一種行-列分離控制的可重構(gòu)傳輸陣列設(shè)計(jì)

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

相控陣天線能夠快速切換和掃描波束，其優(yōu)越的性能可以滿足未來(lái)信息傳輸?shù)男枨骩1]。由于傳統(tǒng)的相控陣天線需要大量的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路損耗。然而，與傳統(tǒng)相控陣天線相比，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、輻射天線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，平行微帶線和垂直微帶線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)帶通曲線左右平移，相位曲線上下移動(dòng)。隨著變?nèi)荻O管的電容值從0.15 pF增加到1.2 pF，傳輸曲線向低頻移動(dòng)，曲線的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，每一條水平微帶線和垂直微帶線分別連接每一行單元和每一列單元。在圖5(c)和圖5(d)中，每條水平微帶線連接電壓V1,i(i=1,2,...,20) ，i表示第i行水平微帶線，每條垂直微帶線連接電壓V2,j(j=1,2,...,20) ，j表示第j列垂直微帶線，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，同時(shí)掃描波束也具有相同的對(duì)稱性，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。