一種提高圓極化陣列天線寬角掃描特性的設計方法研究*

楊國慶

（中國西南電子技術研究所，四川 成都 610036）

0 引言

隨著無線通信技術的飛速發展，越來越多的應用環境要求天線具備高方向性、大帶寬、低交叉極化、電子波束掃描和低剖面等特性。此類應用例如X 頻段及以下頻段的安全防御雷達系統，Ku 頻段的通信系統，K 或Ka 頻段的衛星系統，以及即將到來的5G 通信系統[1]等。而相控陣天線因其快速掃描、波束捷變、高定向增益覆蓋、易于共形和形成多波束等特點[2]在軍用和民用領域都得到大量應用。圓極化天線由于可以接收任意極化方式的電磁波，且發射的圓極化波具有很強的抗多徑干擾和抗雨衰能力，在衛星通信、移動通信、導航及探測系統中都被廣泛關注。為了滿足各應用系統期望的大空域覆蓋和小波束增益起伏需求，研究具有寬角掃描能力的圓極化相控陣天線顯得尤為重要。

根據遠場疊加原理[2]，相控陣天線的掃描能力取決于陣列排布方式和陣列單元方向圖特性。陣列排布方式決定了天線單元的周圍環境，由于各單元之間會通過電磁耦合的方式相互影響，這種相互影響又稱為互耦，會隨著掃描角度的增大而更加強烈，造成單元阻抗失配而嚴重影響大角度掃描時的輻射效率和輻射增益。因此，要擴展平面相控陣天線的掃描范圍，最直接有效的兩種措施即是降低互耦和擴展天線單元波束寬度。

如何解決互耦，是廣大天線設計者在陣列設計初期就高度關注的問題。互耦來源于天線單元之間的近場耦合和表面波耦合，主要通過空間輻射、介質基板和天線地板產生。為了改變或阻斷耦合路徑，文獻中提及較多的方法主要有：采用缺陷地（Defected Ground Structure，DGS）結構[3-7]、電磁帶隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)結構[8-11]、超材料表面[12-14]、頻率選擇表面（Frequency Selective Surface，FSS）結構[15,16]，以及增加垂直電壁[17]等。常見的DGS 結構有矩形縫隙[3]、S 形縫隙[4]、H 形縫隙[5]、啞鈴形縫隙[6]和級聯裂環形縫隙[7]等，通過在天線地板上開縫，有效地抑制了表面波從而降低互耦，但這類結構的缺點在于其地板結構不滿足小型化或一體化有源相控陣天線垂直互聯要求。文獻[8]的蘑菇形EBG 墻、[9]的平行耦合線EBG、[10]的T 形EBG，以及[11]的三維S 形EBG結構都可以有效地抑制互耦，但其缺點也同樣明顯。由于EBG 本質上屬于周期性結構，需要足夠的單元數量來維持周期性，設計較為復雜，而且會占用較大的空間尺寸。文獻[12]～[14]采用幾種裂環結構形成超材料表面，有效地降低了兩個天線單元之間的互耦。超材料表面雖然結構簡單、易于加工，但其去耦效應是通過天線單元與裂環結構之間產生耦合來實現，單元間距越小，天線單元方向圖和軸比所受影響越大，不適合緊湊型陣列天線應用。文獻[15]和[16]提出了兩種頻率選擇表面結構，數據證明該結構更適合于單極子天線之間去耦，另外該結構需要更高的剖面尺寸。文獻[17]在微帶天線E面兩側加載了垂直金屬壁，由該天線單元組成的E面線陣，±70°掃描范圍內增益起伏小于2.7dB，寬角掃描能力非常出色，唯一的不足在于垂直電壁的存在增加了天線的高度和加工難度。

本文從降低單元間互耦和拓展單元波束寬度兩個方面出發，以傳統的圓極化微帶貼片天線單元為基礎，探究提高圓極化陣列天線寬角掃描的具體方法。研究過程中充分考慮工程應用的需求，結合微帶陣列天線的實現工藝和加工難度，提出一種輔助輻射環結構，將該結構加載到微帶貼片周圍得到一種新型天線單元。該天線單元相比微帶貼片天線具有更寬的波束寬度和良好的圓極化特性。然后利用該天線單元組陣形成幾種2×2 子陣排布方式，通過仿真對比分析了各子陣的方向圖和軸比特性，并最終確定最優的子陣排布方式。隨后，將該子陣結構作為基本單元進行擴展得8×8 矩形陣列，通過仿真驗證了陣列天線的單元間互耦特性，以及大角度掃描情況下的方向圖、軸比性能，并總結出了一種提高圓極化微帶陣列天線寬角掃描特性的一般方法。

1 天線單元設計及仿真分析

為了研究圓極化陣列天線的寬角掃描特性及優化方法，本文以圓極化微帶貼片天線為例，典型的天線單元結構有圓形貼片和矩形貼片，如圖1 所示。

圖1 傳統圓極化微帶天線單元結構圖

為了獲得互耦較低和波束寬度更寬的天線結構，本文提出一種結構簡單的輔助輻射器，該輔助輻射器由寄生在微帶貼片周圍的金屬圓環和若干金屬圓柱構成。加載輔助輻射器后的天線單元結構如圖2 所示，單元結構從上到下依次為輔助輻射結構、微帶貼片、介質板和接地板，其中8 個金屬圓柱環形分布于介質板中，將輔助輻射環和接地板相連接。天線加工采用PCB 工藝，僅需一張單層高頻板材即可完成，金屬圓柱可通過金屬化通孔的方式加工實現。介質基板可選用Rogers或Taconic等公司的高頻板材，本文仿真設計選用相對介電常數為3，損耗角正切為0.0013 的Rogers RO3003 板材，為了保證天線工作帶寬，選用板材厚度為20mil。考慮上下表面銅層和鍍層厚度，該天線的成品厚度小于0.6mm。天線單元饋電采用單同軸背饋方式實現，饋電端口可根據工程應用需求選用金屬化通孔結構，利用SMP/SSMP 系列高頻連接器與T/R 組件模塊連接；也可選用金屬圓盤結構，適用于毛紐扣等彈性連接器；還可以和T/R 組件通過多層PCB 或LTCC 等工藝一體化集成。

圖2 加載輔助輻射器后的天線單元結構圖

傳統的圓形微帶貼片天線通過開槽可產生兩個正交簡并模而實現圓極化，矩形微帶貼片天線圓極化則可通過對角線饋電來實現。兩種微帶貼片周圍加載輔助輻射結構后，天線單元的仿真結果對比如圖3 和圖4 所示。由仿真曲線可見，兩種微帶貼片的原始輻射方向圖波束寬度窄、增益高，最大增益可達7.3dBi；加載后，天線單元的最大增益下降，但波束寬度有所展寬，由于受環形輻射結構的影響，天線單元輻射方向圖的對稱性也有所改善。圖4 的軸比曲線圖顯示，兩種天線單元的圓極化特性受環形輻射器的影響很小。

2 天線陣列仿真與分析

2.1 子陣排布與仿真分析

由圖3 和圖4 的仿真曲線可知，盡管加載后天線單元的輻射方向圖對稱性有所改善，但在兩個正交剖面，天線波束還是偏向Theta 角的正方向；另外，天線單元軸比隨著角度增大在不斷增加。這兩個因素將在一定程度上影響二維相控陣天線大角度掃描時的輻射增益和軸比性能。為了獲得更加對稱的掃描方向圖，需要進一步優化天線單元性能。考慮到更改天線單元結構會增加天線的結構復雜度和加工難度，故采用優化子陣性能的思路來解決該問題。

圖3 天線單元方向圖

圖4 天線單元軸比圖

對于圓極化陣列天線，為了提高陣列的軸比性能，通常采用順序旋轉饋電法。因天線單元的方向圖存在不對稱性，本文在采用順序旋轉法饋電的過程中，同時優化天線單元的排布方式，即通過多個單元協作來彌補單元方向圖不對稱的不足。

以加載后的圓形貼片天線單元為例，由于采用偏置饋電，形成的2×2 子陣共有四種排布方式。考慮到較為分散的單元排布會影響子陣的周期性擴展，本文只對兩種單元排布緊湊的子陣進行仿真分析。如圖5 所示，結構(a)中初始單元位于下方，其余三個單元按照0.48λ0的間距，依次旋轉90°、180°和270°排成2×2 子陣，再將三個單元的饋電端口順時針依次補償90°；結構(b)采用相同的旋轉方式，僅調整了原始單元的位置。通過HFSS 仿真，得到兩種2×2 子陣的輻射方向圖和軸比曲線，如圖6 所示。

圖5 兩種緊湊型排布的2×2 子陣結構圖

由圖6（a）仿真結果可見，兩種子陣的輻射方向圖都具有理想的旋轉對稱特性，相比子陣（a）,子陣（b）具有更寬的波束寬度，同時還具有更加平緩的軸比曲線，該排布方式下，子陣在±60°角域范圍內軸比值小于2.5dB。因此，采用順序旋轉饋電和布陣技術，在不改變天線單元結構的前提下，通過單元排布解決了方向圖的不對稱問題，同時還獲得了良好的軸比性能。

圖6 兩種2×2 子陣性能曲線圖

經過仿真驗證，對于矩形貼片天線單元，采用上述結構和方法可以得到同樣良好的圓極化輻射特性。

2.2 8×8 陣列仿真分析

在XOY平面內，將圖5（b）所示的2×2 子陣擴展成為8×8 矩形陣列天線（天線結構如圖7 所示），天線單元間距在X方向和Y方向均取為0.48λ0，以保證天線大角度掃描時不出現柵瓣。

通過HFSS 仿真，圖8 給出了天線陣列在方位角0°和90°剖面的掃描方向圖曲線仿真結果。由掃描曲線可見，天線陣列在兩個正交剖面均能掃描至±60°，且在±60°掃描范圍內，天線增益波動小于3dB。圖9 給出了天線陣列在兩個剖面上的掃描軸比曲線，由仿真曲線可知，在波束掃描過程中，隨著掃描角的增大，天線圓極化性能略有下降，但掃描范圍內的軸比值均小于2.8dB。

圖7 8×8 天線陣列結構

圖8 8×8 陣列掃描方向圖

對比圖8 和圖9 中的仿真曲線，方位角0°和90°兩個剖面內的掃描方向圖和掃描軸比曲線高度一致，證明了陣列天線具有非常理想的旋轉對稱性。此外，圖10 還給出了該陣列天線的單元間互耦表現，相比傳統微帶貼片天線陣列，S21 下降約1.2dB，S31 下降約1.5dB，天線互耦性能有所降低。

圖9 8×8 陣列掃描軸比曲線圖

圖10 8×8 陣列單元互耦曲線圖

通過上述分析可以總結出以下結論：對于傳統的圓極化陣列天線，可在天線單元周圍加載本文提出的輔助輻射環結構，再通過順序旋轉布陣技術得到最優化的子陣（子陣單元數量可根據陣列排布需求進行調整，例如三單元三角排布，或四單元矩形排布等）來達到拓展波束寬度和降低互耦的目的，最終獲得理想的寬角掃描和軸比特性。

3 結語

本文以傳統圓極化陣列天線為例，圍繞提高天線寬角掃描特性的具體方法進行了分析和研究。提出一種輔助輻射環結構，將該結構加載到微帶貼片周圍得到的天線單元，其波束寬度有所增加，同時圓極化特性未受影響。以此單元為基礎形成2×2子陣，通過優化仿真確定了性能最佳的子陣排布方式。再將該子陣擴展得到8×8 矩形陣列，通過全陣仿真驗證了8×8 陣列天線在大角度掃描情況下具有理想的寬角掃描特性和圓極化性能，天線在工作頻段內可實現方位角360°、俯仰角±60°掃描，掃描范圍內天線增益波動小于3dB，軸比小于2.8dB。最后，總結出了提高圓極化微帶陣列天線寬角掃描特性的一般方法，該方法對設計寬角掃描圓極化相控陣天線具有指導意義。