黃榮港，曹文權(quán)，馬文宇，石樹杰

（陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210001）

0 引言

隨著無線系統(tǒng)的快速發(fā)展，各應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)波束掃描天線的需求越來越大。頻率掃描天線由于能夠?qū)崿F(xiàn)天線波瓣指向的快速變化，構(gòu)成多波束的功能，在雷達(dá)系統(tǒng)中被得以大面積應(yīng)用。與相控陣天線相比，此天線具有結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、小型化、易集成化等優(yōu)勢(shì)。

研究高性能頻率掃描天線的主要目的是實(shí)現(xiàn)其寬掃描范圍、寬帶寬、高增益和結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。為了增加波束掃描范圍，引入強(qiáng)相移特性的傳輸線是一種有效的方法。彎折線是其中一種典型的簡(jiǎn)單傳輸線[1-2]。通過調(diào)整折線的長(zhǎng)度，能夠?qū)崿F(xiàn)相移增強(qiáng)，因此波束掃描范圍會(huì)增大。為了模擬微波和太赫茲波段的SPP，專家們提出了一種周期性的亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，稱為準(zhǔn)SPP 結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)從后向到前向的寬波束掃描。因此，準(zhǔn)SPP 慢波傳輸線近年來受到了越來越多的關(guān)注[3-6]。然而，由于傳輸損耗的增加，基于彎折線形或準(zhǔn)SPP 傳輸線結(jié)構(gòu)的天線增益值通常受到限制。

學(xué)者們嘗試了各種方法來提高頻率掃描天線的增益，如通過增加天線單元的數(shù)量來提高增益[7]，但天線尺寸會(huì)明顯提高，不利于天線的小型化。此外，當(dāng)單元數(shù)量足夠大時(shí)，增益的增加是有限的。加載部分反射表面（Partially Reflective Surfaces，PRSs）是另一種增強(qiáng)增益的選擇，但要以增加結(jié)構(gòu)復(fù)雜性為代價(jià)[8-9]。同時(shí)，其他具有漏波特性的典型頻率掃描天線也受到了關(guān)注[10-12]。在漏波天線和SIW 結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)特定形狀的輻射縫隙，可以增加增益[13-15]。其中，文獻(xiàn)[14]采用周期性蝶形結(jié)構(gòu)，在有效減小側(cè)瓣的同時(shí)，提高了低掃描角度的增益值。文獻(xiàn)[15]中的“工”字型縫隙在減小尺寸的同時(shí)，將增益提高到了14.6 dBi。然而，這些設(shè)計(jì)的增益平坦度還不夠好。

實(shí)際上，調(diào)整單元結(jié)構(gòu)不僅可以提高增益，還可以提高增益平整度。文獻(xiàn)[16]設(shè)計(jì)了一款寬帶低交叉極化的天線，其阻抗帶寬能達(dá)到51%（9.00～15.17 GHz）。天線采用平面環(huán)狀縫隙結(jié)構(gòu)，并通過中間貼片與周圍地之間的短接線實(shí)現(xiàn)更好的匹配。除了具有較好的性能外，該天線結(jié)構(gòu)還具有高度的對(duì)稱性。因此，參考此天線單元進(jìn)行改進(jìn)并組陣，利用該結(jié)構(gòu)的寬阻抗帶寬和高增益特性設(shè)計(jì)頻率掃描天線。環(huán)狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)部貼片采用將矩形貼片切角的方式來代替圓形貼片，以此提高天線的增益平坦度。單元結(jié)構(gòu)具有較好的對(duì)稱性，在此基礎(chǔ)上將單元串聯(lián)組陣，實(shí)現(xiàn)頻率掃描特性。經(jīng)過分析，當(dāng)單元數(shù)量為16 時(shí)，陣列天線綜合性能最好。由于單元結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)的頻掃天線在緊湊的尺寸下有較高的增益和很寬的帶寬。

1 天線單元結(jié)構(gòu)與分析

天線的單元結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由一層介質(zhì)板和兩層印刷的金屬組成，并在上層金屬貼片上開環(huán)狀縫隙。單元采用SIW 結(jié)構(gòu)，在環(huán)狀縫隙周圍打了一圈金屬通孔，以增加天線的增益。連接貼片和地的短路探針能激勵(lì)起新的諧振模式，通過融合不同的諧振模式提高天線帶寬。微帶饋線的電磁輻射在高頻時(shí)對(duì)天線造成了很大損耗，而共面波導(dǎo)饋線的天線仍能保證較低的損耗。在環(huán)的中心處引入一個(gè)接地極，使圓形貼片的中心與地面相接短路，從而保證那里的電場(chǎng)值為零，以更好地激勵(lì)TM11模式。

圖1 天線單元結(jié)構(gòu)

在文獻(xiàn)[16]的設(shè)計(jì)中，環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)貼片和外環(huán)都是圓形的，因此環(huán)形槽的空間是有限的。為了進(jìn)一步提高增益平坦度，選用正方形切四角形成的八邊形貼片代替圓形貼片，這樣擴(kuò)大了貼片和扇形弧之間的空間。改進(jìn)的環(huán)形間隙結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了天線的增益平坦度。圖2 對(duì)比了兩種貼片形狀的增益曲線，可以發(fā)現(xiàn)八邊形貼片單元的1 dB 增益帶寬可以達(dá)到36.1%（12.5～18.0 GHz），而圓形貼片單元的1 dB 增益帶寬只能達(dá)到25%（14～18 GHz）。

圖2 兩種不同形狀貼片增益對(duì)比曲線

高增益是本設(shè)計(jì)所采用單元的主要優(yōu)點(diǎn)之一。圖3 展示了4 種經(jīng)過仿真和比較的頻率掃描天線單元。圖3（a）為本文提出的天線單元，圖3（b）為文獻(xiàn)[15]中漏波天線的“工”字形單元，圖3（c）為文獻(xiàn)[13-14]等多個(gè)漏波天線中使用的水平縫隙單元，圖3（d）為常見波導(dǎo)縫隙陣列天線的縱向縫隙單元。為了更好地對(duì)比增益，4 種類型的尺寸被調(diào)整為相同的大小。

圖3 4 種不同形狀縫隙的單元結(jié)構(gòu)

圖4 的曲線反映了增益與頻率的關(guān)系?？梢钥闯?，B 和D 單元的曲線分別在低頻和高頻出現(xiàn)增益下降，意味著B 型和D 型增益平坦度都不是理想的，增益帶寬都比較窄。A 單元的增益曲線與C 單元的增益曲線具有相似的增益平坦度，C 單元的1 dB 增益帶寬約為32.3%。然而，C 型的增益平均比所設(shè)計(jì)的增益少1.5 dB。顯然，所提出的天線單元具有最高的增益和最佳的增益平整度。

圖4 4 種不同單元增益曲線對(duì)比

內(nèi)八邊形貼片的截角直角邊長(zhǎng)度a1是影響天線的增益和增益平坦度主要因素。圖5 對(duì)比了不同截?cái)嚅L(zhǎng)度a1時(shí)的增益曲線?？梢钥闯觯ㄟ^調(diào)整截角的尺寸能夠優(yōu)化天線的增益平坦度。隨著截角直角邊長(zhǎng)度a1的增加，天線在高頻部分的增益提高，從而改善了整體的增益平坦度?？紤]到阻抗匹配，最終a1的值選為3 mm。

圖5 不同截?cái)嚅L(zhǎng)度a1 下的增益曲線對(duì)比

圖6 為所設(shè)計(jì)天線單元的仿真色散曲線。結(jié)果顯示，在12～18 GHz，色散曲線處于快波區(qū)。此時(shí)，天線單元以輻射模式工作，覆蓋了整個(gè)Ku 波段。因此，該單元在增益帶寬、阻抗帶寬和快波帶寬之間取得了很好的一致性。實(shí)際上，該單元結(jié)構(gòu)可以看作CRLH 傳輸線結(jié)構(gòu)。在頂層，兩個(gè)短路針將中心貼片和外地面連接，可視為右手電感，而貼片與地面之間的縫隙可看作左手電容，兩個(gè)金屬層之間形成右手電容，而左手電感是由中心的金屬探針產(chǎn)生的。CRLH 結(jié)構(gòu)保證了在形成陣列后能實(shí)現(xiàn)從后向到前向的波束轉(zhuǎn)向。

圖6 天線單元仿真色散曲線

在組陣前，對(duì)天線單元做進(jìn)一步優(yōu)化。表1 提供了改進(jìn)后的各個(gè)尺寸值。該天線單元結(jié)構(gòu)的突出優(yōu)勢(shì)是容易集成、體積不大、剖面不高等。圖7 描繪了天線單元在15 GHz 中心頻率處xoz 平面和yoz平面的輻射方向圖。它的仿真相對(duì)阻抗帶寬大于46%（11.7～18.6 GHz），最大增益為9.1 dBi，且天線在整個(gè)Ku 波段內(nèi)的交叉極化電平控制在-30 dB 以下，在xoz 面和yoz 面主輻射方向上都保持較低的交叉極化水平。

表1 環(huán)狀縫隙結(jié)構(gòu)單元尺寸

圖7 天線單元在15 GHz 時(shí)的仿真輻射方向圖

2 天線陣列的設(shè)計(jì)與分析

天線陣列采用共面波導(dǎo)（Coplanar Waveguide，CPW）的饋電方式以串聯(lián)形式對(duì)單元進(jìn)行饋電。CPW 饋電結(jié)構(gòu)易于與環(huán)形縫隙天線集成，且保證了陣列設(shè)計(jì)的寬帶寬和低損耗。圖8 展示了所提出的線性結(jié)構(gòu)陣列天線。通過HFSS 優(yōu)化后，選擇相鄰元素間距d為14 mm（0.7λ0）。在此尺寸下，可以在不影響天線性能的前提下將旁瓣電平降至最低。

全天線主要由3 個(gè)部分組成。第1 部分通過引入線性漸變結(jié)構(gòu)作為過渡，從而在輸入基片集成波導(dǎo)和微帶線之間實(shí)現(xiàn)更好的匹配。第2 部分為主要輻射區(qū)域。這個(gè)區(qū)域內(nèi)，信號(hào)能量將沿著天線單元依次輻射。因?yàn)樘炀€單元有良好的對(duì)稱性，饋線可以直接串行連接。相鄰單元之間的饋線部分設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。第3 部分，通過在天線陣列末端直接使用開路端口來實(shí)現(xiàn)匹配。當(dāng)單元數(shù)量足夠大時(shí)，大部分能量在第2 部分已經(jīng)輻射完畢，因此不需要添加匹配的負(fù)載來吸收陣列末尾的多余能量。

圖8 陣列天線結(jié)構(gòu)

在采用直線陣結(jié)構(gòu)前，也嘗試用彎折線饋電方式（見第3 章）對(duì)設(shè)計(jì)的單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行組陣以拓寬頻率掃描天線的掃描范圍。由于此單元結(jié)構(gòu)具有極強(qiáng)的對(duì)稱性，可采用圖9 的兩種方式進(jìn)行饋電，但兩種方式饋電得到的天線副瓣電平都很高。相較于第3章中的天線和傳統(tǒng)采用彎折線結(jié)構(gòu)的漏波天線，本章采用的單元平面結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，輻射部分以外的空間很小。加上彎折線結(jié)構(gòu)使得相鄰單元之間的距離過大，大于旁瓣電平最低時(shí)，單元間的最佳距離。此外，彎折線結(jié)構(gòu)增加了介質(zhì)損耗，不利于能量的有些輻射。因此，本章天線在陣列設(shè)計(jì)時(shí)舍棄了彎折線方式而采用更簡(jiǎn)單的直線串饋，保證了較低的副瓣電平和較高的增益。

圖9 兩種彎折結(jié)構(gòu)陣列天線結(jié)構(gòu)

增加單元數(shù)量能夠改進(jìn)天線的增益特性，但是當(dāng)數(shù)量達(dá)到一定值時(shí)，增益增加不明顯，而天線總體尺寸卻大大增加。本設(shè)計(jì)中，分別對(duì)4、8、16、24、32 元的陣列進(jìn)行仿真，以探討單元數(shù)量對(duì)增益的影響。圖10 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)，展示了單元數(shù)是如何影響天線最大增益的。結(jié)果表明：當(dāng)單元數(shù)量小于16時(shí)，增益隨著單元數(shù)量的增加而增加；當(dāng)數(shù)量大于16 時(shí)，增益隨數(shù)量的變化不明顯。

圖10 天線峰值增益隨單元數(shù)量變化曲線

圖11 對(duì)比了16、24 和32 元陣列的模擬電場(chǎng)分布?？梢钥闯觯?6 個(gè)單元后的單元輻射能量非常小，驗(yàn)證了上面的結(jié)論。隨著數(shù)量的增加，天線的尺寸會(huì)增大，不利于天線的小型化，因此16個(gè)單元陣列是最優(yōu)選擇。圖12 分別給出了頻率為13 GHz、15 GHz、17 GHz 條件下的16 單元陣列天線的三維輻射仿真方向圖。通過觀察可知，天線旁瓣抑制比較好。

圖11 單元數(shù)量分別為16、24、32 時(shí)天線的電場(chǎng)分布

圖12 陣列天線的仿真3D 輻射方向圖

3 天線實(shí)測(cè)與討論

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，對(duì)所設(shè)計(jì)的天線制作了實(shí)物并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。圖13 為天線的實(shí)物圖，陣列3 個(gè)角上的孔是為了便于加工。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，這些孔不會(huì)影響天線的性能。天線的整體尺寸為236.5 mm×20 mm（11.8λ0×1λ0）。

圖13 天線加工實(shí)物

圖14 為天線仿真和實(shí)測(cè)S參數(shù)的對(duì)比曲線。仿真的-10 dB阻抗帶寬為11.5～18.1 GHz（44.6%），而實(shí)測(cè)的S11參數(shù)在13.1～14.9 GHz 波段和16.5～17.2 GHz 波段之間有一些波動(dòng)，可能是由焊接誤差和接頭匹配誤差引起的。然而，實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線總體趨勢(shì)是一致的，實(shí)測(cè)的-8 dB 阻抗帶寬為11.2～18.9 GHz（51.2%）。

圖14 陣列天線仿真與實(shí)測(cè)S 參數(shù)對(duì)比

圖15 為在不同頻點(diǎn)下xoz 平面上的輻射方向圖。天線能實(shí)現(xiàn)從-24°～+27°范圍內(nèi)的掃描，且實(shí)測(cè)曲線與仿真曲線吻合較好。與模擬的14.0～19.4 dBi 的最大增益相比，實(shí)測(cè)的最大增益為14.0～19.1 dBi。受加工和測(cè)量條件限制，可見結(jié)果在誤差允許范圍內(nèi)。

圖15 頻率掃描天線仿真（虛線）與實(shí)測(cè)（實(shí)線）增益曲線

本文所設(shè)計(jì)的頻率掃描天線可以在不犧牲電尺寸和掃描范圍的前提下獲得更高的輻射增益。此外，該天線的阻抗帶寬較其他天線更寬，可以覆蓋整個(gè)Ku 波段。所有這些優(yōu)勢(shì)都得益于對(duì)高增益寬帶單元天線的改進(jìn)利用。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種高增益的寬帶頻率掃描天線陣列。該陣列單元采用一種改進(jìn)的寬帶低交叉極化平面環(huán)形縫隙單元，給出了天線設(shè)計(jì)的理論分析和參數(shù)討論。陣列呈直線排列，結(jié)構(gòu)緊湊。此外，給出了反射系數(shù)、增益和方向圖等仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果。結(jié)果顯示，在12～18 GHz 的工作頻段，測(cè)量增益為14.7～19.1 dBi，掃描范圍為-24°～+27°。