宽角扫描相控阵天线

刘春梅，肖绍球，樊 星，柏艳英，李 梅

(电子科技大学，成都 610500)

宽角扫描相控阵天线

刘春梅，肖绍球，樊 星，柏艳英，李 梅

(电子科技大学，成都 610500)

针对导弹精确制导系统及无人机侦察的应用需求，围绕机载扫描相控阵天线低成本、小体积的技术难题，开展了一系列宽角扫描相控阵技术的研究。基于可重构技术, 利用有源器件加载，实现了具有较宽扫描范围的平面相控阵； 利用表面波辅助，拓宽天线单元的波束宽度，完成了具有较低剖面、易加工、易集成的工程可实现的宽角扫描相控阵天线的设计； 基于镜像理论，设计了易实现、可用于二维扫描的新型磁偶极子，实现了上半空间内较大范围的扫描。

平面相控阵; 宽角扫描； 可重构技术； 表面波辅助； 镜像理论； 低剖面

0 引 言

平面天线作为目前较流行的天线类型，其独特的优势，如体积小、低剖面、易集成等[1-3]，使其成为通信、雷达系统的核心部分，但平面相控阵天线较窄的扫描范围[4-5]也使其在现代战场环境中的应用受到较大限制。在目标跟踪与制导雷达

系统中，具有在宽角度范围内波束扫描能力的天线系统，是系统在大范围内进行探测和跟踪目标、精确靶向定位等的关键保障，也是目标探测、通信与制导等信息系统研究的主要内容之一。

对于平面相控阵天线，根据方向图乘积原理[6]，其扫描范围取决于其天线单元的波束宽度及其阵列排布方式。因此，为拓展平面相控阵天线的扫描范围，需要研究波束宽度较宽的天线单元。微带天线是平面天线的一种，其简单的加工方式使其成为目前主流的天线类型。传统的微带天线受地板的边界条件限制，3 dB波束宽度大约为±45°左右，为了展宽微带天线单元的波束宽度，通常采用增加天线剖面、减小地板大小, 或设计三维地等方法。文献[7-8]通过增加微带贴片天线的介质基板厚度，实现对天线单元的波束展宽，3 dB波束宽度为±60°左右。文献[9-11]通过对地板进行优化设计拓宽波束，但是这种方式不利于加工，且不适用于高度集成的现代相控阵雷达系统。

本文针对导弹精确制导及无人机侦察等应用需求，提出适用于高度集成的现代武器装备系统的宽角扫描平面相控阵新方法，发展了相控阵天线新理论。

1 基于可重构技术的宽角扫描相控阵

基于可重构技术的宽波束天线单元，将辐射区域分为多个子区域，利用可重构技术，加载开关等有源器件。开关状态不同时，天线辐射口径上的电流分布不同，因此，天线的辐射方向图不同，每一种开关状态对应不同的子区域，通过切换开关的状态，动态实现整个区域的波束覆盖。

1.1 方向图可重构天线

由于地板的影响，微带偶极子天线具有一定的方向性，辐射方向为边射，波束宽度较窄。为展宽其波束宽度，在微带偶极子天线附近加载寄生单元，利用可重构技术，在寄生单元上加载开关，如图1所示。

图1 方向图可重构宽波束天线单元结构

通过控制开关的状态，调节寄生单元的有效长度，改变其反射和引向的作用，实现方向图重构，由于其工作原理与八木相似，因此称其为可重构微带八木天线。K1，K2为图1中左边寄生单元上的开关，K3，K4为图1中右边寄生单元上的开关。当K1，K2为开状态，K3，K4为关状态时，天线单元的辐射向右偏转，最大指向为40°，3 dB波束覆盖范围为+8°～+76°，此为右偏模式； 当K1，K2为关状态，K3，K4为开状态时，天线单元的辐射向左偏转，最大指向为40°，3 dB波束覆盖范围为-10°～-77°，此为左偏模式； 当K1，K2，K3，K4均为开状态时，天线单元的辐射指向其法向，3 dB波束覆盖范围为-53°～+53°，此为边射模式。左偏、右偏及边射模式如图2所示。可以看出，通过这三种模式的切换，天线单元能够实现较大范围内的波束覆盖。

图2 方向图可重构天线单元左偏、右偏及边射模式

1.2 可重构天线阵列

基于可重构技术的微带八木天线的3 dB波束覆盖为-77°～+76°，将该天线单元应用到平面阵列天线中，在H面按照最佳加权稀布阵方式排列，如图3所示，该方式有效降低了单元间互耦对阵元工作特性的影响。

图3 基于方向图可重构单元的稀布阵列设计

在阵列环境中，阵元的有源反射系数较好，见图4，从而保证在扫描区域内不会出现扫描盲点，进一步提高了天线阵列的可靠性。当相控阵扫描到左子区域时，所有天线单元工作于左偏模式，在此基础上，再对各天线单元进行相应的馈相，其实现难度大大降低，扫描角度展宽，阵列主波束的3 dB增益波动扫描范围为-7°～-70°，相较于传统天线阵列，基于方向图可重构的相控阵具有更高的灵活性。同理，扫描到右子区域时，均工作于右偏模式，阵列主波束的3 dB增益波动扫描范围为

图4 阵元有源反射系数

+7°～+70°。扫描到中间区域时，天线单元均工作于边射状态，其增益几乎不变，其阵列扫描结果见图5。同时，其稀布阵的布阵方式使其在整个扫描范围内具有较小的副瓣电平，在雷达系统中，有利于其抗干扰性能的提高。

图5 阵列扫描结果

2 利用表面波辅助展宽天线波束宽度

针对微带天线波束较窄的问题，提出一种新型宽波束天线，即表面波辅助的宽波束天线单元。由于地板的边界条件限制，传统的微带天线中电磁波无法沿端射方向传播。因此，在低仰角处增益减小。为突破该限制，提出了将辐射源放置在支持表面波传播的表面波导结构上，表面波沿端射方向传播并产生辐射，补偿辐射源在端射方向的增益下降，实现对原辐射源的波束宽度的展宽。

2.1 表面波辅助的宽波束天线单元

高阻抗表面的结构具有周期性，可以支持漏波和表面波的传播，为天线设计提供了新方法。将辐射源放置在高阻抗表面上方，利用近场耦合激励高阻抗表面波导结构，使电磁波沿端射方向传播，在边缘截断处衍射，从而实现对原天线单元的波束展宽。

首先需要设计支持表面波传播的高阻抗表面(HIS)。HIS结构由周期性排列的亚波长结构组成，用比较典型的蘑菇状结构作为单元，构造7×5的HIS结构，如图6所示。该结构支持2.3 GHz以上的沿y方向传播的TE模式表面波。

图6 蘑菇状的HIS结构

基于HIS的线天线结构如图7所示，线天线直接放置于所设计的作为地板的HIS结构上方。采用50 Ω的SMA接头进行馈电，优化馈电位置，实现良好的阻抗匹配。

图7 基于HIS的线天线结构

仿真与实测方向图结果如图8所示，可以看出，线天线单元放置在邻近HIS结构上方0.01λ0时，其波束依然保持较好的边射辐射特性，且由于HIS支持表面波传播，表面波的边沿衍射使其在端射方向上的增益得到补偿，相对于未加载HIS结构的线天线，该线天线单元表现出宽波束的辐射特性。

图8 基于HIS的线天线的H面辐射方向图

2.2 基于表面波辅助的宽角扫描相控阵

利用2.1节提出的基于HIS 的线天线单元构建八单元阵列，实现在上半空间的大范围扫描，其结构如图9所示。

为避免栅瓣出现，阵元间距设计在半波长以内。阵列单元的有源单元方向图的仿真与实测结果如图10所示，可以看出，实测结果与仿真吻合较好，且各天线单元均表现出宽波束特性。改变天线单元间相位差，使阵列主波束进行扫描，仿真与实测结果如图11所示，阵列天线主波束的3 dB 扫描范围为-85°～+85°，且在整个扫描范围内，具有较低的旁瓣电平，交叉极化较低。

图9 基于HIS的宽角扫描线阵

图10 各天线单元的有源单元方向图

图11 基于HIS的线阵扫描结果

该阵列天线结构简单、加工误差较小，且扫描范围大、旁瓣电平低，同时具有较低的剖面(0.05λ0)，非常适用于高度集成的现代机载雷达系统。

3 平行于地板的新型磁偶极子

基于表面波辅助的宽角扫描相控阵为天线的低剖面设计提供了新思路，通过构建同相反射面，线天线可以邻近放置于地板上方，使天线在较低的剖面情况下保持良好的边射辐射。根据镜像原理，理想情况下，平行放置于邻近地板的磁流源在上半空间同样具有准全向的辐射特性。因此，构建平行于地板的磁流源是实现低剖面宽角扫描相控阵的新方法。

3.1 新型磁偶极子天线单元

实际情况下，并不存在磁流源，但是一些天线类型可以等效成磁流源，例如缝隙天线、小环天线等，缝隙天线的主流实现方式是在波导上开槽，但这种方法并不适用于高度集成的雷达系统。文献[12-13]提出了通过将微带贴片的三边短路，一边开路，构造等效磁流源，虽然其在E面具有很宽的波束宽度，利用该单元组成的E面阵列可以实现宽角扫描[14-15]。但是，其在H面的尺寸大于半个波长，由于栅瓣条件的限制，该结构不适用于在H面进行组阵，从而限制了其在二维相控阵上的应用。基于此，提出一种新型的微带磁偶极子，其结构尺寸小，非常有利于在二维方向的布阵。

新型微带磁偶极子结构如图12所示。对于传统的微带贴片天线，其辐射边为E面方向上的两条间距为半波长的等效磁流源，由于阵因子贡献，二单元等效磁偶极子天线阵具有一定的方向性，其波束宽度大约为90°。为避免阵因子贡献，将两辐射边短路，同时在贴片中间开缝，根据腔模理论可知，其主模为TM01模； 根据边界条件可以得出，电场在贴片中间最大； 基于等效原理，中间开槽的贴片天线可以等效为磁流源。因此，该天线具有低剖面特性的同时，在上半空间还表现出准全向辐射特性。

图12 新型磁偶极子结构图

实测与仿真方向图结果如图13～14所示。

图13 新型磁偶极子的E面辐射方向图

由图可以看出，实测结果与仿真吻合较好，其单元在E面表现出宽波束特性，半功率波束宽度为150°，相对于文献[12]中的磁偶极子，其H面波束宽度展宽，半功率波束宽度为90°(文献[12]中的磁偶极子在H面半功率波束宽度为40°)，且天线尺寸减小，适用于二维宽角扫描相控阵的应用。

图14 新型磁偶极子的H面辐射方向图

3.2 基于新型磁偶极子的宽角扫描相控阵

由于其E面波束较宽，因此，在E面方向组建了九元线阵，为验证其单元对宽角扫描的贡献，采取等间距布阵，单元间距为0.4λ，阵列结构如图15所示，由于天线单元两边有金属化过孔，破坏原本的支持表面波传播的带地介质板表面波导结构[7, 16]，从而消除了大角度扫描时可能出现的盲点，中间开槽的结构使得近距离放置的天线单元间的空间耦合减小，因此，天线单元在阵列环境中能够较好地保持其E面宽波束辐射特性，非常有利于该方向的宽角扫描。采取等幅馈电，通过对各单元的初始相位进行调节，使得阵列主波束发生偏转。仿真与实测结果如图16所示。

图15 基于新型磁偶极子的E面线阵

该阵列可以实现-76°～+76°的3 dB增益波动扫描，扫描范围内无盲点，且在等幅馈电的情况下，扫描范围内的旁瓣电平都在-10 dB以下，交叉极化均小于-40 dB, 各项指标均符合工程应用中的要求, 且其剖面低(0.03λ)、结构简单、成本低，适用于军用以及商用宽角扫描相控阵。

相较于文献[12]中的微带磁偶极子，提出的新型微带磁偶极子在H面上的尺寸大大减小，因此，在该方向上同样组建九元线阵，其结构如图17所示。与E面线阵相同，采取等间距布阵，单元间距为0.4λ； 与E面线阵不同的是该方向上的耦合作用有利于其波束展宽[17-18]。仿真与实测结果如图18所示。

图16 阵列扫描结果

图17 基于新型磁偶极子的H面线阵

图18 阵列扫描结果

采取等幅馈电，调节各单元间初始相位，使阵列主波束发生偏转。仿真与测试结果吻合较好，其主波束的3 dB增益波动扫描范围为-64°～+64°，但其旁瓣电平较高，需要通过优化口径分布来降低，同时带来阵列口径效率的降低，因此在实际应用中，需综合考虑。

由于其E面及H面线阵均具有较宽的扫描范围，该单元在二维宽角扫描面阵中具有较大应用潜力，在此基础上，构建9×9面阵，其扫描范围相对于线阵降低，后期将对该阵列进行优化设计，通过调节布阵等方式，改善扫描性能。

4 结 论

针对现代武器装备系统的低剖面、高度集成等问题，提出了多种解决方案，突破平面相控阵扫描范围有限等关键技术，首先提出利用可重构技术，构造方向图可重构宽波束天线单元，组阵实现了上半空间的大范围低增益波动扫描； 其次，首次提出通过构造周期性超表面，利用表面波的边沿衍射，补偿边射天线在端射方向上的低增益辐射，展宽其波束宽度方案，组阵实现了上半空间的准全空间扫描； 最后，基于镜像理论，构建新型微带磁偶极子，其结构简单，适用于二维低剖面宽角扫描相控阵应用，基于该单元完成了E面及H面宽角扫描相控阵的设计。

[1] Schmidt F. Low-Cost Microstrip Phased Array Antenna for Use in Mobile Satellite Telephone Communication Service[C]∥Antennas and Propagation Society International Symposium,1987.

[2] Harrington R F. Time-Harmonic Electromagnetic Field[J].Physics Bulletin, 1961, 29(2): 395-423.

[3] Mailloux R J. Phased Array Antenna Handbook[M]. 2nd ed. Norwood, MA, USA: Artech House, 2005.

[4] Kedar A, Beenamole K S. Wide Beam Tapered Slot Antenna for Wide Angle Scanning Phased Array Antenna[J]. Progress in Electromagnetics Research B, 2011, 27(27):235-251.

[5] Valavan S E, Tran D, Yarovoy A G, et al. Planar Dual-Band Wide-Scan Phased Array in X-Band[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2014, 62(10): 5370-5375.

[6] Stutzman W L, Thiele G A. 天线理论与设计[M]. 朱守正，安同一, 译. 北京:人民邮电出版社, 2006: 80-126.

[7] Ding Zhoufu, Xiao Shaoqiu, Liu Changrong, et al. Design of a Broadband, Wide-Beam Hollow Cavity Multilayer Antenna for Phased Array Applications[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2015, 15: 1040-1043.

[8] Huang Bin, Yao Yuan, Feng Zhenghe. A Novel Wide Beam Dual-Band Dual-Polarization Stacked Microstrip-Dielectric Antenna[C]∥ International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology, 2007: 1-4.

[9] Ta S X, Choo H, Park I, et al. Multi-Band, Wide-Beam, Circularly Polarized, Crossed, Asymmetrically Barbed Dipole Antennas for GPS Applications[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(11): 5771-5775.

[10] Su C W, Huang S K, Lee C H. CP Microstrip Antenna with Wide Beam Width for GPS Band Application [J]. Electronics Letters, 2007, 43(20): 1062-1063.

[11] Wang Ren, Wang Bingzhong, Ding Xiao, et al. Planar Phased Array with Wide-Angle Scanning Performance Based on Image Theory[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2015, 63(9): 3908-3917.

[12] Liu Juhua, Jackson D R, Long Yunliang. Propagation Wavenumbers for Half- and Full-Width Microstrip Lines in the EH1 Mode[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques, 2011, 59(12): 3005-3012.

[13] Liu Juhua, Xue Quan. Microstrip Magnetic Dipole Yagi Array Antenna With Endfire Radiation and Vertical Polarization[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(3): 1140-1147.

[14] Wen Yaqing, Wang Bingzhong, Ding Xiao. A Wide-Angle Scanning and Low Sidelobe Level Microstrip Phased Array Based on Genetic Algorithm Optimization[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2016, 64(2): 805-810.

[15] Wen Yaqing, Wang Bingzhou, Ding Xiao. Wide-Beam Circularly-Polarized Microstrip Magnetic-Electric Dipole Antenna for Wide-Angle Scanning Phased Array[J]. IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters, 2016(99)：1.

[16] Awida M H, Kamel A H, Fathy A E. Analysis and Design of Wide-Scan Angle Wide-Band Phased Arrays of Substrate-Integrated Cavity-Backed Patches[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 2013, 61(6): 3034-3041.

[17] Hannan P , Lerner D, Knittel G. Impedance Matching a Phased-Array Antenna over Wide Scan Angles by Connecting Circuits[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1965, 13(1): 28-34.

[18] Amitay N. Improvement of Planar Array Match by Compensation through Contiguous Element Coupling[J]. IEEE Transactions on Antennas & Propagation, 1966, 14(5): 580-586.

Wide-Angle Scanning Phased Array Antenna

Liu Chunmei, Xiao Shaoqiu, Fan Xing, Bai Yanying, Li Mei

(University of Electronic Science and Technology of China ，Chengdu 610500，China)

In view of the application requirement of missile precision guidance system and UAV reconnaissance, a series of researches on the technology of wide-angle scanning phased array are carried out, based on the technical problems on low cost and low volume of airborne scanning phased array antenna. Using reconfigurable technology, the wide scanning range on planar phased array is realized by active device loading. Using surface-wave assistant method, the beam width of antenna element is broadened, and a design of wide-angle scanning phased array antenna with low profile, easy processing and easy integration is completed. Based on image theory, a new type of magnetic dipole, which is easy to realize and can be used in 2D scanning, is designed to realize a larger range scan on upper half space.

planar phased array; wide-angle scanning; reconfigurable technology; surface-wave assistant; image theory; low profile

10.19297/j.cnki.41-1228/tj.2016.06.001

2016-10-11

国家自然科学基金项目(61271028； 61271027)

刘春梅(1992-)，女，四川成都人，博士研究生，研究方向为天线理论与设计，宽角扫描相控阵。

TN820.2

A

1673-5048(2016)06-0003-06