周期結構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

(西北工業大學電子信息學院,西安 710129)

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周期結構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

(西北工業大學電子信息學院,西安 710129)

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

關鍵詞周期結構;寬角掃描;陣列天線;增益

資助項目: 國家自然科學基金(No.61271416和No.61301093)； 中央高校基礎研究經費(No.3102014KYJD027)；NPU基金會基礎研究(No.JCY20130132)

聯系人： 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°時增益下降4～5 dB．提高寬角度掃描時天線的增益一直是天線研究人員研究的熱點,近年來人們提出了一些方法來改善寬角掃描時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構尺寸都很大;另一種方法是通過改變天線結構來改善寬角掃描時的增益,如通過可重構天線或者寄生貼片形式,在波束掃到某一邊時就利用改變天線的結構來控制天線單元的波束形狀以達到提高寬角掃描時天線的增益的目的[3-4]．這種方式結構復雜,控制也較麻煩,從而限制了這種技術的推廣應用．還有一種措施是改變天線陣列排列結構,利用三面線性陣列結構以提高寬角掃描時陣列的增益[5]．這類天線陣列類似于共形陣列,可以實現寬角掃描,但天線增益不高．文獻[6-7]提出在天線下方放置一個反射面．這種方法將會使天線的反射板很大,且天線結構較復雜．文獻[8]給出一種寬帶不等間距相控陣天線的設計方法,利用該方法實現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[9]的啟發下我們提出用一種簡單的周期結構來提高天線寬角掃描時天線增益的方法,這種方法結構簡單易于工程實現．

1高阻抗周期結構與天線單元設計

電磁周期結構的種類很多,可分為一維結構、二維結構、三維結構等形式,也可分為金屬結構、介質結構、金屬-介質混合結構等[10-12]．本文研究了一種金屬-介質混合型高阻抗周期結構來提高天線陣列的寬角掃描性能．周期尺寸遠小于波長的結構可用有效媒質模型表征,其性能可歸結成唯一的參數:表面阻抗[13]．而本文應用的金屬-介質混合型結構之所以被稱為“高阻抗表面”,是因為它的表面在一定頻帶內呈現高阻抗特性,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中的混合型周期結構,相鄰金屬柱間產生電容效應,而金屬柱則引入電感,是該結構近似地等效成集總參數的并聯諧振電路．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而成的負載阻抗，即該結構的表面阻抗,則

(1)

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

(2)

將這種周期結構放在天線下方,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．將這種周期結構應用到相控陣天線中,改善了寬角掃描增益下降的問題,同時還能夠降低后瓣輻射,提高陣列天線輻射效率．

圖1　周期結構等效的并聯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電磁仿真軟件進行仿真,其結構及尺寸如圖2(a)所示,天線的仿真輻射方向圖如圖3中實線所示．圖2(b)為增加高阻抗周期結構后的天線結構,周期結構與圖1相似為菱形排列的金屬柱嵌入在介質中,介質背面為金屬地．改變周期結構單元間距S、柱體半徑Rh和高度H5、介質厚度H3和介電常數等使其工作在與普通型相同條件下,得到其最佳結構尺寸如圖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,其中實線為無周期結構的輻射方向圖,虛線為有周期結構的輻射方向圖．在圖3中,通過對比可以發現無周期結構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構后天線方向圖有所展寬,另外有高阻抗周期結構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構中尤為效果顯著．這種現象是由于電場在周期結構中傳輸中,高阻抗周期結構改變了電場相移,同時周期結構的介質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顯示高阻抗周期結構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) 增加高阻抗周期結構前 (b) 增加高阻抗周期結構后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　孤立天線單元結構圖

(a) 兩種結構單元輻射方向圖

(b) 兩種結構在陣列中的孤立單元輻射方向圖圖3

2高阻抗周期結構對陣列天線寬角掃描的影響

以上面的天線單元為基礎,設計了一個1×8的線陣,如圖4(a)所示,地板尺寸為350 mm×55 mm,介質板尺寸為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) 增加高阻抗周期結構前

(b) 增加高阻抗周期結構后圖4　1×8線性陣列結構示意圖

圖5　無周期結構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(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

對于高阻抗周期結構基板陣列天線,其結構尺寸與孤立單元時的尺寸一樣,周期結構尺寸也與孤立單元的周期結構尺寸相同,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(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，當掃描到60°以后增益下降得比較嚴重．

表2　周期結構線性陣列輻射性能參數

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,高阻抗周期結構型陣列天線的半功率角度更窄．增益歸一化之后,高阻抗周期結構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θ較大時(30°<θ<60°)高阻抗周期結構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顯示高阻抗周期結構陣列天線掃描到大角度時的增益,即在0°<θ<60°波束掃描增益下降較少,因而實現波束在掃描到較寬角度時天線陣列具有較高的增益．

3測試結果對比

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

(a) 無周期結構

(b) 有周期結構圖8　兩種天線實物測試圖

(a) 無周期結構

(b) 有周期結構圖9　實測天線陣列波束掃描輻射方向圖

4結論

通常設計的陣列天線在其波束掃描到較大角度時,其增益與最大值對比下降的比較嚴重,這樣不利于陣列寬角掃描．本文利用一種三維金屬-介質混合周期結構,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構的前提下,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具有較高的增益,其在-60°<θ<60°內增益下降不超過3 dB．研究發現在一定情況下如果接地板更小,陣列單元個數越多,更能體現其性能優勢,這種周期結構可以極大地改善寬角掃描時天線陣列的增益．

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李建瀛(1965-),男,河南人，西北工業大學電子信息學院教授,博士生導師，主要研究方向為計算電磁學、天線理論與工程設計、電磁散射、電磁兼容、相控陣天線.

楊光偉(1989-),男,陜西人，西北工業大學在讀博士研究生，主要從事天線理論與工程設計、相控陣天線和周期結構研究.

張兆林(1978-),男,河南人，西北工業大學電子信息學院副教授，主要研究方向為導航抗干擾技術、陣列信號處理,以及多媒體通信.

徐瑞(1989-),男,陜西人，西北工業大學在讀博士研究生,主要從事天線理論與工程設計、波導縫隙研究.

楊姜軍(1991-),男,河北人，西北工業大學在讀碩士研究生,主要從事電磁計算與基站天線設計.

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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

文獻標志碼A

文章編號1005-0388(2015)06-1102-06