采用介質(zhì)錐匹配技術(shù)的增益，但是在60°角掃描時，其天線增益顯著高于采用介質(zhì)錐匹配技術(shù)的增益，φ=0°方位面掃描時，最低增益由16.0 dB增大為17.5 dB，增益提升達(dá)1.5 dB；φ=90°方位面掃描時最低增益由17.5 dB增大為18.0 dB，增益提升達(dá)0.5 dB。實(shí)際天線系統(tǒng)的性能取決于波束覆蓋范圍內(nèi)的最小天線增益，所以超表面匹配技術(shù)具有明顯優(yōu)勢。

表1 介質(zhì)錐相控陣和超表面相控陣的增益特性比較

采用2種匹配技術(shù)的超表面相控陣天線的軸比特性比較如表2所示。

表2 介質(zhì)錐相控陣和超表面相控陣的軸比特性比較

在φ=90°面，當(dāng)波束60°角掃描時，采用超表面技術(shù)的天線軸比特性略差，最大軸比由3.8 dB惡化為4.5 dB；但在φ=0°面整個掃描范圍內(nèi)，超表面相控陣的最大軸比由5.2 dB改善為2.1 dB。結(jié)果表明，采用超表面技術(shù)可以改善天線的軸比特性。

4 天線樣機(jī)與測試驗(yàn)證

4.1 天線樣機(jī)

按照上面的設(shè)計(jì)，加工了一款超表面相控陣天線樣機(jī)。樣機(jī)陣元規(guī)模為16×8：天線由8條子陣組成，每一子陣包含16個天線單元。組裝后的天線陣列樣機(jī)照片如圖8所示。

圖8 天線樣機(jī)照片

為測試對比采用2種匹配技術(shù)的相控陣天線輻射性能，同時加工了采用介質(zhì)錐匹配技術(shù)的相控陣天線樣機(jī)，并且其陣面規(guī)模與超表面相控陣天線完全相同。

比較的主要測試指標(biāo)是掃描范圍內(nèi)增益特性和軸比特性。測試場地為微波暗室，實(shí)測掃描角度為0°，30°，45°和 60°。

4.2 天線掃描增益測試

在測試過程中，針對每一個指定的波束指向，首先對相控陣陣元后端的移相器進(jìn)行置相，然后水平轉(zhuǎn)動測試轉(zhuǎn)臺，對準(zhǔn)相控陣天線的掃描波束方向，然后測試該掃描波束的方向圖。

通過改變暗室中發(fā)射喇叭的極化方向，完成了水平極化和垂直極化的掃描方向圖測試。通過90°旋轉(zhuǎn)待測天線的天線陣面，完成了0°方位面和90°方位面的輻射方向圖測試。

2種相控陣天線的0°方位面掃描方向圖如圖9和圖10所示。其中，圖9對應(yīng)x極化的輻射方向圖，圖10對應(yīng)y極化的輻射方向圖。

(a) 19.6 GHz

(a) 19.6GHz

由測試結(jié)果可知，當(dāng)波束在φ=0°面掃描時，采用介質(zhì)錐匹配技術(shù)的相控陣天線掃描到60°時，在20.4和21.2 GHz會出現(xiàn)方向圖變形。而采用超表面匹配技術(shù)的相控陣天線在整個掃描范圍內(nèi)方向圖形狀完好，天線的掃描增益得到明顯提升。

對2種天線在φ=90°面的波束掃描特性也進(jìn)行了實(shí)測。由于篇幅限制，圖11僅給出2種極化波在21.2 GHz的方向圖對比，其中TE極化波對應(yīng)x極化，TM極化波對應(yīng)y極化。從對比結(jié)果同樣可知，當(dāng)波束在φ=90°面掃描時，采用超表面匹配的相控陣天線同樣實(shí)現(xiàn)了更小的掃描增益損失，實(shí)現(xiàn)了掃描波束增益的提升。

(a) TM極化

4.3 軸比特性的測試

在暗室測試中，轉(zhuǎn)動線極化發(fā)射喇叭超過180°，可以測試得到天線的軸比特性。表3總結(jié)了2種相控陣天線在不同掃描角度下的軸比特性。

表3 介質(zhì)錐相控陣和超表面相控陣的實(shí)測軸比

由軸比測試結(jié)果可知，在φ=90°面掃描時，超表面天線的軸比特性比介質(zhì)錐匹配天線略差，差距在1～3 dB。在φ=0°面掃描時，超表面天線的軸比特性比介質(zhì)錐匹配天線改善明顯。特別是在45°和60°掃描時，軸比性能得到了顯著提升，軸比最大改善約14 dB。軸比測試結(jié)果的變化規(guī)律與仿真結(jié)果一致，但測試的軸比要高于仿真計(jì)算結(jié)果。

5 結(jié)束語

針對一款Ka頻段的衛(wèi)星通信接收相控陣天線，使用超表面匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)了寬角范圍的高性能波束掃描。與介質(zhì)錐技術(shù)對比結(jié)果表明，超表面匹配層技術(shù)能夠在±60°波束掃描范圍內(nèi)，減小掃描增益損失，提升大角度掃描時天線軸比性能。本文提出的電磁超表面技術(shù)不僅可以應(yīng)用于波導(dǎo)單元形式的相控陣天線中，還可以推廣應(yīng)用于其他單元類型的相控陣天線中。