超材料覆層擴大相控陣天線的波束掃描范圍

施 群，鄒火兒

(1.海軍702廠， 上海200434； 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所， 石家莊050081)

0 引言

相控陣天線是由天線單元周期性排列形成的，通過T/R組件控制天線單元之間的相位差，可以靈活精確地在寬角度掃描范圍內控制出射波束的指向。

相控陣天線最早應用于雷達中，探測高空處的飛行目標。近年來，相控陣技術開始進入衛(wèi)星通信領域，裝載在移動載體上的相控陣天線，能夠根據(jù)載體與衛(wèi)星的相對位置信息，及時地調整波束的指向，實現(xiàn)移動過程中的無間斷通信。傳統(tǒng)的移動載體通信，通過二維的機械掃描和伺服控制，準確對準天線的波束方向和衛(wèi)星位置。但這種二維機械掃描技術存在天線剖面高、重量大等缺陷，相應的轉動慣量很大，嚴重影響波束的控制速度和指向精度。

相控陣技術使用電子手段進行無慣量掃描，波束指向精度高、調整速度快。但相控陣天線需要使用大量T/R組件，成本非常高昂。相控陣技術另一個缺陷是大角度掃描困難。首先，大角度掃描時，相控陣天線的等效口面面積變小，波束發(fā)生展寬，方向性和增益下降嚴重;其次，大角度掃描需要布列周期非常小，接近半個波長，在這種緊布陣的天線系統(tǒng)中，天線單元之間的互耦非常嚴重，它會顯著改變相控陣天線的有源阻抗，導致大量的能量無法輻射，降低天線效率。

超材料是一種由人工設計的“超粒子”組成的復合材料，其等效的電磁響應可以超出自然材料的限制［1］。左手材料是一種典型的超材料，它的介電常數(shù)和磁導率同時為負，在左手材料與普通自然材料的交界面，電磁波會發(fā)生負折射現(xiàn)象［2］。利用負折射現(xiàn)象制作成的超透鏡，可以讓攜帶物體細節(jié)信息的電磁場無損失地聚焦成像，其成像分辨率可以打破衍射極限［3］。超材料還可以設計出隱身外殼，引導入射的電磁波像水流一樣從隱身外殼繞過，而不進入殼體內部，實現(xiàn)直正意義的透射隱身［4］。

超材料的設計思想可以應用于各種電磁波段。在微波段，超材料的結構設計和加工最為成熟，是能夠最先取得實際應用的電磁頻段。超材料技術可以突破傳統(tǒng)微波技術的瓶頸和短板，在微波器件和微波天線方面實現(xiàn)工程化設計。目前，超材料技術已經(jīng)成功地用于天線增益提升、旁瓣抑制、天線散射截面縮減等方面。

1 相控陣天線的陣因子以及柵瓣特性分析

本文提出了一種基于超材料覆層的技術方案，用于增加相控陣天線的波束掃描范圍，普通相控陣天線的掃描范圍受到陣因子的限制。若天線單元的布陣周期為p，則出現(xiàn)柵瓣時的主波束掃描角度θ滿足

在布陣周期p=0.667λ0的情況下，出現(xiàn)柵瓣時的波束掃描角度僅為30°。若要求波束能夠在±45°范圍內進行掃描，則要求布陣p=0.586λ0。布陣周期越小，需要的T/R組件越多，成本相應大幅上升。同時，天線互耦變強，天線單元設計難度變大，散熱和溫控系統(tǒng)設計也變得異常復雜。

圖1為p=0.667λ0時，相控陣天線在不同主波束指向時的陣因子。由圖1可知，當主波束掃描到30°時，在相控陣對側的低仰角處，已經(jīng)出現(xiàn)柵瓣;當主波束掃描到45°時，在-53°會出現(xiàn)完整的柵瓣。此時天線的輻射效率嚴重下降，噪聲溫度升高，抗干擾性能變差。

圖1 不同主波束指向時的陣因子

2 擴大波束掃描范圍的技術手段

針對上述問題，文中提出一種基于超材料覆層的解決方案。在相控陣的每個天線單元口面加載兩種折射率略有不同的超材料，可以調節(jié)整個陣面的相位分布，減小柵瓣電平，擴大掃描角度范圍。

本文研究的喇叭口相控陣天線如圖2所示，設計的工作頻率為10 GHz。它是一種小規(guī)模的相控陣天線，由1×7個單元拼陣形成。喇叭口天線單元的激發(fā)波導口尺寸為18 mm×9 mm，輻射口面尺寸為38 mm×18 mm，金屬壁厚1 mm。天線單元沿x方向周期排列，周期間距p=20 mm。電磁波自由空間波長λ0=30 mm，因此，p=0.667λ0。由上述陣因子計算可知，對該空喇叭口相控陣天線，當主波束掃描到30°時會出現(xiàn)柵瓣。這種±30°的波束覆蓋范圍遠不夠滿足實現(xiàn)的工程需求。因為波導口的窄邊方向為x方向，因此，這種相控陣天線是一種E面波束掃描的天線。

為了擴大天線的波束掃描范圍，可以在喇叭口面添加一定厚度的超材料結構，調節(jié)輻射口面場分布，其示意圖見圖2b)～圖2c)。所使用的超材料有兩種，它們的折射率略有差異。超材料1的折射率n1=1.2，超材料2的折射率n2=1.4。兩種超材料的厚度hmeta相同，滿足hmeta=18.75 mm。這里使用的超材料是一種與自由空間匹配的超材料，即介電常數(shù)與磁導率相等，這樣可以保證電磁波高效地透過超材料覆層。10 GHz的電磁波經(jīng)過兩塊超材料后，相移差δ為

式中:k0為電磁波在自由空間的波數(shù)。將這兩種超材料周期性排布于相控陣陣面，它可以使用電磁場的相位分布更加精細，從而抑制柵瓣電平。

圖2 喇叭口相控陣天線

下面實際分析一下加載的周期性超材料結構對輻射場的調節(jié)作用。用電磁仿真軟件CST的全波計算方法，可以得到加載超材料覆層的相控陣天線的輻射方向圖和場分布?？刂葡噜彶▽Ъぐl(fā)端口的相位差α，可以改變主波束的輻射方向θ，二者之間的關系為

分析空喇叭相控陣天線的性能指標，從圖3中的計算結果可知，當主波束指向為 0°，15°，30°，45°時，空喇叭相控陣天線的增益分別為17.8 dB、17.6 dB、15.8 dB和12.5 dB，相應的旁瓣抑制水平為-13.2 dB、-12.5 dB、-7.6 dB和-1.6 dB。由計算結果可知，這種周期較大的相控陣天線，當主波束掃描到30°時已經(jīng)出現(xiàn)較為明顯的柵瓣，造成增益下降和天線效率降低。當主波束掃描到60°時情況更加嚴重，主波束與柵瓣的幅度只有1.6 dB的差別，這時，相控陣天線已經(jīng)無法正常工作。

圖4為空喇叭相控陣天線在主波束指向為30°和45°時相控陣天線的電場分布。因為布列周期較大，相鄰天線單元之間的相位變化較為劇烈，相位臺階很大，導致天線的輻射方向圖變差。

圖3 空喇叭相控陣天線的增益方向圖

圖4 空喇叭相控陣天線在主波束指向為30°和45°時的電場分布

由以上的分析可知，這種相控陣天線在大角度掃描時方向性變差是因為相位臺階過大。而加載了超材料覆層的相控陣，則可以將輻射口面的相位精細化，大大改善天線的輻射特性。

圖5 為主波束指向為0°，15°，30°，45°時，加載了超材料的相控陣天線的增益方向圖。在這四個指向角度下，天線的增益分別為18.8 dB、18.6 dB、17.0 dB和14.7 dB，相應的方向圖旁瓣分別為-12.9 dB、-12.7 dB、-11.5 dB和 -7.3 dB。相比未加載超材料的空喇叭相控陣，加載的超材料有效地提高了天線的增益，降低了天線的旁瓣，這種效果在大角度掃描時尤其明顯。比如，45°波束掃描時天線的增益提高了2.2 dB。

圖5 加載超材料的相控陣天線的增益方向圖

為了更清楚地體現(xiàn)超材料在方向性改善上的作用，圖6為兩個大角度掃描時(30°和45°)，相控陣天線的場分布。由圖中場分布可知，加載超材料后輻射口面的相位變化更為平緩，這意味著天線的輻射方向更加集中，增益相應提高。

3 結束語

本文提出了一種基于超材料覆層的擴大相控陣天線E面波束掃描范圍的技術手段。這處技術手段只需要使用兩種折射率略有差異的超材料，材料損耗小，設計方便。在本文的設計中，空喇叭相控陣在30°掃描時，旁瓣抑制水平已經(jīng)高達-7.6 dB，而超材料加載的相控陣，在45°掃描時，旁瓣抑制水平為-7.3 dB。超材料相當于將波束的掃描范圍擴大了15°。為了進一步提高天線增益，可以增加兩個維度上的天線單元數(shù)量。這種技術手段使用的超材料為平面結構，相應的剖面低，適合推廣到大規(guī)模布陣中。

［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.