基于電調超表面及柱面反射面的相控陣天線設計

曹元熙，李建星，閆 森

(西安交通大學 信息與通信工程學院，陜西 西安 710049)

0 引言

相控陣天線靈活的波束賦形及波束掃描使其在現代微波及毫米波通信系統中扮演著重要的角色[1]。常見的相控陣天線主要是由天線的輻射體陣面及天線單元后端的大量TR組件組成，這些TR組件主要用來對天線單元的激勵幅度及相位進行調整，從而改變天線的波束指向[2]。但大量的TR組件也意味著極高的成本，使得這種體制的相控陣天線無法在民用設備上大量使用[3-4]。

為了低成本地實現與相控陣天線相似的功能，國內外的學者們針對具有無源波束掃描能力的天線形式進行了大量的研究，提出了可重構的透射陣[5-6]、反射陣天線[7]、多波束天線[8-9]以及頻掃漏波天線[10-11]等。其中可重構的透射及反射陣基本可以實現與相控陣天線相同的功能，但該類天線需要一個額外的產生平面波激勵信號的饋源，從而很難與一些需要一體化設計的需求相結合[12]。多波束天線則是使用多波束饋電網絡激勵共享口徑的天線輻射體產生多個波束指向的一種天線形式[13]，但該類天線無法實現連續的波束掃描，需要對天線的波束數、交疊電平等性能進行權衡設計[14]。頻掃漏波天線則是通過利用周期結構在不同工作頻率下不同的相位變化，通過改變天線的激勵信號頻率實現波束掃描的一種方法[15]，但頻掃的工作特性也決定這種天線形式很難與通信設備相結合[16]。

為了在有限的空間中實現固定工作頻率上的波束掃描，需要將可重構超表面、移相器及天線進行聯合設計。文獻[17]提出了一種2 bit的相控陣天線，該設計通過激勵天線的不同的饋電點實現了180°的相位變化，通過加載額外的90°移相器使得天線可以實現2 bit的相位變化，從而實現了一定的波束指向。文獻[18]中，1 bit可重構超表面加載在并饋的間隙波導天線上，實現了靈活的二維波束掃描。該類設計可以給天線帶來低成本的波束賦形能力，但天線能實現的波束狀態數還是有限的。

因此，提出了一種基于可重構超表面的波束連續可調的天線形式。超表面上加載了變容二極管，通過改變二極管的電容值，可以實現連續的相位變化。該天線采用雙層拋物線反射面饋電網絡激勵，使用波導縫隙天線作為輻射體，拋物線反射面饋電網絡位于輻射體下層，進一步減小了天線尺寸。天線的輻射體及饋電網絡均為純金屬結構，避免了介質損耗，因而提升了天線的效率。該天線形式可根據不同的增益要求進行周期性拓展，適用性強，具有低成本、高效率波束掃描特性，非常適合應用于低成本的雷達及通信系統。

1 天線設計

提出的天線結構如圖1和圖2所示，通過拋物線反射面將饋源入射的柱面波轉化為平面波后，傳輸給上層的波導縫隙天線，通過天線陣前插入的電調超表面進行改變每條波導縫隙天線單元的激勵相位，從而改變天線的波束指向。天線中的饋源、拋物線反射面以及波導縫隙天線均為空氣填充的純金屬導波結構，電調超表面采用2層厚度0.762 mm，介電常數3.0，損耗正切0.001 1的電路板設計。

圖1 天線整體結構示意

圖2 天線結構爆炸圖

1.1 電調超表面設計

為了實現陣列天線波束指向的連續可調，陣列中每個單元的相位需進行獨立的連續控制。該功能在本文中是通過在每條波導縫隙天線前加載電調的超表面實現的，具體加載方式如圖3所示。

圖3 波導中加載電調超表面的結構示意

該超表面由雙層微帶電路板實現，2張電路板的地背靠背拼在一起，兩面微帶電路分別指向波導的輸入輸出端口。該超表面通過波導中的微帶貼片接收波導中的輸入信號后，使用變容二極管加載的3 dB電橋改變傳輸相位，再通過金屬通孔將電流傳遞到背側的微帶電路進行再移相，最后通過背側的微帶貼片將場傳輸給輸出端口。該超表面的平面示意圖及幾何關系如圖4所示，2個變容二極管加載在電橋的2個端口上，隨后通過接地過孔短路。

圖4 電調超表面的幾何關系及尺寸標注

該超表面的直流偏置電路連接在電路板正面的微帶線上，通過高阻的微帶線及分布式電容形成具有低通濾波特性偏置電路，通過在偏執電路末端加載15 kΩ的集總電阻來限制通過二極管的最大電流，在實際使用時將偏置線與穩壓源正極相接，通過電路板左側的接地過孔實現超表面單元與電源的共地，便可通過改變電壓源的輸出電壓實現超表面透射相位的改變。該超材料設計時的具體尺寸如表1所示。

表1 天線尺寸參數

該超表面的相移特性是通過短路傳輸線的全反射特性來實現的，傳輸線的反射特性為：

(1)

式中，ZC為傳輸線的特性阻抗；ZL為負載阻抗，當傳輸線末端短路時，ZL為0，從而產生了全反射，當反射電流流經二極管時，根據二極管電容值的不同，會產生不同的相位變化，從而可以改變短路線的反射相位。當這種變容二極管加載的短路枝節加載到電橋中時，可以使電橋產生如圖5所示的電流分布，1端口輸入的電流將在2，3端口全反射，并在1端口反向疊加，在4端口同向疊加并攜帶了額外的相位變化，從而實現了所需的移相效果。

圖5 超表面中使用的電橋中的電流分布

該超表面在波導的移相范圍如圖6所示，插損及駐波如圖7和圖8所示，仿真中選取的二極管為MACOM MA46H120，該二極管的寄生電阻為2 Ω，電容值變化范圍為0.15～1.1 pF，仿真結果說明該超表面可以在8 GHz實現360°的相位變化，以及最大-2.4 dB的插入損耗。該損耗產生的原因包括多個因素：① 電路板層間互聯帶來的插損；② 二極管寄生電阻；③ 金屬波導與微帶電路轉接時的損耗。但這種空氣波導中加載超表面移相單元的主要優勢在于可使用三維的空間進行結構排布，解決了平面移相電路排布困難的問題，同時純金屬的導波結構也能夠進一步地降低天線中的介質損耗。

圖6 超表面在不同電容值下的相位變化

圖7 超表面在不同電容值下的插入損耗

圖8 超表面在不同電容值下的回波損耗

1.2 天線饋電網絡設計

該天線采用的饋電網絡為雙層拋物線反射面，天線饋源為標準的BJ84波導，饋源中產生的柱面波在通過拋物線反射面反射后將轉化為平面波激勵波導縫隙天線陣。相較于傳統的拋物線反射面，該雙層設計避免了饋源對于反射波的遮擋，從而進一步地提升了天線的效率。饋源激勵時，饋電網絡上層及下層中的電場分布如圖9所示，仿真結果證實了該設計可以在有限的空間中實現良好的柱面波到平面波的轉換效果。反射面上層及下層中波導高度均為16 mm，這些高度在設計時應小于二分之一波長，以保證平板波導中TEM波的單模傳輸。此外，由于饋源波導的TE10模式的幅度為錐削分布，該饋源產生的激勵場在經過反射面反射后形成的平面波仍保持著中心向兩側逐漸衰減，該分布在激勵天線輻射體時將有利于天線的副瓣抑制。

(a) 反射面下層場分布

1.3 波導縫隙天線設計

天線中使用的輻射體為波導縫隙天線，共使用了9條縫隙陣單元，其中每條單元中包含4條縫隙。為了實現最高的口面效率，每條輻射縫隙距離中心線的偏移量均相等，為等幅激勵。縫隙天線單元的幾何關系及尺寸標注如圖10所示，其中天線的左右兩側壁厚為0.5 mm，上下壁厚為1 mm，其余尺寸如表1所示。

圖10 波導縫隙天線單元的幾何關系及尺寸標注

1.4 平板波導-并聯波導阻抗匹配結構設計

當波導縫隙天線與上層的拋物線反射面相連接時，反射面中的準TEM波將與并聯波導中的TE10波產生阻抗及模式的失配，為了減小該現象帶來的強反射與額外插耗，天線設計中每條波導縫隙天線前端都加載了一段阻抗匹配變化段，結構如圖11所示。

圖11 平板波導-并聯波導轉接結構及尺寸標注

該結構通過改變部分波導的高度WG_TH1和WG_TH2以及變換段長度WG_TL1和WG_TL2，實現了二階的特性阻抗變化。該結構加載前后，天線饋電網絡的插損及駐波如圖12所示。

圖12 加載阻抗變化段前后饋電網絡的插損及駐波

饋電網絡包含從饋源到輻射體陣列輸入端的全部路徑，仿真結果表明該方式可以實現良好的阻抗匹配效果，加載后該饋電網絡在7.2～8.4 GHz內實現-15 dB的回波損耗以及最大0.7 dB的插入損耗，相較于加載前有提升明顯。

2 天線仿真結果

為了證實天線的性能，使用全波仿真軟件對模型進行了驗證，仿真模型中所有金屬導波、輻射結構的材料均設置為鋁。該天線在不同波束指向下的回波損耗如圖13所示，天線可以在7.95～8.05 GHz內實現良好的阻抗匹配，由于天線結構的對稱性，在相位梯度大小相同、正負相反時產駐波結果相同，該仿真結果進一步驗證了1.3節中設計的阻抗匹配段的性能。該天線的工作帶寬主要受限制于兩部分：超材料結構中接收、發射貼片的工作帶寬以及輻射體陣列的工作帶寬。天線在不同掃描角度下的方向圖如圖14所示。

圖13 天線在不同波束指向下的反射系數

圖14 天線在不同相位梯度下的方向圖

不同掃描角下的輻射特性總結在表2中，該天線可以在±30°內實現連續的波束掃描，掃描時最大的副瓣電平值為-13.0 dB，增益變化為-2.0 dB，天線側射波束的增益為20.9 dB，天線在不同波束指向下的輻射效率約為60%，仿真結果證明該天線可以實現良好的波束掃描能力以及較低的副瓣電平值。

表2 天線在不同波束指向下的輻射特性

在該天線仿真結果中可以發現，隨著波束掃描范圍的增加，柵瓣將出現，同時降低了主瓣的增益。因此，該天線的波束掃描范圍主要受限于輻射體陣列的間距，由于天線輻射體采用空氣填充的金屬波導，這些金屬波導的寬度需要大于半個波長來保證其能在波導的截止頻率以上工作，這樣的寬度限制增大了天線的輻射體單元間距，導致大角度掃描時的柵瓣出現，限制了天線的波束掃描范圍。在天線仿真結果中，當波束指向30°時，柵瓣與主瓣的增益差為6.5 dB，隨著掃描角度的進一步增大，柵瓣將增大，同時主瓣將減小。

3 結束語

本文提出了一種新型低成本相控陣天線形式。該天線使用準光學的拋物線反射面作為饋電網絡激勵輻射體陣列，通過在陣列中加載電調的超材料進行連續的360°相位的調制，從而實現了連續的波束掃描。該天線設計的主要優勢在于全金屬的導波結構相較于基于PCB設計的功分器可以避免電磁場傳輸時的介質損耗，同時該饋電網絡也可以更加便捷地與具有高輻射效率的波導縫隙天線相結合，當天線需要周期性地拓展天線輻射體陣列規模時，相較于功分網絡的設計，拓展難度更低，并且不存在多級功分級聯的損耗。同時，饋源TE10模式自身產生的錐削式幅度分布會使天線輻射體陣列產生低旁瓣的方向圖，該旁瓣抑制方法相較于基于不等分功分器的設計，損耗更低、拓展更簡單。該天線低成本的連續波束掃描能力、低副瓣的方向圖、緊湊的天線尺寸及便捷的拓展性使其非常適合應用在低成本的通信及雷達設備中。