基于平面环状缝隙结构的宽带高增益频率扫描阵列天线*

黄荣港，曹文权，马文宇，石树杰

（陆军工程大学，江苏 南京 210001）

0 引言

随着无线系统的快速发展，各应用场合对波束扫描天线的需求越来越大。频率扫描天线由于能够实现天线波瓣指向的快速变化，构成多波束的功能，在雷达系统中被得以大面积应用。与相控阵天线相比，此天线具有结构相对简单、小型化、易集成化等优势。

研究高性能频率扫描天线的主要目的是实现其宽扫描范围、宽带宽、高增益和结构紧凑的优点。为了增加波束扫描范围，引入强相移特性的传输线是一种有效的方法。弯折线是其中一种典型的简单传输线[1-2]。通过调整折线的长度，能够实现相移增强，因此波束扫描范围会增大。为了模拟微波和太赫兹波段的SPP，专家们提出了一种周期性的亚波长结构，称为准SPP 结构，能实现从后向到前向的宽波束扫描。因此，准SPP 慢波传输线近年来受到了越来越多的关注[3-6]。然而，由于传输损耗的增加，基于弯折线形或准SPP 传输线结构的天线增益值通常受到限制。

学者们尝试了各种方法来提高频率扫描天线的增益，如通过增加天线单元的数量来提高增益[7]，但天线尺寸会明显提高，不利于天线的小型化。此外，当单元数量足够大时，增益的增加是有限的。加载部分反射表面（Partially Reflective Surfaces，PRSs）是另一种增强增益的选择，但要以增加结构复杂性为代价[8-9]。同时，其他具有漏波特性的典型频率扫描天线也受到了关注[10-12]。在漏波天线和SIW 结构上设计特定形状的辐射缝隙，可以增加增益[13-15]。其中，文献[14]采用周期性蝶形结构，在有效减小侧瓣的同时，提高了低扫描角度的增益值。文献[15]中的“工”字型缝隙在减小尺寸的同时，将增益提高到了14.6 dBi。然而，这些设计的增益平坦度还不够好。

实际上，调整单元结构不仅可以提高增益，还可以提高增益平整度。文献[16]设计了一款宽带低交叉极化的天线，其阻抗带宽能达到51%（9.00～15.17 GHz）。天线采用平面环状缝隙结构，并通过中间贴片与周围地之间的短接线实现更好的匹配。除了具有较好的性能外，该天线结构还具有高度的对称性。因此，参考此天线单元进行改进并组阵，利用该结构的宽阻抗带宽和高增益特性设计频率扫描天线。环状结构的内部贴片采用将矩形贴片切角的方式来代替圆形贴片，以此提高天线的增益平坦度。单元结构具有较好的对称性，在此基础上将单元串联组阵，实现频率扫描特性。经过分析，当单元数量为16 时，阵列天线综合性能最好。由于单元结构的优势，设计的频扫天线在紧凑的尺寸下有较高的增益和很宽的带宽。

1 天线单元结构与分析

天线的单元结构如图1 所示，由一层介质板和两层印刷的金属组成，并在上层金属贴片上开环状缝隙。单元采用SIW 结构，在环状缝隙周围打了一圈金属通孔，以增加天线的增益。连接贴片和地的短路探针能激励起新的谐振模式，通过融合不同的谐振模式提高天线带宽。微带馈线的电磁辐射在高频时对天线造成了很大损耗，而共面波导馈线的天线仍能保证较低的损耗。在环的中心处引入一个接地极，使圆形贴片的中心与地面相接短路，从而保证那里的电场值为零，以更好地激励TM11模式。

图1 天线单元结构

在文献[16]的设计中，环形结构的内贴片和外环都是圆形的，因此环形槽的空间是有限的。为了进一步提高增益平坦度，选用正方形切四角形成的八边形贴片代替圆形贴片，这样扩大了贴片和扇形弧之间的空间。改进的环形间隙结构进一步提高了天线的增益平坦度。图2 对比了两种贴片形状的增益曲线，可以发现八边形贴片单元的1 dB 增益带宽可以达到36.1%（12.5～18.0 GHz），而圆形贴片单元的1 dB 增益带宽只能达到25%（14～18 GHz）。

图2 两种不同形状贴片增益对比曲线

高增益是本设计所采用单元的主要优点之一。图3 展示了4 种经过仿真和比较的频率扫描天线单元。图3（a）为本文提出的天线单元，图3（b）为文献[15]中漏波天线的“工”字形单元，图3（c）为文献[13-14]等多个漏波天线中使用的水平缝隙单元，图3（d）为常见波导缝隙阵列天线的纵向缝隙单元。为了更好地对比增益，4 种类型的尺寸被调整为相同的大小。

图3 4 种不同形状缝隙的单元结构

图4 的曲线反映了增益与频率的关系。可以看出，B 和D 单元的曲线分别在低频和高频出现增益下降，意味着B 型和D 型增益平坦度都不是理想的，增益带宽都比较窄。A 单元的增益曲线与C 单元的增益曲线具有相似的增益平坦度，C 单元的1 dB 增益带宽约为32.3%。然而，C 型的增益平均比所设计的增益少1.5 dB。显然，所提出的天线单元具有最高的增益和最佳的增益平整度。

图4 4 种不同单元增益曲线对比

内八边形贴片的截角直角边长度a1是影响天线的增益和增益平坦度主要因素。图5 对比了不同截断长度a1时的增益曲线。可以看出，通过调整截角的尺寸能够优化天线的增益平坦度。随着截角直角边长度a1的增加，天线在高频部分的增益提高，从而改善了整体的增益平坦度。考虑到阻抗匹配，最终a1的值选为3 mm。

图5 不同截断长度a1 下的增益曲线对比

图6 为所设计天线单元的仿真色散曲线。结果显示，在12～18 GHz，色散曲线处于快波区。此时，天线单元以辐射模式工作，覆盖了整个Ku 波段。因此，该单元在增益带宽、阻抗带宽和快波带宽之间取得了很好的一致性。实际上，该单元结构可以看作CRLH 传输线结构。在顶层，两个短路针将中心贴片和外地面连接，可视为右手电感，而贴片与地面之间的缝隙可看作左手电容，两个金属层之间形成右手电容，而左手电感是由中心的金属探针产生的。CRLH 结构保证了在形成阵列后能实现从后向到前向的波束转向。

图6 天线单元仿真色散曲线

在组阵前，对天线单元做进一步优化。表1 提供了改进后的各个尺寸值。该天线单元结构的突出优势是容易集成、体积不大、剖面不高等。图7 描绘了天线单元在15 GHz 中心频率处xoz 平面和yoz平面的辐射方向图。它的仿真相对阻抗带宽大于46%（11.7～18.6 GHz），最大增益为9.1 dBi，且天线在整个Ku 波段内的交叉极化电平控制在-30 dB 以下，在xoz 面和yoz 面主辐射方向上都保持较低的交叉极化水平。

表1 环状缝隙结构单元尺寸

图7 天线单元在15 GHz 时的仿真辐射方向图

2 天线阵列的设计与分析

天线阵列采用共面波导（Coplanar Waveguide，CPW）的馈电方式以串联形式对单元进行馈电。CPW 馈电结构易于与环形缝隙天线集成，且保证了阵列设计的宽带宽和低损耗。图8 展示了所提出的线性结构阵列天线。通过HFSS 优化后，选择相邻元素间距d为14 mm（0.7λ0）。在此尺寸下，可以在不影响天线性能的前提下将旁瓣电平降至最低。

全天线主要由3 个部分组成。第1 部分通过引入线性渐变结构作为过渡，从而在输入基片集成波导和微带线之间实现更好的匹配。第2 部分为主要辐射区域。这个区域内，信号能量将沿着天线单元依次辐射。因为天线单元有良好的对称性，馈线可以直接串行连接。相邻单元之间的馈线部分设计较为简单。第3 部分，通过在天线阵列末端直接使用开路端口来实现匹配。当单元数量足够大时，大部分能量在第2 部分已经辐射完毕，因此不需要添加匹配的负载来吸收阵列末尾的多余能量。

图8 阵列天线结构

在采用直线阵结构前，也尝试用弯折线馈电方式（见第3 章）对设计的单元结构进行组阵以拓宽频率扫描天线的扫描范围。由于此单元结构具有极强的对称性，可采用图9 的两种方式进行馈电，但两种方式馈电得到的天线副瓣电平都很高。相较于第3章中的天线和传统采用弯折线结构的漏波天线，本章采用的单元平面结构相对复杂，辐射部分以外的空间很小。加上弯折线结构使得相邻单元之间的距离过大，大于旁瓣电平最低时，单元间的最佳距离。此外，弯折线结构增加了介质损耗，不利于能量的有些辐射。因此，本章天线在阵列设计时舍弃了弯折线方式而采用更简单的直线串馈，保证了较低的副瓣电平和较高的增益。

图9 两种弯折结构阵列天线结构

增加单元数量能够改进天线的增益特性，但是当数量达到一定值时，增益增加不明显，而天线总体尺寸却大大增加。本设计中，分别对4、8、16、24、32 元的阵列进行仿真，以探讨单元数量对增益的影响。图10 对仿真结果进行了总结，展示了单元数是如何影响天线最大增益的。结果表明：当单元数量小于16时，增益随着单元数量的增加而增加；当数量大于16 时，增益随数量的变化不明显。

图10 天线峰值增益随单元数量变化曲线

图11 对比了16、24 和32 元阵列的模拟电场分布。可以看出，第16 个单元后的单元辐射能量非常小，验证了上面的结论。随着数量的增加，天线的尺寸会增大，不利于天线的小型化，因此16个单元阵列是最优选择。图12 分别给出了频率为13 GHz、15 GHz、17 GHz 条件下的16 单元阵列天线的三维辐射仿真方向图。通过观察可知，天线旁瓣抑制比较好。

图11 单元数量分别为16、24、32 时天线的电场分布

图12 阵列天线的仿真3D 辐射方向图

3 天线实测与讨论

为了验证仿真结果，对所设计的天线制作了实物并进行了实验测试。图13 为天线的实物图，阵列3 个角上的孔是为了便于加工。经过仿真验证，这些孔不会影响天线的性能。天线的整体尺寸为236.5 mm×20 mm（11.8λ0×1λ0）。

图13 天线加工实物

图14 为天线仿真和实测S参数的对比曲线。仿真的-10 dB阻抗带宽为11.5～18.1 GHz（44.6%），而实测的S11参数在13.1～14.9 GHz 波段和16.5～17.2 GHz 波段之间有一些波动，可能是由焊接误差和接头匹配误差引起的。然而，实测曲线与仿真曲线总体趋势是一致的，实测的-8 dB 阻抗带宽为11.2～18.9 GHz（51.2%）。

图14 阵列天线仿真与实测S 参数对比

图15 为在不同频点下xoz 平面上的辐射方向图。天线能实现从-24°～+27°范围内的扫描，且实测曲线与仿真曲线吻合较好。与模拟的14.0～19.4 dBi 的最大增益相比，实测的最大增益为14.0～19.1 dBi。受加工和测量条件限制，可见结果在误差允许范围内。

图15 频率扫描天线仿真（虚线）与实测（实线）增益曲线

本文所设计的频率扫描天线可以在不牺牲电尺寸和扫描范围的前提下获得更高的辐射增益。此外，该天线的阻抗带宽较其他天线更宽，可以覆盖整个Ku 波段。所有这些优势都得益于对高增益宽带单元天线的改进利用。

4 结语

本文设计了一种高增益的宽带频率扫描天线阵列。该阵列单元采用一种改进的宽带低交叉极化平面环形缝隙单元，给出了天线设计的理论分析和参数讨论。阵列呈直线排列，结构紧凑。此外，给出了反射系数、增益和方向图等仿真和实测结果。结果显示，在12～18 GHz 的工作频段，测量增益为14.7～19.1 dBi，扫描范围为-24°～+27°。