基于电阻型频率选择表面的超宽带紧耦合阵列

胡志慧 姜永华 凌 祥，2

（1.海军航空工程学院电子信息工程系，山东 烟台264001；2.海军装备研究院，上海200436）

引 言

超宽带雷达具有带宽宽、成像分辨率高、近距离盲区小、截获概率低、反隐身性强等优点，已在制导、预警、电子对抗等平台中获得了应用.传统超宽带天线如螺旋天线、蝴蝶结天线、单极子天线等［1-2］安装于这些平台时，受背面接地板（Ground Plane，GP）的影响，其阻抗带宽会变窄或者出现多个频带；Vivaldi天线、兔耳形天线等由于不是平面天线，其纵向尺寸一般为波长的数倍到数十倍［3-4］，天线体积比较大，在尺寸要求严格的情况下难以满足要求.此外，当采用这些天线单元组成传统超宽带天线阵列时，受单元间互耦的影响其阻抗带宽及辐射特性都会恶化.

近年来，紧耦合天线阵列（Tightly Coupled Array，TCA）已在超宽带小型化天线中得到了应用［5-6］.与传统超宽带天线阵列不同，这种阵列通过紧密地排列天线单元来增加单元间的耦合，在背面加GP时，仍能实现超宽带与小型化.Munk在文献［7］中最早采用交指型偶极子天线单元设计了TCA，实现了4.5∶1的阻抗带宽，并在文献［8］采用该阵列设计了超宽带相控阵天线，通过多层介质加载实现了9∶1的阻抗带宽.Volakis等人［9-12］对TCA做了进一步深入研究，利用相互交错的矩形螺旋天线单元设计了TCA，并提出了其等效电路模型，在无介质加载时可实现10∶1的阻抗带宽.Moulder等人在文献［13］中提出了利用电阻型频率选择表面（Resistive Frequency Selective Surface，RFSS）提高TCA阻抗带宽的方法，通过加载方环形实现了14.2∶1的阻抗带宽，但并未对天线阵列扫描时的驻波系数及方向图进行分析.国内有关TCA的研究较少，电子科技大学杨仕文教授［14］采用八边形环状天线单元设计了TCA，可实现4.4∶1的阻抗带宽.

尽管TCA可以实现超宽带与小型化，但是由于背面GP的影响，当TCA与GP之间距离为半波长时，TCA会出现短路点，严重影响了其阻抗带宽.针对这一问题，设计了一种基于RFSS的超宽带TCA，详细分析了RFSS对天线阻抗带宽及辐射特性的影响，并对TCA的扫描特性进行了分析.该天线阵列通过在TCA与GP之间加载开口谐振环结构的RFSS，抑制了TCA的短路点，显著增加了其阻抗带宽.该TCA不仅具有超宽带特性，而且体积小、易于共形安装，在超宽带小型化有源相控阵天线［15-16］中有良好应用前景.

1 TCA的原理

TCA是基于电流面［17］理论设计的，其概念可以用紧耦合偶极子天线阵列来描述，其结构示意图及等效电路如图1（a）所示.天线阵列周期为d，距GP高度为h，与传统天线阵列不同，TCA天线单元间距很小，因此在末端会产生很强的耦合电容C.假设偶极子天线单元的等效电感为L，长度为h的短路传输线特性阻抗ZGP＝jη0tan（2πh／λ），则天线单元的输入阻抗Zin＝jωL＋1／（jωC）＋η0∥ZGP，其中η0＝120πΩ为自由空间波阻抗.由于在低频段（h＜λ／4），相邻天线单元间的强耦合电容C可补偿由GP产生的感性电抗ZGP，因此可以保持其输入阻抗相位在很宽的频带内变化较小，最终实现超宽带及小型化.如图1（b）所示，在无任何加载时可实现4.5︰1（2.1～9.5GHz）的阻抗带宽.

图1 紧耦合偶极子天线阵列

2 开口谐振环结构的RFSS设计

开口谢振环结构的RFSS单元如图2所示，由电阻膜、介质基片及GP构成.图2中，开口谐振环为电阻膜，方阻为RS，外环长度S1＝9.8mm，内环长度S2＝7.4mm，宽度均为S3＝0.6mm，开口宽度S4＝0.6mm，离GP距离h1＝5.5mm，采用Rogers RO4003作为其介质基片，介电常数εr1＝3.38，基片厚度t1＝0.508mm.利用电磁仿真软件CST2011对其进行了仿真计算，其中周期d＝10.1 mm，Rs＝33Ω，仿真结果如图3所示.从图3可以看出，当入射角小于30°时，其反射系数在5～19 GHz之间均小于0.5.由此表明该开口谐振环结构的RFSS可以在很宽的频带内有效减小背面接地板的反射，可以用在超宽带天线设计中，以减小GP对阻抗带宽的影响［18］.

图2 开口谐振环结构的RFSS

图3 反射系数

3 基于RFSS的TCA设计与分析

由公式ZGP＝jη0tan（2πh／λ）知，当TCA与接地板之间的距离h＝λ／2时，ZGP＝0，TCA在fmax＝c／2h处短路，从而限制了TCA的阻抗带宽.由于RFSS可以减小接地板的反射，可以将RFSS放置于TCA与GP之间，避免其短路点，增加其阻抗带宽.

3.1 基于RFSS的TCA设计

TCA天线单元如图4（a）所示，其周期为d，由蝴蝶结天线单元、开环谐振环结构的RFSS、宽角匹配层及GP四部分构成.蝴蝶结天线单元长度及宽度均为la，馈电间距为ga，天线单元离GP高度为h，印制于RO4003介质基片上，介电常数εr＝3.38，基片厚度t＝0.254mm.十字型宽角匹配层长度为lf，宽度为wf，间距为gf，采用RO5880作为其介质基片，介电常数εr2＝2.2，基片厚度t2＝4 mm.开环谐振结构的RFSS放置于天线与GP之间，离GP距离为h1.天线单元等效电路如图4（b）所示，开口谐振环结构的RFSS可等效为电阻R及电抗Xr，宽角匹配层等效为电抗Xf，蝴蝶结天线单元等效为电感L，相邻单元耦合电容为C，天线下侧阻抗ZGP＝η0（1＋Γ）／（1-Γ），其中，Γ为RFSS的反射系数，因此输入阻抗Zin＝j wL＋1／（j wC）＋ZGP∥η0∥j Xf.

图4 基于RFSS的TCA天线单元

3.2 影响天线性能的各参数分析

TCA是由大量排列紧密的天线单元构成的阵列，因此可以假设其处于无限大周期结构中，采用电磁仿真软件CST Microwave Studio 2011的频域求解器，通过设置周期边界条件对上述天线模型进行了仿真分析，天线单元由离散端口馈电.基于RFSS的TCA涉及参数较多，由等效电路4（b）知，当天线单元结构及其与GP之间的距离h一定时，对阻抗带宽影响较大的参数主要包括电阻膜方阻为Rs及天线单元间间距de（de＝d-la），各参数变化时TCA的驻波系数如图5所示.由图5（a）可知：当参数Rs值较大时，天线驻波系数在中间频段较大，其阻抗带宽被分为两个频带；当参数Rs值较小时，天线驻波系数在低频段及高频段都较大.由此可知，电阻膜方阻Rs对天线阻抗带宽有很大影响，因此天线要获得宽带特性，必须对其进行合理选择.由图5（b）可知，随着参数de值增加，天线驻波系数增大，阻抗带宽变窄.这是由于当de增加时，相邻天线单元末端的耦合电容变小，从而不能补偿由接地板产生的感性电抗ZGP.

图5 参数变化时天线驻波系数

为使天线的性能达到最佳，在上述仿真分析的基础上，对影响天线阻抗带宽的各参数进行综合优化后，得到了天线单元的参数值，其中Rs＝50Ω，其它参数值如表1所示.

表1 天线单元尺寸 单位：mm

4 仿真结果分析

4.1 TCA未扫描时特性分析

基于上述单元的10×10天线阵列模型如图6所示，其整体尺寸为101mm×101mm×14mm.

图6 10×10天线阵列模型

为分析RFSS对阻抗带宽的影响，分别针对TCA在加载开口谐振环结构的RFSS、无任何加载以及文献［19］提出的加载磁介质三种不同情况下的驻波系数进行了比较.由图7可知：当TCA与GP之间无任何加载时，天线阵列在10.7GHz处短路，与fmax＝c／2h相对应，在该频点其驻波系数远大于2，天线阻抗带宽分为两个频带.当TCA及GP之间加载磁介质时，在10.7GHz处的短路点得到抑制，其阻抗带宽得到一定提高，可达7.7︰1（1.8～13.8 GHz），但在高频段其驻波系数仍较大，阻抗带宽仍受到一定限制.当TCA及GP之间加载开口谐振环结构的RFSS后，与文献［19］中加载磁介质方法相比，其阻抗带宽得到显著提高，可达12.8︰1（1.5～19.2GHz），这是由于RFSS可以减小接地板反射，并且由图4（b）等效电路知，加载RFSS后，由于电阻R的影响，其输入阻抗的相位变化更加平缓，因此，加载RFSS后，可以抑制天线短路点，进一步增加TCA阻抗带宽.

图7 加载及未加载RFSS的仿真结果

10×10天线阵列的增益如图8所示.由图可知：在未加载RFSS时，天线阵列在10.7GHz处增益急剧下降，为-28dB；在加载开口谐振环结构的RFSS后，在该频点附近天线阵列增益明显增加，为20dB.随着频率增加，天线增益逐渐增大，其最大增益为23.5dB.此外，由于RFSS加入了损耗，在其它频段上天线阵列增益降低0.5～2.8dB.

图8 加载及未加载RFSS的仿真结果

图9 未加载时天线阵列方向图

图10 加载RFSS时天线阵列方向图

天线阵列在无任何加载及加载RFSS时的归一化E面及H面方向图分别如图9、10所示.当天线阵列工作在10.7GHz时，由图9（b）可知，无任何加载时，由于天线阵列在该频点短路，加在天线单元上的发射信号几乎全被反射回来，使得天线方向图在主瓣方向上出现很深凹口；由图10（b）可知，加载RFSS后，天线阵列方向图得到明显改善，其主瓣方向上增益明显增加，E面及H面的主瓣宽度均为14.2°，副瓣电平均低于-13dB.当天线阵列工作在1.5GHz时，由图9（a）及10（a）可知，RFSS对阵列辐射性能影响较小，其E面主瓣宽度在加载与未加载RFSS时均为60°，H面主瓣宽度均为65°.当天线阵列工作在19.2GHz时，由图9（c）及10（c）可知，加载RFSS与未加载RFSS其E面及H面方向图变化比较小，其E面及H面主瓣宽度均为8°，副瓣电平均低于-12dB.由此表明，加载RFSS后，天线阵列在整个阻抗带宽内其辐射方向图均比较稳定.

4.2 TCA扫描时特性分析

当TCA进行相位扫描时，其驻波系数会随着扫描角的变化而起伏，如图11（a）所示.当天线扫描角为0°时，天线阻抗带宽为1.5～19.2GHz；随着扫描角增大，天线阵列驻波系数在高频段增大，阻抗带宽明显变窄，当天线扫描角为30°时，阻抗带宽为1.8～16GHz，因此，在±30°扫描范围内，TCA可满足8.9∶1的阻抗带宽.天线阵列增益随扫描角变化如图11（b）所示，随着扫描角增大，在1.8～16GHz范围内，天线增益降低0.2～1.5dB.

图11 TCA扫描时驻波及增益

10×10天线阵列在扫描角为0°、±10°、±20°、±30°时，其E面及H面主极化与交叉极化方向图如图12及13所示，分别对应工作频率为10.7GHz及16GHz.由图可知：在10.7GHz时，随着扫描角增大，主瓣宽度由14.2°增大到16.6°，E面副瓣电平低于-13dB，交叉极化电平低于-48dB；H面副瓣电平低于-10.8dB，交叉极化电平低于-42dB.在16GHz时，随着扫描角增大，主瓣宽度由9.1°增大到10.8°，E面副瓣电平低于-10.4dB，交叉极化电平低于-46dB；H面副瓣电平低于-10.2dB，交叉极化电平低于-47dB.由此表明，加载RFSS后，在±30°扫描范围内，天线阵列的副瓣电平低于-10.2dB，交叉极化电平低于-42dB.

图12 扫描时E面扫描方向图

图13 扫描时H面扫描方向图

5 结 论

设计了一种基于RFSS的小型化超宽带TCA，详细分析了RFSS对阻抗带宽及辐射特性的影响，并对TCA的扫描特性进行了分析，该阵列采用相互具有很强耦合的蝴蝶结天线作为其辐射单元，通过在TCA与GP之间加载开口谐振环结构的RFSS，抑制了TCA短路点，显著增加了其阻抗带宽.仿真结果表明，在未加载RFSS时TCA在10.7GHz处短路，天线阻抗带宽分为两个频带；在加载RFSS后，TCA阻抗带宽可达12.8︰1（1.5～19.2GHz），在±30°扫描范围内可实现8.9︰1（1.8～16GHz）阻抗带宽，在整个频带内，TCA辐射方向图都比较稳定，其副瓣电平均低于为-10.2dB，交叉极化电平低于为-42dB；由于RFSS加入了损耗，天线阵列增益降低0.5～2.8dB.该TCA不仅具有超宽带特性，而且体积小、易于共形安装，在超宽带小型化有源相控阵天线中有良好应用前景.

［1］钟顺时，梁仙灵，延晓荣.超宽带平面天线技术［J］.电波科学学报，2007，22（2）：308-315.ZHONG Shunshi，LIANG Xianling，YAN Xiaorong.UWB planar antenna technology［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（2）：308-315.（in Chinese）

［2］钱祖平，周 锋，彭 川，等.一种小型平面超宽带天线的设计与实现［J］.电波科学学报，2010，25（5）：920-924.QIAN Zuping，ZHOU Feng，PENG Chuan，et al.Design and realization of compact planar ultra-wideband antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2010，25（5）：920-924.（in Chinese）

［3］梁志伟，夏琛海，牛宝君.低剖面渐变槽线天线单元设计［J］.微波学报，2012，28（3）：73-76.LIANG Zhiwei，XIA Chenha，NIU Baojun.Low profile design of tapered slot antenna element［J］.Journal of Microwaves，2012，28（3）：73-76.（in Chinese）

［4］吴锋涛，袁乃昌，张 伟，等.超宽带平面渐变开槽印刷天线阵的实验研究［J］.电波科学学报，2007，22（3）：538-540.WU Fengtao，YUAN Naichang，ZHANG Wei，et al.Experiment research on UWB planar tapered slot printed antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（3）：538-540.（in Chinese）

［5］HOLL S S，VOUVAKIS M N.The planar ultra-wideband modular antenna array［J］.IEEE Trans on Anten-nas and Propagation，2012，60（1）：130-140.

［6］HOLL S S，SCHAUBERT D H，VOUVAKIS M N.A 7～21GHz dual-polarized planar ultra-wideband modular antenna array［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，2012，60（10）：4589-4599.

［7］MUNK B A.Finite Antenna Arrays and FSS［M］.New York：Wiley，2003：181-213.

［8］MUNK B A，TAYLOR R，DURHAM T，et al.A lowprofile broadband phased array antenna［C］／／Proc of Antennas and Propagation Society International Symposium.Columbus：IEEE Press，2003，2：448-451.

［9］TZANIDIS I，SERTEL K，VOLAKIS J L.Interwoven spiral array with a 10：1bandwidth on a ground plane［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：115-118.

［10］VOLAKIS J L，SERTEL K.Narrowband and wideband metamaterial antennas based on degenerate band edge and magnetic photonic crystals［J］.IEEE Proceedings，2011，99（10）：1732-1745.

［11］ALWAN E A，SERTEL K，VOLAKIS J L.A simple equivalent circuit model for ultra-wideband coupled arrays［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，11：117-120.

［12］TZANIDIS I，SERTEL K，VOLAKIS J L.Characteristic excitation taper for ultrawideband tightly coupled antenna arrays［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，2012，58（11）：1777-1784.

［13］MOULDER W F，SERTEL K，VOLAKIS J L.Superstrate-enhanced ultrawideband tightly coupled array with resistive FSS［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，2012，60（9）：4166-4172.

［14］CHEN Y，YANG S，NIE Z.A novel wideband antenna array with tightly coupled octagonal ring elements［J］.Progress In Electromagnetics Research，2012，124：55-70.

［15］凌 祥，姜永华，高伟亮，等.非线性有源天线阵波束扫描技术研究［J］.微波学报，2009，25（1）：8-12.LING Xiang，JIANG Yonghua，GAO Weilaing，et al.Beam scanning techniques of nonlinear active integrated antenna array［J］.Journal of Microwaves，2009，25（1）：8-12.（in Chinese）

［16］凌 祥，姜永华，高伟亮，等.非线性有源天线阵接收技术研究［J］.微波学报，2010，26（4）：42-46.LING Xiang，JIANG Yonghua，GAO Weilaing，et al.Receive techniques of nonlinear active integrated antenna array［J］.Journal of Microwaves，2010，26（4）：42-46.（in Chinese）

［17］WHEELER H A.Simple relations derived from a phased-array antenna made of an infinite current sheet［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，1965，13：506-514.

［18］EREDMLI Y E，SERTEL K，VOLAKIS J L.Frequency selective surfaces to enhance performance of broadband reconfigurable arrays［J］.IEEE Trans on Antennas and Propagation，2002，50（12）：1716-1724.

［19］KASEMODEL J A.Low-profile ferrite loaded UWB tightly coupled dipole array［C］／／International Symposium on Antennas and Propagation.Spokane：IEEE Press，2011，3：1973-1975.