一种提高圆极化阵列天线宽角扫描特性的设计方法研究*

杨国庆

（中国西南电子技术研究所，四川 成都 610036）

0 引言

随着无线通信技术的飞速发展，越来越多的应用环境要求天线具备高方向性、大带宽、低交叉极化、电子波束扫描和低剖面等特性。此类应用例如X 频段及以下频段的安全防御雷达系统，Ku 频段的通信系统，K 或Ka 频段的卫星系统，以及即将到来的5G 通信系统[1]等。而相控阵天线因其快速扫描、波束捷变、高定向增益覆盖、易于共形和形成多波束等特点[2]在军用和民用领域都得到大量应用。圆极化天线由于可以接收任意极化方式的电磁波，且发射的圆极化波具有很强的抗多径干扰和抗雨衰能力，在卫星通信、移动通信、导航及探测系统中都被广泛关注。为了满足各应用系统期望的大空域覆盖和小波束增益起伏需求，研究具有宽角扫描能力的圆极化相控阵天线显得尤为重要。

根据远场叠加原理[2]，相控阵天线的扫描能力取决于阵列排布方式和阵列单元方向图特性。阵列排布方式决定了天线单元的周围环境，由于各单元之间会通过电磁耦合的方式相互影响，这种相互影响又称为互耦，会随着扫描角度的增大而更加强烈，造成单元阻抗失配而严重影响大角度扫描时的辐射效率和辐射增益。因此，要扩展平面相控阵天线的扫描范围，最直接有效的两种措施即是降低互耦和扩展天线单元波束宽度。

如何解决互耦，是广大天线设计者在阵列设计初期就高度关注的问题。互耦来源于天线单元之间的近场耦合和表面波耦合，主要通过空间辐射、介质基板和天线地板产生。为了改变或阻断耦合路径，文献中提及较多的方法主要有：采用缺陷地（Defected Ground Structure，DGS）结构[3-7]、电磁带隙(Electromagnetic Band Gap，EBG)结构[8-11]、超材料表面[12-14]、频率选择表面（Frequency Selective Surface，FSS）结构[15,16]，以及增加垂直电壁[17]等。常见的DGS 结构有矩形缝隙[3]、S 形缝隙[4]、H 形缝隙[5]、哑铃形缝隙[6]和级联裂环形缝隙[7]等，通过在天线地板上开缝，有效地抑制了表面波从而降低互耦，但这类结构的缺点在于其地板结构不满足小型化或一体化有源相控阵天线垂直互联要求。文献[8]的蘑菇形EBG 墙、[9]的平行耦合线EBG、[10]的T 形EBG，以及[11]的三维S 形EBG结构都可以有效地抑制互耦，但其缺点也同样明显。由于EBG 本质上属于周期性结构，需要足够的单元数量来维持周期性，设计较为复杂，而且会占用较大的空间尺寸。文献[12]～[14]采用几种裂环结构形成超材料表面，有效地降低了两个天线单元之间的互耦。超材料表面虽然结构简单、易于加工，但其去耦效应是通过天线单元与裂环结构之间产生耦合来实现，单元间距越小，天线单元方向图和轴比所受影响越大，不适合紧凑型阵列天线应用。文献[15]和[16]提出了两种频率选择表面结构，数据证明该结构更适合于单极子天线之间去耦，另外该结构需要更高的剖面尺寸。文献[17]在微带天线E面两侧加载了垂直金属壁，由该天线单元组成的E面线阵，±70°扫描范围内增益起伏小于2.7dB，宽角扫描能力非常出色，唯一的不足在于垂直电壁的存在增加了天线的高度和加工难度。

本文从降低单元间互耦和拓展单元波束宽度两个方面出发，以传统的圆极化微带贴片天线单元为基础，探究提高圆极化阵列天线宽角扫描的具体方法。研究过程中充分考虑工程应用的需求，结合微带阵列天线的实现工艺和加工难度，提出一种辅助辐射环结构，将该结构加载到微带贴片周围得到一种新型天线单元。该天线单元相比微带贴片天线具有更宽的波束宽度和良好的圆极化特性。然后利用该天线单元组阵形成几种2×2 子阵排布方式，通过仿真对比分析了各子阵的方向图和轴比特性，并最终确定最优的子阵排布方式。随后，将该子阵结构作为基本单元进行扩展得8×8 矩形阵列，通过仿真验证了阵列天线的单元间互耦特性，以及大角度扫描情况下的方向图、轴比性能，并总结出了一种提高圆极化微带阵列天线宽角扫描特性的一般方法。

1 天线单元设计及仿真分析

为了研究圆极化阵列天线的宽角扫描特性及优化方法，本文以圆极化微带贴片天线为例，典型的天线单元结构有圆形贴片和矩形贴片，如图1 所示。

图1 传统圆极化微带天线单元结构图

为了获得互耦较低和波束宽度更宽的天线结构，本文提出一种结构简单的辅助辐射器，该辅助辐射器由寄生在微带贴片周围的金属圆环和若干金属圆柱构成。加载辅助辐射器后的天线单元结构如图2 所示，单元结构从上到下依次为辅助辐射结构、微带贴片、介质板和接地板，其中8 个金属圆柱环形分布于介质板中，将辅助辐射环和接地板相连接。天线加工采用PCB 工艺，仅需一张单层高频板材即可完成，金属圆柱可通过金属化通孔的方式加工实现。介质基板可选用Rogers或Taconic等公司的高频板材，本文仿真设计选用相对介电常数为3，损耗角正切为0.0013 的Rogers RO3003 板材，为了保证天线工作带宽，选用板材厚度为20mil。考虑上下表面铜层和镀层厚度，该天线的成品厚度小于0.6mm。天线单元馈电采用单同轴背馈方式实现，馈电端口可根据工程应用需求选用金属化通孔结构，利用SMP/SSMP 系列高频连接器与T/R 组件模块连接；也可选用金属圆盘结构，适用于毛纽扣等弹性连接器；还可以和T/R 组件通过多层PCB 或LTCC 等工艺一体化集成。

图2 加载辅助辐射器后的天线单元结构图

传统的圆形微带贴片天线通过开槽可产生两个正交简并模而实现圆极化，矩形微带贴片天线圆极化则可通过对角线馈电来实现。两种微带贴片周围加载辅助辐射结构后，天线单元的仿真结果对比如图3 和图4 所示。由仿真曲线可见，两种微带贴片的原始辐射方向图波束宽度窄、增益高，最大增益可达7.3dBi；加载后，天线单元的最大增益下降，但波束宽度有所展宽，由于受环形辐射结构的影响，天线单元辐射方向图的对称性也有所改善。图4 的轴比曲线图显示，两种天线单元的圆极化特性受环形辐射器的影响很小。

2 天线阵列仿真与分析

2.1 子阵排布与仿真分析

由图3 和图4 的仿真曲线可知，尽管加载后天线单元的辐射方向图对称性有所改善，但在两个正交剖面，天线波束还是偏向Theta 角的正方向；另外，天线单元轴比随着角度增大在不断增加。这两个因素将在一定程度上影响二维相控阵天线大角度扫描时的辐射增益和轴比性能。为了获得更加对称的扫描方向图，需要进一步优化天线单元性能。考虑到更改天线单元结构会增加天线的结构复杂度和加工难度，故采用优化子阵性能的思路来解决该问题。

图3 天线单元方向图

图4 天线单元轴比图

对于圆极化阵列天线，为了提高阵列的轴比性能，通常采用顺序旋转馈电法。因天线单元的方向图存在不对称性，本文在采用顺序旋转法馈电的过程中，同时优化天线单元的排布方式，即通过多个单元协作来弥补单元方向图不对称的不足。

以加载后的圆形贴片天线单元为例，由于采用偏置馈电，形成的2×2 子阵共有四种排布方式。考虑到较为分散的单元排布会影响子阵的周期性扩展，本文只对两种单元排布紧凑的子阵进行仿真分析。如图5 所示，结构(a)中初始单元位于下方，其余三个单元按照0.48λ0的间距，依次旋转90°、180°和270°排成2×2 子阵，再将三个单元的馈电端口顺时针依次补偿90°；结构(b)采用相同的旋转方式，仅调整了原始单元的位置。通过HFSS 仿真，得到两种2×2 子阵的辐射方向图和轴比曲线，如图6 所示。

图5 两种紧凑型排布的2×2 子阵结构图

由图6（a）仿真结果可见，两种子阵的辐射方向图都具有理想的旋转对称特性，相比子阵（a）,子阵（b）具有更宽的波束宽度，同时还具有更加平缓的轴比曲线，该排布方式下，子阵在±60°角域范围内轴比值小于2.5dB。因此，采用顺序旋转馈电和布阵技术，在不改变天线单元结构的前提下，通过单元排布解决了方向图的不对称问题，同时还获得了良好的轴比性能。

图6 两种2×2 子阵性能曲线图

经过仿真验证，对于矩形贴片天线单元，采用上述结构和方法可以得到同样良好的圆极化辐射特性。

2.2 8×8 阵列仿真分析

在XOY平面内，将图5（b）所示的2×2 子阵扩展成为8×8 矩形阵列天线（天线结构如图7 所示），天线单元间距在X方向和Y方向均取为0.48λ0，以保证天线大角度扫描时不出现栅瓣。

通过HFSS 仿真，图8 给出了天线阵列在方位角0°和90°剖面的扫描方向图曲线仿真结果。由扫描曲线可见，天线阵列在两个正交剖面均能扫描至±60°，且在±60°扫描范围内，天线增益波动小于3dB。图9 给出了天线阵列在两个剖面上的扫描轴比曲线，由仿真曲线可知，在波束扫描过程中，随着扫描角的增大，天线圆极化性能略有下降，但扫描范围内的轴比值均小于2.8dB。

图7 8×8 天线阵列结构

图8 8×8 阵列扫描方向图

对比图8 和图9 中的仿真曲线，方位角0°和90°两个剖面内的扫描方向图和扫描轴比曲线高度一致，证明了阵列天线具有非常理想的旋转对称性。此外，图10 还给出了该阵列天线的单元间互耦表现，相比传统微带贴片天线阵列，S21 下降约1.2dB，S31 下降约1.5dB，天线互耦性能有所降低。

图9 8×8 阵列扫描轴比曲线图

图10 8×8 阵列单元互耦曲线图

通过上述分析可以总结出以下结论：对于传统的圆极化阵列天线，可在天线单元周围加载本文提出的辅助辐射环结构，再通过顺序旋转布阵技术得到最优化的子阵（子阵单元数量可根据阵列排布需求进行调整，例如三单元三角排布，或四单元矩形排布等）来达到拓展波束宽度和降低互耦的目的，最终获得理想的宽角扫描和轴比特性。

3 结语

本文以传统圆极化阵列天线为例，围绕提高天线宽角扫描特性的具体方法进行了分析和研究。提出一种辅助辐射环结构，将该结构加载到微带贴片周围得到的天线单元，其波束宽度有所增加，同时圆极化特性未受影响。以此单元为基础形成2×2子阵，通过优化仿真确定了性能最佳的子阵排布方式。再将该子阵扩展得到8×8 矩形阵列，通过全阵仿真验证了8×8 阵列天线在大角度扫描情况下具有理想的宽角扫描特性和圆极化性能，天线在工作频段内可实现方位角360°、俯仰角±60°扫描，扫描范围内天线增益波动小于3dB，轴比小于2.8dB。最后，总结出了提高圆极化微带阵列天线宽角扫描特性的一般方法，该方法对设计宽角扫描圆极化相控阵天线具有指导意义。