超材料覆层扩大相控阵天线的波束扫描范围

施 群，邹火儿

(1.海军702厂， 上海200434； 2.中国电子科技集团公司第五十四研究所， 石家庄050081)

0 引言

相控阵天线是由天线单元周期性排列形成的，通过T/R组件控制天线单元之间的相位差，可以灵活精确地在宽角度扫描范围内控制出射波束的指向。

相控阵天线最早应用于雷达中，探测高空处的飞行目标。近年来，相控阵技术开始进入卫星通信领域，装载在移动载体上的相控阵天线，能够根据载体与卫星的相对位置信息，及时地调整波束的指向，实现移动过程中的无间断通信。传统的移动载体通信，通过二维的机械扫描和伺服控制，准确对准天线的波束方向和卫星位置。但这种二维机械扫描技术存在天线剖面高、重量大等缺陷，相应的转动惯量很大，严重影响波束的控制速度和指向精度。

相控阵技术使用电子手段进行无惯量扫描，波束指向精度高、调整速度快。但相控阵天线需要使用大量T/R组件，成本非常高昂。相控阵技术另一个缺陷是大角度扫描困难。首先，大角度扫描时，相控阵天线的等效口面面积变小，波束发生展宽，方向性和增益下降严重;其次，大角度扫描需要布列周期非常小，接近半个波长，在这种紧布阵的天线系统中，天线单元之间的互耦非常严重，它会显著改变相控阵天线的有源阻抗，导致大量的能量无法辐射，降低天线效率。

超材料是一种由人工设计的“超粒子”组成的复合材料，其等效的电磁响应可以超出自然材料的限制［1］。左手材料是一种典型的超材料，它的介电常数和磁导率同时为负，在左手材料与普通自然材料的交界面，电磁波会发生负折射现象［2］。利用负折射现象制作成的超透镜，可以让携带物体细节信息的电磁场无损失地聚焦成像，其成像分辨率可以打破衍射极限［3］。超材料还可以设计出隐身外壳，引导入射的电磁波像水流一样从隐身外壳绕过，而不进入壳体内部，实现直正意义的透射隐身［4］。

超材料的设计思想可以应用于各种电磁波段。在微波段，超材料的结构设计和加工最为成熟，是能够最先取得实际应用的电磁频段。超材料技术可以突破传统微波技术的瓶颈和短板，在微波器件和微波天线方面实现工程化设计。目前，超材料技术已经成功地用于天线增益提升、旁瓣抑制、天线散射截面缩减等方面。

1 相控阵天线的阵因子以及栅瓣特性分析

本文提出了一种基于超材料覆层的技术方案，用于增加相控阵天线的波束扫描范围，普通相控阵天线的扫描范围受到阵因子的限制。若天线单元的布阵周期为p，则出现栅瓣时的主波束扫描角度θ满足

在布阵周期p=0.667λ0的情况下，出现栅瓣时的波束扫描角度仅为30°。若要求波束能够在±45°范围内进行扫描，则要求布阵p=0.586λ0。布阵周期越小，需要的T/R组件越多，成本相应大幅上升。同时，天线互耦变强，天线单元设计难度变大，散热和温控系统设计也变得异常复杂。

图1为p=0.667λ0时，相控阵天线在不同主波束指向时的阵因子。由图1可知，当主波束扫描到30°时，在相控阵对侧的低仰角处，已经出现栅瓣;当主波束扫描到45°时，在-53°会出现完整的栅瓣。此时天线的辐射效率严重下降，噪声温度升高，抗干扰性能变差。

图1 不同主波束指向时的阵因子

2 扩大波束扫描范围的技术手段

针对上述问题，文中提出一种基于超材料覆层的解决方案。在相控阵的每个天线单元口面加载两种折射率略有不同的超材料，可以调节整个阵面的相位分布，减小栅瓣电平，扩大扫描角度范围。

本文研究的喇叭口相控阵天线如图2所示，设计的工作频率为10 GHz。它是一种小规模的相控阵天线，由1×7个单元拼阵形成。喇叭口天线单元的激发波导口尺寸为18 mm×9 mm，辐射口面尺寸为38 mm×18 mm，金属壁厚1 mm。天线单元沿x方向周期排列，周期间距p=20 mm。电磁波自由空间波长λ0=30 mm，因此，p=0.667λ0。由上述阵因子计算可知，对该空喇叭口相控阵天线，当主波束扫描到30°时会出现栅瓣。这种±30°的波束覆盖范围远不够满足实现的工程需求。因为波导口的窄边方向为x方向，因此，这种相控阵天线是一种E面波束扫描的天线。

为了扩大天线的波束扫描范围，可以在喇叭口面添加一定厚度的超材料结构，调节辐射口面场分布，其示意图见图2b)～图2c)。所使用的超材料有两种，它们的折射率略有差异。超材料1的折射率n1=1.2，超材料2的折射率n2=1.4。两种超材料的厚度hmeta相同，满足hmeta=18.75 mm。这里使用的超材料是一种与自由空间匹配的超材料，即介电常数与磁导率相等，这样可以保证电磁波高效地透过超材料覆层。10 GHz的电磁波经过两块超材料后，相移差δ为

式中:k0为电磁波在自由空间的波数。将这两种超材料周期性排布于相控阵阵面，它可以使用电磁场的相位分布更加精细，从而抑制栅瓣电平。

图2 喇叭口相控阵天线

下面实际分析一下加载的周期性超材料结构对辐射场的调节作用。用电磁仿真软件CST的全波计算方法，可以得到加载超材料覆层的相控阵天线的辐射方向图和场分布。控制相邻波导激发端口的相位差α，可以改变主波束的辐射方向θ，二者之间的关系为

分析空喇叭相控阵天线的性能指标，从图3中的计算结果可知，当主波束指向为 0°，15°，30°，45°时，空喇叭相控阵天线的增益分别为17.8 dB、17.6 dB、15.8 dB和12.5 dB，相应的旁瓣抑制水平为-13.2 dB、-12.5 dB、-7.6 dB和-1.6 dB。由计算结果可知，这种周期较大的相控阵天线，当主波束扫描到30°时已经出现较为明显的栅瓣，造成增益下降和天线效率降低。当主波束扫描到60°时情况更加严重，主波束与栅瓣的幅度只有1.6 dB的差别，这时，相控阵天线已经无法正常工作。

图4为空喇叭相控阵天线在主波束指向为30°和45°时相控阵天线的电场分布。因为布列周期较大，相邻天线单元之间的相位变化较为剧烈，相位台阶很大，导致天线的辐射方向图变差。

图3 空喇叭相控阵天线的增益方向图

图4 空喇叭相控阵天线在主波束指向为30°和45°时的电场分布

由以上的分析可知，这种相控阵天线在大角度扫描时方向性变差是因为相位台阶过大。而加载了超材料覆层的相控阵，则可以将辐射口面的相位精细化，大大改善天线的辐射特性。

图5 为主波束指向为0°，15°，30°，45°时，加载了超材料的相控阵天线的增益方向图。在这四个指向角度下，天线的增益分别为18.8 dB、18.6 dB、17.0 dB和14.7 dB，相应的方向图旁瓣分别为-12.9 dB、-12.7 dB、-11.5 dB和 -7.3 dB。相比未加载超材料的空喇叭相控阵，加载的超材料有效地提高了天线的增益，降低了天线的旁瓣，这种效果在大角度扫描时尤其明显。比如，45°波束扫描时天线的增益提高了2.2 dB。

图5 加载超材料的相控阵天线的增益方向图

为了更清楚地体现超材料在方向性改善上的作用，图6为两个大角度扫描时(30°和45°)，相控阵天线的场分布。由图中场分布可知，加载超材料后辐射口面的相位变化更为平缓，这意味着天线的辐射方向更加集中，增益相应提高。

3 结束语

本文提出了一种基于超材料覆层的扩大相控阵天线E面波束扫描范围的技术手段。这处技术手段只需要使用两种折射率略有差异的超材料，材料损耗小，设计方便。在本文的设计中，空喇叭相控阵在30°扫描时，旁瓣抑制水平已经高达-7.6 dB，而超材料加载的相控阵，在45°扫描时，旁瓣抑制水平为-7.3 dB。超材料相当于将波束的扫描范围扩大了15°。为了进一步提高天线增益，可以增加两个维度上的天线单元数量。这种技术手段使用的超材料为平面结构，相应的剖面低，适合推广到大规模布阵中。

［1］ Pendry J.Photonics:metamaterials in the sunshine［J］.Nat Mater，2006，5(8):599-600.

［2］ Veselago V G.The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of permittivity and permeability［J］.Soviet Physics Uspekhi，1968，10(4):509-514.

［3］ Pendry J B.Negative refraction makes a perfect lens［J］.Physical Review Letters，2000，85(18):3966.

［4］ Schurig D，et al.Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies［J］.Science，2006，314(10):977-980.