穆志豪，楊華軍，江　萍

(電子科技大學(xué)　物理電子學(xué)院，成都　610054)

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利用新型EBG結(jié)構(gòu)消除相控陣天線掃描盲點(diǎn)

穆志豪，楊華軍，江萍

(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，成都610054)

在印刷天線中，已經(jīng)證明了高阻表面基板可以有效地減少表面波激勵。該文研究了利用高阻表面基板的微帶相控陣天線的性能。研究結(jié)果表明，利用高阻表面基板可以消除相控陣天線掃描盲點(diǎn)。提出了一種新穎且有效的高阻表面結(jié)構(gòu)，并在高介電常數(shù)的基板上基于該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真了由同軸線饋電6×6的微帶相控陣天線。仿真結(jié)果表明，提出的高阻表面結(jié)構(gòu)可以有效地改善微帶相控陣天線的性能。

微波光子晶體；高阻表面；表面波；掃描盲點(diǎn)；微帶相控陣天線

由于表面波使相控陣天線單元之間發(fā)生相互作用，從而降低了天線的性能。顯然，這種相互作用就是互耦現(xiàn)象。它通過改變天線饋電上的電流強(qiáng)度、相位及分布，導(dǎo)致天線的輸入阻抗發(fā)生變化，特別是在相控陣天線掃描時耦合的影響更加嚴(yán)重，它會影響相控陣的掃描范圍，以及產(chǎn)生極端的情況——掃描盲點(diǎn)[1-4]。目前消除盲點(diǎn)方法有多天線子陣技術(shù)[5]、缺陷地技術(shù)[6]以及特異材料技術(shù)[7]。已上方法都存在各身的缺點(diǎn)：多天線子陣技術(shù)會帶來較大的柵瓣及在低介電常數(shù)的基板上占據(jù)的面積較大；缺陷地技術(shù)會導(dǎo)致較強(qiáng)的后向輻射；特異材料技術(shù)的機(jī)械穩(wěn)定性較差而且設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。基于印刷天線技術(shù)的相控陣天線存在矛盾的兩個方面：一方面，低介電常數(shù)介質(zhì)基板可以獲得較好的方向性；另一方面，高介電常數(shù)的介質(zhì)基板可使得相控陣天線更加緊湊，減小了天線的尺寸。通過在高介電常數(shù)的基板上設(shè)計(jì)周期性輻射單元，產(chǎn)生光子晶體帶隙，利用該帶隙在相控陣天線操作范圍內(nèi)抑制表面波激勵是一個比較好的方法。本文用到的electromagneticband-gap(EBG)技術(shù)[8-10]中的EBG結(jié)構(gòu)具有光子帶隙，能夠較好地抑制微帶相控陣天線輻射時，在介質(zhì)基板上傳播的表面波，從而清除掃描盲點(diǎn)，效果非常顯著。

1　EBG結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

EBG結(jié)構(gòu)的周期可以通過增加EBG單元之間的電容或者電導(dǎo)減小。不幸的是，增加單元結(jié)構(gòu)加載的電容或者電導(dǎo)會減少EBG結(jié)構(gòu)的帶寬。單元結(jié)構(gòu)加載的電導(dǎo)和介質(zhì)基板的厚度成正比。但是較厚的介質(zhì)基板又會影響帶寬。由于相控陣天線單元之間的間距限制，EBG結(jié)構(gòu)要求小型化，而傳統(tǒng)的EBG結(jié)構(gòu)是通過增加EBG結(jié)構(gòu)單元之間的間距來增加電容的，這樣就出現(xiàn)了矛盾。為了解決這個矛盾，本文提出采用新型光子晶體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)增加EBG結(jié)構(gòu)單元之間加載的電容。本文設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)基本單元如圖1所示，兩個‘F’型結(jié)構(gòu)相向放置印刷在正方形的基板上，并且在其中一個F結(jié)構(gòu)上打孔。本文設(shè)計(jì)的高阻表面型光子晶體結(jié)構(gòu)的中心頻率位于5.25GHz。其他參數(shù)有：F結(jié)構(gòu)的長臂長度l1=1mm，短臂長度l2=0.5mm，a=2.9mm，w=0.9mm，g=0.1mm；EBG單元之間的距離c=0.1mm，開孔的半徑r=0.3mm，開孔圓心的位置離正方形其中一邊的距離d=0.5mm，基板的厚度h=2.54mm，以及基板材料的介電常數(shù)εr=10.2。EBG結(jié)構(gòu)的晶格結(jié)構(gòu)采用正方形晶格結(jié)構(gòu)。EBG的帶隙結(jié)構(gòu)仿真利用的是基于有限元算法的電磁仿真軟件AnsoftHFSS。圖1(b)給出了EBG結(jié)構(gòu)的k-β色散圖，可以看出第一個模式TM0和第二模式TE1之間在4.80～5.85GHz存在一個表面波帶隙。禁帶是EBG結(jié)構(gòu)所特有的性質(zhì)，正常的介質(zhì)結(jié)構(gòu)并不存在這樣的禁帶。

(a) EBG結(jié)構(gòu)基本單元

(b) EBG結(jié)構(gòu)的k-β色散圖　圖1　EBG結(jié)構(gòu)

2　基于EBG結(jié)構(gòu)的相控陣天線的設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

(a)不存在EBG結(jié)構(gòu)

(b)仿真結(jié)果　圖2　相控陣天線單元S11參數(shù)

相控陣天線周期單元的基本幾何結(jié)構(gòu)采用矩形微帶天線結(jié)構(gòu)[11-12]，如圖2所示。圖2(a)為不存在EBG單元結(jié)構(gòu)的相控陣天線單元。為了確保天線單元和EBG結(jié)構(gòu)之間具有較弱的耦合，兩者之間要存在足夠大的間距。為了限制相控陣天線的柵瓣，相控陣天線單元之間的間距要小于天線中心工作波長的一半。在設(shè)計(jì)EBG相控陣時，應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)天線單元的結(jié)構(gòu)以及EBG結(jié)構(gòu)，以便于把EBG結(jié)構(gòu)和天線單元合適地放在同一個陣列單元內(nèi)。本文采用50Ω同軸線饋電，饋電點(diǎn)的位置為Xp。利用微帶天線設(shè)計(jì)的基本公式求出初始的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后基于上面的分析利用仿真軟件反復(fù)優(yōu)化設(shè)計(jì)相控天線的基本單元結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后得到的天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為：a1=b=27mm，L=7.5mm，W=8.9mm，Xp=1.3mm。相控陣天線單元結(jié)構(gòu)參數(shù)得到以后將其與EBG結(jié)構(gòu)整合到一個結(jié)構(gòu)中并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖2(b)所示。由圖2(b)中的S11參數(shù)可以知道天線的諧振頻率發(fā)生了移動，這是因?yàn)樵趚，y方向上都存在EBG結(jié)構(gòu)，EBG結(jié)構(gòu)和天線單元發(fā)生了耦合，為了保持天線單元的諧振頻率仍然在5.25GHz上。利用軟件對天線單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：a1=b=27mm，L=7.5mm，W=8.9mm，Xp=1.2mm。

為了證實(shí)本文設(shè)計(jì)的EBG結(jié)構(gòu)對消除相控陣天線掃描盲點(diǎn)的有效性，利用軟件對有源相控陣天線單元的輻射模式進(jìn)行了仿真。文獻(xiàn)[8]中提到，全激勵狀態(tài)下陣列的增益與有源單元輻射模式在給定掃描角上成正比。圖3為有或無EBG結(jié)構(gòu)時，最靠近中心單元有源E面和H面輻射模式仿真結(jié)果，本文選擇的是6×6的相控陣天線。從圖3中可以看到，在±62°時存在掃描盲點(diǎn)。掃描盲點(diǎn)現(xiàn)象的出現(xiàn)已經(jīng)得到了廣泛的研究，其中被人們接受的觀點(diǎn)是文獻(xiàn)[1-2]提出的由于表面波的相位和弗洛奎(Floquet)模式的相位相匹配造成強(qiáng)迫的諧振。EBG結(jié)構(gòu)正好能破壞這種諧振，從而消除相控陣天線的掃描盲點(diǎn)。圖3(a)中實(shí)線代表存在EBG結(jié)構(gòu)時的結(jié)果，可以看出相控陣天線的掃描盲點(diǎn)被消除了。H面有源單元模式如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看出，兩種情況下的模式幾乎沒有差異，事實(shí)上，這是因?yàn)樵贖面上幾乎沒有表面波被激勵。為了從另一方面評估存在EBG結(jié)構(gòu)時對相控陣天線的影響，利用HFSS對天線的增益進(jìn)行了仿真。從圖4中可以看到存在EBG結(jié)構(gòu)時相控陣天線的增益有所增加。當(dāng)掃描角掃描到θ=62°時，可以看到存在EBG結(jié)構(gòu)比不存在EBG結(jié)構(gòu)增益提高了1dB左右。綜上研究結(jié)果知道，EBG結(jié)構(gòu)的存在改善了相控陣的掃描特性。

(a)中心單元有源E面

(b)H面輻射模式圖3　仿真結(jié)果

(a) 不存在EBG結(jié)構(gòu)時

(b) 存在EBG結(jié)構(gòu)時圖4　全激勵狀態(tài)下相控陣天E面增益(從正方向各曲線分別對應(yīng)θ=0°，10°，30°，50°，62°，70°)

4　結(jié)束語

本文研究了應(yīng)用新型EBG結(jié)構(gòu)來改善微帶相控陣天線的掃描性能，對一個6×6的微帶相控陣天線進(jìn)行了仿真。由仿真結(jié)果可以看到，掃描盲點(diǎn)出現(xiàn)在±62°，將新型的EBG結(jié)構(gòu)用于相控陣中，EBG結(jié)構(gòu)的存在消除了相控陣天線的掃描盲點(diǎn)，提高了相控陣天線的增益，改善了相控陣天線的掃描特性。相控陣天線在應(yīng)用上的優(yōu)勢，使其得到了廣泛的關(guān)注。為了進(jìn)一步增加相控陣的掃描角范圍，從而改善相控陣天線的掃描特性，仍需要更加深入的研究。本文設(shè)計(jì)的新型EBG結(jié)構(gòu)是切實(shí)有效的，可以為以后微波光子晶體在相控陣天線中的應(yīng)用方面的研究提供參考。

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Elimination of Scan Blindness in Phased Array Using a New Kind of EBG Structure

MU Zhihao，YANG Huajun，JIANG Ping

(SchoolofPhysicalElectronics，UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu610054，China)

High-impedancesurfaceofmicrowavephotoniccrystalssubstratehasbeenproventobeaneffectivewaytoreducethesurfacewaveexcitation.Thispaperinvestigatestheperformanceofamicrostripantennaphasedarraywithhigh-impedancesurfacesubstrate.Theresultsshowthattheuseofhigh-impedancesurfacesubstratecaneliminatethescanblindnessinaphasedarray.Thispaperpresentsanovelandefficientstructureofhigh-impedancesurface.Amicrostripantennaphasedarrayfedbycoaxiallineof6×6elementsonahighdielectricconstantsubstratewasdesignedandsimulated.Thesimulationresultsshowthathigh-impedancesurfacestructureproposedinthispapercaneffectivelyimprovetheperformanceofthemicrostripantennaphasedarray.

microwavephotoniccrystals；high-impedancesurface；surfacewave；scanblindness；microstripantennaphasedarray

2014-06-29；修改日期: 2014-08-19

國防預(yù)研基金。

穆志豪(1989-)，男，碩士，主要從事光通信技術(shù)方面的研究。

O341;G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.015