基于电调超表面及柱面反射面的相控阵天线设计

曹元熙，李建星，闫 森

(西安交通大学 信息与通信工程学院，陕西 西安 710049)

0 引言

相控阵天线灵活的波束赋形及波束扫描使其在现代微波及毫米波通信系统中扮演着重要的角色[1]。常见的相控阵天线主要是由天线的辐射体阵面及天线单元后端的大量TR组件组成，这些TR组件主要用来对天线单元的激励幅度及相位进行调整，从而改变天线的波束指向[2]。但大量的TR组件也意味着极高的成本，使得这种体制的相控阵天线无法在民用设备上大量使用[3-4]。

为了低成本地实现与相控阵天线相似的功能，国内外的学者们针对具有无源波束扫描能力的天线形式进行了大量的研究，提出了可重构的透射阵[5-6]、反射阵天线[7]、多波束天线[8-9]以及频扫漏波天线[10-11]等。其中可重构的透射及反射阵基本可以实现与相控阵天线相同的功能，但该类天线需要一个额外的产生平面波激励信号的馈源，从而很难与一些需要一体化设计的需求相结合[12]。多波束天线则是使用多波束馈电网络激励共享口径的天线辐射体产生多个波束指向的一种天线形式[13]，但该类天线无法实现连续的波束扫描，需要对天线的波束数、交叠电平等性能进行权衡设计[14]。频扫漏波天线则是通过利用周期结构在不同工作频率下不同的相位变化，通过改变天线的激励信号频率实现波束扫描的一种方法[15]，但频扫的工作特性也决定这种天线形式很难与通信设备相结合[16]。

为了在有限的空间中实现固定工作频率上的波束扫描，需要将可重构超表面、移相器及天线进行联合设计。文献[17]提出了一种2 bit的相控阵天线，该设计通过激励天线的不同的馈电点实现了180°的相位变化，通过加载额外的90°移相器使得天线可以实现2 bit的相位变化，从而实现了一定的波束指向。文献[18]中，1 bit可重构超表面加载在并馈的间隙波导天线上，实现了灵活的二维波束扫描。该类设计可以给天线带来低成本的波束赋形能力，但天线能实现的波束状态数还是有限的。

因此，提出了一种基于可重构超表面的波束连续可调的天线形式。超表面上加载了变容二极管，通过改变二极管的电容值，可以实现连续的相位变化。该天线采用双层抛物线反射面馈电网络激励，使用波导缝隙天线作为辐射体，抛物线反射面馈电网络位于辐射体下层，进一步减小了天线尺寸。天线的辐射体及馈电网络均为纯金属结构，避免了介质损耗，因而提升了天线的效率。该天线形式可根据不同的增益要求进行周期性拓展，适用性强，具有低成本、高效率波束扫描特性，非常适合应用于低成本的雷达及通信系统。

1 天线设计

提出的天线结构如图1和图2所示，通过抛物线反射面将馈源入射的柱面波转化为平面波后，传输给上层的波导缝隙天线，通过天线阵前插入的电调超表面进行改变每条波导缝隙天线单元的激励相位，从而改变天线的波束指向。天线中的馈源、抛物线反射面以及波导缝隙天线均为空气填充的纯金属导波结构，电调超表面采用2层厚度0.762 mm，介电常数3.0，损耗正切0.001 1的电路板设计。

图1 天线整体结构示意

图2 天线结构爆炸图

1.1 电调超表面设计

为了实现阵列天线波束指向的连续可调，阵列中每个单元的相位需进行独立的连续控制。该功能在本文中是通过在每条波导缝隙天线前加载电调的超表面实现的，具体加载方式如图3所示。

图3 波导中加载电调超表面的结构示意

该超表面由双层微带电路板实现，2张电路板的地背靠背拼在一起，两面微带电路分别指向波导的输入输出端口。该超表面通过波导中的微带贴片接收波导中的输入信号后，使用变容二极管加载的3 dB电桥改变传输相位，再通过金属通孔将电流传递到背侧的微带电路进行再移相，最后通过背侧的微带贴片将场传输给输出端口。该超表面的平面示意图及几何关系如图4所示，2个变容二极管加载在电桥的2个端口上，随后通过接地过孔短路。

图4 电调超表面的几何关系及尺寸标注

该超表面的直流偏置电路连接在电路板正面的微带线上，通过高阻的微带线及分布式电容形成具有低通滤波特性偏置电路，通过在偏执电路末端加载15 kΩ的集总电阻来限制通过二极管的最大电流，在实际使用时将偏置线与稳压源正极相接，通过电路板左侧的接地过孔实现超表面单元与电源的共地，便可通过改变电压源的输出电压实现超表面透射相位的改变。该超材料设计时的具体尺寸如表1所示。

表1 天线尺寸参数

该超表面的相移特性是通过短路传输线的全反射特性来实现的，传输线的反射特性为：

(1)

式中，ZC为传输线的特性阻抗；ZL为负载阻抗，当传输线末端短路时，ZL为0，从而产生了全反射，当反射电流流经二极管时，根据二极管电容值的不同，会产生不同的相位变化，从而可以改变短路线的反射相位。当这种变容二极管加载的短路枝节加载到电桥中时，可以使电桥产生如图5所示的电流分布，1端口输入的电流将在2，3端口全反射，并在1端口反向叠加，在4端口同向叠加并携带了额外的相位变化，从而实现了所需的移相效果。

图5 超表面中使用的电桥中的电流分布

该超表面在波导的移相范围如图6所示，插损及驻波如图7和图8所示，仿真中选取的二极管为MACOM MA46H120，该二极管的寄生电阻为2 Ω，电容值变化范围为0.15～1.1 pF，仿真结果说明该超表面可以在8 GHz实现360°的相位变化，以及最大-2.4 dB的插入损耗。该损耗产生的原因包括多个因素：① 电路板层间互联带来的插损；② 二极管寄生电阻；③ 金属波导与微带电路转接时的损耗。但这种空气波导中加载超表面移相单元的主要优势在于可使用三维的空间进行结构排布，解决了平面移相电路排布困难的问题，同时纯金属的导波结构也能够进一步地降低天线中的介质损耗。

图6 超表面在不同电容值下的相位变化

图7 超表面在不同电容值下的插入损耗

图8 超表面在不同电容值下的回波损耗

1.2 天线馈电网络设计

该天线采用的馈电网络为双层抛物线反射面，天线馈源为标准的BJ84波导，馈源中产生的柱面波在通过抛物线反射面反射后将转化为平面波激励波导缝隙天线阵。相较于传统的抛物线反射面，该双层设计避免了馈源对于反射波的遮挡，从而进一步地提升了天线的效率。馈源激励时，馈电网络上层及下层中的电场分布如图9所示，仿真结果证实了该设计可以在有限的空间中实现良好的柱面波到平面波的转换效果。反射面上层及下层中波导高度均为16 mm，这些高度在设计时应小于二分之一波长，以保证平板波导中TEM波的单模传输。此外，由于馈源波导的TE10模式的幅度为锥削分布，该馈源产生的激励场在经过反射面反射后形成的平面波仍保持着中心向两侧逐渐衰减，该分布在激励天线辐射体时将有利于天线的副瓣抑制。

(a) 反射面下层场分布

1.3 波导缝隙天线设计

天线中使用的辐射体为波导缝隙天线，共使用了9条缝隙阵单元，其中每条单元中包含4条缝隙。为了实现最高的口面效率，每条辐射缝隙距离中心线的偏移量均相等，为等幅激励。缝隙天线单元的几何关系及尺寸标注如图10所示，其中天线的左右两侧壁厚为0.5 mm，上下壁厚为1 mm，其余尺寸如表1所示。

图10 波导缝隙天线单元的几何关系及尺寸标注

1.4 平板波导-并联波导阻抗匹配结构设计

当波导缝隙天线与上层的抛物线反射面相连接时，反射面中的准TEM波将与并联波导中的TE10波产生阻抗及模式的失配，为了减小该现象带来的强反射与额外插耗，天线设计中每条波导缝隙天线前端都加载了一段阻抗匹配变化段，结构如图11所示。

图11 平板波导-并联波导转接结构及尺寸标注

该结构通过改变部分波导的高度WG_TH1和WG_TH2以及变换段长度WG_TL1和WG_TL2，实现了二阶的特性阻抗变化。该结构加载前后，天线馈电网络的插损及驻波如图12所示。

图12 加载阻抗变化段前后馈电网络的插损及驻波

馈电网络包含从馈源到辐射体阵列输入端的全部路径，仿真结果表明该方式可以实现良好的阻抗匹配效果，加载后该馈电网络在7.2～8.4 GHz内实现-15 dB的回波损耗以及最大0.7 dB的插入损耗，相较于加载前有提升明显。

2 天线仿真结果

为了证实天线的性能，使用全波仿真软件对模型进行了验证，仿真模型中所有金属导波、辐射结构的材料均设置为铝。该天线在不同波束指向下的回波损耗如图13所示，天线可以在7.95～8.05 GHz内实现良好的阻抗匹配，由于天线结构的对称性，在相位梯度大小相同、正负相反时产驻波结果相同，该仿真结果进一步验证了1.3节中设计的阻抗匹配段的性能。该天线的工作带宽主要受限制于两部分：超材料结构中接收、发射贴片的工作带宽以及辐射体阵列的工作带宽。天线在不同扫描角度下的方向图如图14所示。

图13 天线在不同波束指向下的反射系数

图14 天线在不同相位梯度下的方向图

不同扫描角下的辐射特性总结在表2中，该天线可以在±30°内实现连续的波束扫描，扫描时最大的副瓣电平值为-13.0 dB，增益变化为-2.0 dB，天线侧射波束的增益为20.9 dB，天线在不同波束指向下的辐射效率约为60%，仿真结果证明该天线可以实现良好的波束扫描能力以及较低的副瓣电平值。

表2 天线在不同波束指向下的辐射特性

在该天线仿真结果中可以发现，随着波束扫描范围的增加，栅瓣将出现，同时降低了主瓣的增益。因此，该天线的波束扫描范围主要受限于辐射体阵列的间距，由于天线辐射体采用空气填充的金属波导，这些金属波导的宽度需要大于半个波长来保证其能在波导的截止频率以上工作，这样的宽度限制增大了天线的辐射体单元间距，导致大角度扫描时的栅瓣出现，限制了天线的波束扫描范围。在天线仿真结果中，当波束指向30°时，栅瓣与主瓣的增益差为6.5 dB，随着扫描角度的进一步增大，栅瓣将增大，同时主瓣将减小。

3 结束语

本文提出了一种新型低成本相控阵天线形式。该天线使用准光学的抛物线反射面作为馈电网络激励辐射体阵列，通过在阵列中加载电调的超材料进行连续的360°相位的调制，从而实现了连续的波束扫描。该天线设计的主要优势在于全金属的导波结构相较于基于PCB设计的功分器可以避免电磁场传输时的介质损耗，同时该馈电网络也可以更加便捷地与具有高辐射效率的波导缝隙天线相结合，当天线需要周期性地拓展天线辐射体阵列规模时，相较于功分网络的设计，拓展难度更低，并且不存在多级功分级联的损耗。同时，馈源TE10模式自身产生的锥削式幅度分布会使天线辐射体阵列产生低旁瓣的方向图，该旁瓣抑制方法相较于基于不等分功分器的设计，损耗更低、拓展更简单。该天线低成本的连续波束扫描能力、低副瓣的方向图、紧凑的天线尺寸及便捷的拓展性使其非常适合应用在低成本的通信及雷达设备中。