利用新型EBG结构消除相控阵天线扫描盲点

穆志豪，杨华军，江　萍

(电子科技大学　物理电子学院，成都　610054)



利用新型EBG结构消除相控阵天线扫描盲点

穆志豪，杨华军，江萍

(电子科技大学物理电子学院，成都610054)

在印刷天线中，已经证明了高阻表面基板可以有效地减少表面波激励。该文研究了利用高阻表面基板的微带相控阵天线的性能。研究结果表明，利用高阻表面基板可以消除相控阵天线扫描盲点。提出了一种新颖且有效的高阻表面结构，并在高介电常数的基板上基于该结构设计及仿真了由同轴线馈电6×6的微带相控阵天线。仿真结果表明，提出的高阻表面结构可以有效地改善微带相控阵天线的性能。

微波光子晶体；高阻表面；表面波；扫描盲点；微带相控阵天线

由于表面波使相控阵天线单元之间发生相互作用，从而降低了天线的性能。显然，这种相互作用就是互耦现象。它通过改变天线馈电上的电流强度、相位及分布，导致天线的输入阻抗发生变化，特别是在相控阵天线扫描时耦合的影响更加严重，它会影响相控阵的扫描范围，以及产生极端的情况——扫描盲点[1-4]。目前消除盲点方法有多天线子阵技术[5]、缺陷地技术[6]以及特异材料技术[7]。已上方法都存在各身的缺点：多天线子阵技术会带来较大的栅瓣及在低介电常数的基板上占据的面积较大；缺陷地技术会导致较强的后向辐射；特异材料技术的机械稳定性较差而且设计较为复杂。基于印刷天线技术的相控阵天线存在矛盾的两个方面：一方面，低介电常数介质基板可以获得较好的方向性；另一方面，高介电常数的介质基板可使得相控阵天线更加紧凑，减小了天线的尺寸。通过在高介电常数的基板上设计周期性辐射单元，产生光子晶体带隙，利用该带隙在相控阵天线操作范围内抑制表面波激励是一个比较好的方法。本文用到的electromagneticband-gap(EBG)技术[8-10]中的EBG结构具有光子带隙，能够较好地抑制微带相控阵天线辐射时，在介质基板上传播的表面波，从而清除扫描盲点，效果非常显著。

1　EBG结构设计

EBG结构的周期可以通过增加EBG单元之间的电容或者电导减小。不幸的是，增加单元结构加载的电容或者电导会减少EBG结构的带宽。单元结构加载的电导和介质基板的厚度成正比。但是较厚的介质基板又会影响带宽。由于相控阵天线单元之间的间距限制，EBG结构要求小型化，而传统的EBG结构是通过增加EBG结构单元之间的间距来增加电容的，这样就出现了矛盾。为了解决这个矛盾，本文提出采用新型光子晶体结构来实现增加EBG结构单元之间加载的电容。本文设计的EBG结构基本单元如图1所示，两个‘F’型结构相向放置印刷在正方形的基板上，并且在其中一个F结构上打孔。本文设计的高阻表面型光子晶体结构的中心频率位于5.25GHz。其他参数有：F结构的长臂长度l1=1mm，短臂长度l2=0.5mm，a=2.9mm，w=0.9mm，g=0.1mm；EBG单元之间的距离c=0.1mm，开孔的半径r=0.3mm，开孔圆心的位置离正方形其中一边的距离d=0.5mm，基板的厚度h=2.54mm，以及基板材料的介电常数εr=10.2。EBG结构的晶格结构采用正方形晶格结构。EBG的带隙结构仿真利用的是基于有限元算法的电磁仿真软件AnsoftHFSS。图1(b)给出了EBG结构的k-β色散图，可以看出第一个模式TM0和第二模式TE1之间在4.80～5.85GHz存在一个表面波带隙。禁带是EBG结构所特有的性质，正常的介质结构并不存在这样的禁带。

(a) EBG结构基本单元

(b) EBG结构的k-β色散图　图1　EBG结构

2　基于EBG结构的相控阵天线的设计及结果分析

(a)不存在EBG结构

(b)仿真结果　图2　相控阵天线单元S11参数

相控阵天线周期单元的基本几何结构采用矩形微带天线结构[11-12]，如图2所示。图2(a)为不存在EBG单元结构的相控阵天线单元。为了确保天线单元和EBG结构之间具有较弱的耦合，两者之间要存在足够大的间距。为了限制相控阵天线的栅瓣，相控阵天线单元之间的间距要小于天线中心工作波长的一半。在设计EBG相控阵时，应仔细设计天线单元的结构以及EBG结构，以便于把EBG结构和天线单元合适地放在同一个阵列单元内。本文采用50Ω同轴线馈电，馈电点的位置为Xp。利用微带天线设计的基本公式求出初始的结构参数，然后基于上面的分析利用仿真软件反复优化设计相控天线的基本单元结构参数。最后得到的天线单元结构参数为：a1=b=27mm，L=7.5mm，W=8.9mm，Xp=1.3mm。相控阵天线单元结构参数得到以后将其与EBG结构整合到一个结构中并进行仿真，仿真结果如图2(b)所示。由图2(b)中的S11参数可以知道天线的谐振频率发生了移动，这是因为在x，y方向上都存在EBG结构，EBG结构和天线单元发生了耦合，为了保持天线单元的谐振频率仍然在5.25GHz上。利用软件对天线单元结构进行优化，得到最终的结构参数为：a1=b=27mm，L=7.5mm，W=8.9mm，Xp=1.2mm。

为了证实本文设计的EBG结构对消除相控阵天线扫描盲点的有效性，利用软件对有源相控阵天线单元的辐射模式进行了仿真。文献[8]中提到，全激励状态下阵列的增益与有源单元辐射模式在给定扫描角上成正比。图3为有或无EBG结构时，最靠近中心单元有源E面和H面辐射模式仿真结果，本文选择的是6×6的相控阵天线。从图3中可以看到，在±62°时存在扫描盲点。扫描盲点现象的出现已经得到了广泛的研究，其中被人们接受的观点是文献[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强迫的谐振。EBG结构正好能破坏这种谐振，从而消除相控阵天线的扫描盲点。图3(a)中实线代表存在EBG结构时的结果，可以看出相控阵天线的扫描盲点被消除了。H面有源单元模式如图3(b)所示。从图3(b)中可以看出，两种情况下的模式几乎没有差异，事实上，这是因为在H面上几乎没有表面波被激励。为了从另一方面评估存在EBG结构时对相控阵天线的影响，利用HFSS对天线的增益进行了仿真。从图4中可以看到存在EBG结构时相控阵天线的增益有所增加。当扫描角扫描到θ=62°时，可以看到存在EBG结构比不存在EBG结构增益提高了1dB左右。综上研究结果知道，EBG结构的存在改善了相控阵的扫描特性。

(a)中心单元有源E面

(b)H面辐射模式图3　仿真结果

(a) 不存在EBG结构时

(b) 存在EBG结构时图4　全激励状态下相控阵天E面增益(从正方向各曲线分别对应θ=0°，10°，30°，50°，62°，70°)

4　结束语

本文研究了应用新型EBG结构来改善微带相控阵天线的扫描性能，对一个6×6的微带相控阵天线进行了仿真。由仿真结果可以看到，扫描盲点出现在±62°，将新型的EBG结构用于相控阵中，EBG结构的存在消除了相控阵天线的扫描盲点，提高了相控阵天线的增益，改善了相控阵天线的扫描特性。相控阵天线在应用上的优势，使其得到了广泛的关注。为了进一步增加相控阵的扫描角范围，从而改善相控阵天线的扫描特性，仍需要更加深入的研究。本文设计的新型EBG结构是切实有效的，可以为以后微波光子晶体在相控阵天线中的应用方面的研究提供参考。

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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

国防预研基金。

穆志豪(1989-)，男，硕士，主要从事光通信技术方面的研究。

O341;G642.423

Adoi:10.3969/j.issn.1672-4550.2016.04.015