基于电磁超表面的宽角扫描相控阵天线

何应然，张文静，杜 彪,张治强

(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081;2.西北核技术研究所 高功率微波技术重点实验室，陕西 西安 710024)

0 引言

相控阵天线是一种非常适合波束扫描或多波束应用的天线型式。通过调节天线各单元的相位，可以在较大的扫描角度范围内精确控制电磁波束的指向[1]。为了使相控阵天线在尽量大的扫描角度范围内无栅瓣工作，天线单元之间的周期间距要尽量小，一般为半波长左右[2]。天线单元距离很近的相控阵天线，单元之间的互耦效应较强。当扫描角度很大时，天线单元的反射系数变大，会严重影响相控阵天线的增益、效率、波束形状以及扫描指向精度。

为了在宽角度范围内改善相控阵天线的阻抗匹配特性，宽角匹配技术有以下几种：① 介质薄板匹配技术；② 内部耦合补偿技术，在天线馈线与天线单元之间添加电抗网络实现耦合补偿；③ 外部耦合补偿技术，即改变天线单元的外部环境对波束扫描过程中阻抗变化的影响。介质薄板技术受限于自然界现存材料；内部耦合补偿技术复杂度过高，实用价值不高；外部耦合补偿技术难以同时扩展E面和H面的扫描角度[3]。

超材料是由人工微结构周期排列形成的等效介质，其电磁响应可以灵活控制[4-6]。相比自然材料，超材料的电磁响应参数不受自然材料的限制，其介电常数和磁导率可以是正值，可以接近于零，也可以是负值。除此之外，超材料的电磁响应可以设计为强各向异性，或者空间分布是梯度变化的[7-11]。超表面是由一层或多层超材料单元二维周期性排列组成的功能性电磁表面，相比三维超材料结构，其加工制造更加简单和灵活[12-15]。超材料/超表面的电磁参数可控特性，为相控阵天线的阻抗匹配带来了新的技术手段[16-18]。本文提出了一种基于电磁超表面的宽角匹配相控阵天线技术，首先介绍了超表面的工作机理，然后分析了采用常规匹配方式和超表面匹配技术的2种相控阵天线的辐射性能，通过仿真和实测两方面证明了超表面匹配技术能够改善相控阵天线的宽角扫描性能。

1 超材料层实现宽角匹配的工作机理

将波导口辐射单元内部填充介质，天线阵列的排布周期可以大为减小，从而实现大角度无栅瓣的波束扫描。此类天线的主要问题是如何实现阻抗匹配，这是因为介质和空气分界面处的反射较强。将填充介质延伸出一段长度，可以有效解决法向辐射时的阻抗不匹配问题，但大扫描角度时，匹配效果并不理想。这是因为大角度扫描时，波导阵列天线口面与空气的交界面会激励出表面波。表面波的出现会显著增加天线单元之间的互耦，破坏相控阵天线的阻抗匹配特性。

为了改善波导相控阵天线的宽角匹配特性，本文提出使用各向异性超材料覆盖于相控阵天线的辐射口面，抑制表面波模式，从而提升相控阵天线的匹配性能和辐射性能。

下面简单分析电磁波在介质中的传播特性及表面波模式的存在条件。不失一般性，限定电磁波在x-z面内传播，波矢分量为kx和kz。

在介电常数为εr的各向同性材料中，波矢k要满足的色散方程为：

(1)

式中，k0为自由空间波矢。可见，波矢大小与传播方向无关。

在各向异性介质中，材料的介电特性可以用张量表示εr=diag(εx,εy,εz)。对x-z面内传播的TM极化电磁波，其波矢色散关系为：

(2)

图1对比了2种典型材料的色散曲线。材料1为各向同性，介电常数εr=2.2；材料2为各向异性，介电常数εx=2.03,εz=1.01。明显可见，各向同性材料的色散曲线为圆形，而各向异性材料的色散曲线为椭圆。2种色散曲线会导致显著不同的表面波特性。

图1 2种材料中的波矢色散特性

表面波是一种沿材料与空气分界面传播的慢波模式。在空气中，电磁场沿垂直界面方向指数衰减，场能量被有效地约束在界面附近。对x-z平面传播的表面波，假设空气和介质分界面方向为x方向，则这种表面波在空气中的电场分布表达式为：

E(x,z)=E0exp(-γz)exp(iβx)，

(3)

式中，β=kx为沿空气-介质分界面的传播常数；γ为空气中的衰减系数。二者之间的关系为：

(4)

因此，表面波存在的首要条件是传播常数β>k0。对照图1中2种材料的色散曲线可知，材料1与空气的分界面可以支持表面波模式；而材料2与空气的界面则能完全抑制表面波传播。

根据上述原理分析，可得各向异性超材料匹配层的设计原则：

(1) 首先调节超材料的法向介电张量分量εz=1，能够抑制表面波模式，改善大角度扫描时的匹配性能；

(2) 然后调节超材料的切向介电张量分量，可以实现介质与自由空间的匹配过渡，保证小角度扫描时的匹配性能。

利用超材料可灵活调控电磁响应的特点，本文给出了一种基于超材料的宽角匹配相控阵天线设计，仅采用包含一层单元的二维超材料结构，即超表面实现了相控阵天线的宽角匹配，提高了其宽角扫描性能。

2 相控阵天线设计

2.1 概述

针对某Ka频段宽角扫描卫星通信相控阵天线开展设计。其主要指标如下：

·工作频率：19.6～21.2 GHz；

·极化形式：右旋圆极化；

·布阵形式：三角布阵；

·波束覆盖范围：二维相扫，覆盖±60°；

·阵列规模：16×8。

相控阵天线系统的阵列天线如图2所示，后端馈电波导对每个天线单元馈电。馈电波导的线极化波经过隔板圆极化器后，转换为圆极化波，圆极化波在介质波导内传播至辐射口面，进行辐射，如图3所示。辐射口面处设计有锥形渐变结构，可有效改善宽角扫描时的有源驻波特性。

图2 相控阵天线组阵示意

图3 相控阵天线单元示意

天线单元的各组成部分设计参数如下：

·拼阵方式：三角布阵；

·组阵周期：x方向周期dx=7.4 mm,y方向周期dy=8.4 mm；

·波导口边长：a=5.7 mm；

·填充介质：Rogers 5850，εd=2.2，介电损耗正切值δe=0.000 9。

在该布阵周期下，天线波束二维相扫±60°内不会出现栅瓣。

2.2 传统介质锥匹配设计

介质波导口天线组成的相控阵阵列，在出射口面存在较强的反射。解决该问题的传统办法是介质锥匹配法，将填充介质延伸出一段长度，延伸段形状可以为柱状、锥状或棱台状。

针对图2所示的相控阵天线单元，使用基于有限元的电磁仿真软件优化了相控阵天线的宽角匹配特性，仿真模型如图4所示。通过优化介质匹配柱尺寸，得到匹配锥台的几何参数为：介质锥底边边长3.7 mm,介质锥顶部边长1.4 mm，介质锥高度3 mm。

图4 介质锥匹配的相控阵天线单元结构

优化设计后的相控阵，对x极化和y极化2个波导模式的有源S参数如图5所示。

(a) φ=0°面

本文使用经典的球坐标系扫描天线的波束指向。阵面的法向方向为θ=0°。x-z面为φ=0°面，y-z面为φ=90°面。

由此可见，θ在0°～30°内，该相控阵单元有源阻抗匹配良好，S11系数在-12 dB以下。随着扫描角度θ进一步增大，S11系数呈明显的上升趋势。在φ=0°面，当θ=60°时，出现了严重的能量反射；尤其是在21.2 GHz，x极化信号出现了全反射。

2.3 超表面匹配层设计

采用周期性的金属贴片构成超表面匹配层。在匹配层设计中遵循如下原则：

(1) 为了保证超材料的法向介电张量分量εz=1，使用的印制板电尺寸要尽量薄。本设计中使用极薄的Rogers 5880印制板，其厚度仅为0.254 mm。

(2) 为了尽量减小匹配层引入的插入损耗，使用了低介电常数、低损耗正切的印制板。Rogers 5880的介电常数是2.2，损耗正切是0.000 9。

(3) 匹配层的周期性要与天线单元的周期性保持一致。本设计中匹配层上的金属贴片的周期为天线单元周期的1/4。4×4个贴片正好铺满一个单元。

超表面覆层要实现良好的宽角匹配，还需要优化超表面单元的几何参数。优化过程中调整的结构参数为：金属贴片在x，y两个方向的间隙gx，gy；超表面覆层与天线阵面之间的距离h。

与介质锥匹配技术类似，建立如图6所示的仿真模型，使用周期性边界条件计算该相控阵单元的有源反射特性。经过优化设计，得到的匹配层参数为：贴片间隙gx=0.5 mm，贴片间隙gy=0.55 mm,介质板高度h=1.1 mm。超表面覆层的匹配效果如图7所示。它展示了波导口内沿x,y两个方向极化的波导模式在φ=0°和φ=90°面的有源驻波。

图6 超表面匹配的相控阵天线单元结构

(a) φ=0°面

由图7可知，在0°～60°扫描范围内，相控阵天线单元的有源S11在-5.1 dB以下，匹配特性较好。

3 小规模阵列仿真结果

为了进一步验证超表面匹配技术的成效，首先仿真一个小规模阵列，并观察其增益和轴比特性。该小规模相控阵天线由5条子阵组成。每一条子阵阵元沿y方向排列，阵元数为8。5条子阵沿x方向错位排列。

表1对比了介质锥匹配相控阵天线和超表面匹配相控阵天线的增益特性。从增益特性看，采用超表面技术的天线法向增益略低于采用介质锥匹配技术的增益，但是在60°角扫描时，其天线增益显著高于采用介质锥匹配技术的增益，φ=0°方位面扫描时，最低增益由16.0 dB增大为17.5 dB，增益提升达1.5 dB；φ=90°方位面扫描时最低增益由17.5 dB增大为18.0 dB，增益提升达0.5 dB。实际天线系统的性能取决于波束覆盖范围内的最小天线增益，所以超表面匹配技术具有明显优势。

表1 介质锥相控阵和超表面相控阵的增益特性比较

采用2种匹配技术的超表面相控阵天线的轴比特性比较如表2所示。

表2 介质锥相控阵和超表面相控阵的轴比特性比较

在φ=90°面，当波束60°角扫描时，采用超表面技术的天线轴比特性略差，最大轴比由3.8 dB恶化为4.5 dB；但在φ=0°面整个扫描范围内，超表面相控阵的最大轴比由5.2 dB改善为2.1 dB。结果表明，采用超表面技术可以改善天线的轴比特性。

4 天线样机与测试验证

4.1 天线样机

按照上面的设计，加工了一款超表面相控阵天线样机。样机阵元规模为16×8：天线由8条子阵组成，每一子阵包含16个天线单元。组装后的天线阵列样机照片如图8所示。

图8 天线样机照片

为测试对比采用2种匹配技术的相控阵天线辐射性能，同时加工了采用介质锥匹配技术的相控阵天线样机，并且其阵面规模与超表面相控阵天线完全相同。

比较的主要测试指标是扫描范围内增益特性和轴比特性。测试场地为微波暗室，实测扫描角度为0°，30°，45°和 60°。

4.2 天线扫描增益测试

在测试过程中，针对每一个指定的波束指向，首先对相控阵阵元后端的移相器进行置相，然后水平转动测试转台，对准相控阵天线的扫描波束方向，然后测试该扫描波束的方向图。

通过改变暗室中发射喇叭的极化方向，完成了水平极化和垂直极化的扫描方向图测试。通过90°旋转待测天线的天线阵面，完成了0°方位面和90°方位面的辐射方向图测试。

2种相控阵天线的0°方位面扫描方向图如图9和图10所示。其中，图9对应x极化的辐射方向图，图10对应y极化的辐射方向图。

(a) 19.6 GHz

(a) 19.6GHz

由测试结果可知，当波束在φ=0°面扫描时，采用介质锥匹配技术的相控阵天线扫描到60°时，在20.4和21.2 GHz会出现方向图变形。而采用超表面匹配技术的相控阵天线在整个扫描范围内方向图形状完好，天线的扫描增益得到明显提升。

对2种天线在φ=90°面的波束扫描特性也进行了实测。由于篇幅限制，图11仅给出2种极化波在21.2 GHz的方向图对比，其中TE极化波对应x极化，TM极化波对应y极化。从对比结果同样可知，当波束在φ=90°面扫描时，采用超表面匹配的相控阵天线同样实现了更小的扫描增益损失，实现了扫描波束增益的提升。

(a) TM极化

4.3 轴比特性的测试

在暗室测试中，转动线极化发射喇叭超过180°，可以测试得到天线的轴比特性。表3总结了2种相控阵天线在不同扫描角度下的轴比特性。

表3 介质锥相控阵和超表面相控阵的实测轴比

由轴比测试结果可知，在φ=90°面扫描时，超表面天线的轴比特性比介质锥匹配天线略差，差距在1～3 dB。在φ=0°面扫描时，超表面天线的轴比特性比介质锥匹配天线改善明显。特别是在45°和60°扫描时，轴比性能得到了显著提升，轴比最大改善约14 dB。轴比测试结果的变化规律与仿真结果一致，但测试的轴比要高于仿真计算结果。

5 结束语

针对一款Ka频段的卫星通信接收相控阵天线，使用超表面匹配技术实现了宽角范围的高性能波束扫描。与介质锥技术对比结果表明，超表面匹配层技术能够在±60°波束扫描范围内，减小扫描增益损失，提升大角度扫描时天线轴比性能。本文提出的电磁超表面技术不仅可以应用于波导单元形式的相控阵天线中，还可以推广应用于其他单元类型的相控阵天线中。