加载超材料的低副瓣微带阵列天线

黄 进，官伯然，徐 靖

(杭州电子科技大学 天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018)

加载超材料的低副瓣微带阵列天线

黄 进，官伯然，徐 靖

(杭州电子科技大学 天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018)

针对微带阵列天线副瓣电平难抑制的问题，通过在天线接地板上加载H型超材料的方法，设计了一款低副瓣微带阵列天线。利用HFSS对阵列天线进行仿真设计，将H型结构的超材料刻蚀在阵列天线的金属接地板上，比较天线在加载H型超材料前后的副瓣电平，并对设计完成的天线进行加工制作。仿真和测试结果表明，在15.25 GHz、15.35 GHz和15.45 GHz这3个频点处，加载了H型超材料的天线与原天线相比，副瓣电平分别下降了2.7 dB、3.4 dB和2.9 dB。

微带阵列天线；H型超材料；回波损耗；低副瓣

微带天线具有体积小、重量轻、低剖面、易与射频馈电电路集成等优点[1],被广泛应用于卫星、导航以及雷达等系统中。在现代战争中，为了提高雷达天线的抗干扰能力，必须采用副瓣电平尽可能低的天线。低副瓣电平天线能够有效的避免雷达被反辐射导弹袭击。

为了降低微带阵列天线的副瓣电平，国内外学者展开了广泛的研究，提出了一系列的方法来降低阵列天线的副瓣电平，例如加载开口谐振环[2]、增加反射器[3-4]等。超材料具有增强天线的聚束性能[5]，改变天线的匹配负载[6-7]等优点，本文将H型超材料加载到阵列天线金属接地板上，采用HFSS对H型超材料和加载了H型超材料的天线进行仿真设计，结果表明，该方法能够在不改变天线的结构和大小的情况下，有效降低了微带阵列天线的副瓣电平。

1 天线设计

1.1 天线阵列单元的设计

微带贴片单元是组成微带阵列天线最基本的元素之一，常见的微带天线的贴片形状有矩形、圆形、多边形等[8-10]，在工程应用中，为了降低阵列天线加工制作和端口匹配的难度，通常采用矩形贴片天线作为微带阵列天线的基本阵列单元。

矩形微带贴片天线的尺寸可以根据以下理论公式进行估算[11]

(1)

(2)

式中，W和L分别为矩形贴片天线的宽和长；εe为介质的有效介电常数；ΔL为等效缝隙辐射长度。

采用Rogers RT/duroid 5 880(tm)作为天线的介质基板，其介电常数为2.2；损耗正切为0.000 9、厚度为0.787 mm。当天线的中心工作频率为15.35 GHz时，按上述计算公式计算得出矩形贴片天线的长度L=6.1 mm，宽度W=7.9 mm。矩形贴片的边缘阻抗一般在100～300 Ω之间，并沿着中线向贴片中心方向逐渐减小，为了馈电网络设计的方便，选用插入式馈电方式[12]。矩形微带贴片天线的结构如图1所示，其中，I=0.7 mm；t=0.975 mm；s=0.35 mm。

图1 插入式馈电微带贴片天线

1.2 H型超材料

超材料的结构单元如图2(a)所示，该结构单元基于两个相同大小的矩形开口谐振环，谐振环之间通过一段铜线相连形成H型的结构。H型超材料结构单元的具体参数：长度l为3.7 mm,宽带w为2.6 mm，开口间距d为0.7 mm，线宽c为1 mm，两个谐振环之间的间隙h为0.5 mm，铜线的宽度g为0.3 mm。

图2 超材料结构单元和仿真模型

采用三维电磁仿真软件HFSS对单元结构进行仿真分析，将超材料的结构单元置于矩形波导两个端口的中间，HFSS仿真模型如图2(b)所示。矩形波导垂直于Y轴的上下两面设置为理想电壁(PEC)，垂直于Z轴的前后两面设置为理想磁壁(PMC)，垂直于X轴的左右两面设置为两个波端口Port1和Port2。电磁波将沿着X轴方向平行于材料表面传播，电场方向和磁场方向分别沿Y轴和Z轴。经仿真分析可以得到两个端口之间的反射系数S11和透射系数S21。根据文献[13～15]给出的方法可以得到单元结构的等效介电常数ε。计算得到的等效介电常数 如图3所示。从图3中可以看出，在15.25～15.4 GHz频带范围内，H型单元结构的等效介电常数ε<0，具有超材料特性。

图3 超材料等效介电常数

1.3 天线设计与加工

在完成天线的阵列单元以及H型超材料的结构分析与设计以后，需对整个微带阵列天线进行设计。设计采用泰勒分布实现天线的组阵，其结构如图4所示。

图4 天线仿真图

阵列天线正面结构如图4(a)所示，阵列天线包括12个矩形微带贴片单元，采用串联馈电的方式将12个微带贴片天线单元组成了一个1×12的直线阵，阵列单元的初始间距为一个波长。图4(b)是天线背面结构。将H型超材料蚀刻在阵列天线的金属接地板上，H型超材料在两个微带贴片单元之间。所设计的加载H型超材料的天线尺寸如表1所示。Wp和Lp分别阵列单元的宽和长，Wa和La是接地板的宽度和宽带，dz为两个阵元之间的距离。最后对优化完成后的天线进行加工制作，天线的实物如图5所示。

表1 天线尺寸表 /mm

图5 天线实物图

2 仿真和实验结果

利用Rohde&Schwarz公司的 ZVB4矢量网络分析仪对微带阵列天线的电压驻波比进行测量。图6给出了加载H型超材料的天线和原天线的驻波比，从图中可看出，在15.25～15.45 GHz频段内，天线的驻波比均<1.76，表明天线阻抗匹配良好。由于天线加工制作的过程中存在误差，焊接的SMA连接器也会对天线的驻波比产生影响，测试结果和仿真结果之间不可避免的存在一定范围内的误差。

图6 天线测试和仿真驻波比曲线

在微波暗室中对阵列天线的方向图进行测试。天线在15.25 GHz、15.35 GHz和15.45 GHz频率处H面归一化方向图如图7所示。分析图7数据可知，加载H型超材料的阵列天线在3个频点处的方向图测试结果和仿真结果基本吻合。天线在15.25 GHz、 15.35 GHz和15.45 GHz3个频点处天线的副瓣电平分别为-17.6 dB、-18.1 dB和-17.9 dB，与未加载超材料的阵列天线相比，副瓣电平分别降低了2.7 dB、3.4 dB和2.9 dB。可见，通过在微带阵列天线的金属接地板上加载H型超材料的方法，能够有效降低阵列天线的副瓣电平。

图7 天线在不同频点处的归一化方向图

3 结束语

本文通过在天线的金属接地板上加H型超材料的方法，成功设计了一款低副瓣阵列微带天线。该方法易于实现、加工简单、无需耗费成本，在不改变天线的结构和大小的情况下，能有效降低微带阵列天线的副瓣，为降低阵列天线的副瓣电平的研究提供了一种新思路。

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Metamaterial Loaded Microwave Array Antenna with Low Sidelobe Level

HUANG Jin,GUAN Boran,XU Jing

( Institute of Antenna and Microwave Technology,Hangzhou Dianzi University,Hangzhou 310018,China )

A new method for obtaining low sidelobes pattern in a planar microwave array antenna is proposed. The method involves the addition of H-shaped metamaterial etched on the metal ground plate of the array antenna and a low sidelobe microstrip array antenna is designed by this method. The sidelobe level of the antenna is simulated and analyzed before and after the H-shaped metamaterial is loaded by 3D electromagnetism simulation software HFSS. Simulation and test results show that the antenna loading H-shaped metamaterial has lower sidelobe level of 2.7 dB,3.4 dB and 2.9 dB at 15.25 GHz,15.35 GHz and 15.45 GHz,respectively,compared with the original antenna.

microstrip array antenna; H-shaped metamaterial; return loss; low sidelobe level

TN821+.91

A

1007-7820(2017)11-001-04

2017- 01- 04

国家自然科学基金(60673143)；浙江省科技计划基金(2006C21020)

黄进(1991-)，男，硕士研究生。研究方向：天线与微波技术。官伯然(1955-)，男，博士后，教授，博士生导师。研究方向：天线与微波技术。徐靖(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：天线与微波技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.11.001