介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线.pdf

王浩同，屈世伟.介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线J.电波科学学报，2023，38（3）：376-381+392.DOI:10.12265/j.cjors.2023103WANG H T,QU S W.Substrate-integrated ultra-wideband low-profile wide-scanning phased array antennaJ.Chinese journal of radio science，2023，38（3）：376-381+392.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2023103介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线王浩同屈世伟*（电子科技大学,成都 611731）摘要 为满足现代多功能雷达系统对带宽、剖面高度以及扫描性能的需求，提出了一种工作在 26GHz 的超宽带相控阵天线.组成该天线阵列的单元由双极化的印刷偶极子贴片、不平衡馈电巴伦、基于超表面的宽角阻抗匹配层（wide-angle impedance matching layer,WAIM）以及金属地板组成.偶极子末端带接地柱的圆形耦合贴片增加了单元间的耦合强度，提高了工作带宽；基于超表面的 WAIM 的引入在提升天线扫描能力的同时降低了天线的剖面；天线各个介质层中进行了周期性的打孔以抑制共模谐振和表面波.仿真结果表明，该天线单元在 26 GHz 的工作频带内，E 面60和 H 面60扫描时能够实现有源驻波小于 2.3，正交端口间的隔离度优于 20 dB.利用多层印刷电路板工艺，对天线实物进行了加工和测试，测试结果与仿真结果具有较好的一致性.该相控阵天线具有超宽带、低剖面、宽角扫描以及全介质集成的特点，为多功能雷达系统提供了一种新的天线结构.关键词相控阵天线；超宽带；宽角扫描；低剖面；介质集成中图分类号TN820文献标志码A文章编号1005-0388（2023）03-0376-06DOI 10.12265/j.cjors.2023103Substrate-integrated ultra-wideband low-profilewide-scanning phased array antennaWANG HaotongQU Shiwei*（University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China）AbstractTo meet the requirements of bandwidth,profile and scanning performance for modern multifunctionalradar systems,an ultra-wideband phased array antenna operating in 26 GHz is proposed in this paper.The arrayelement consists of dual-polarized printed dipole patches,unbalanced feeding baluns,the wide-angle impedancematching layer based on metasurface(MS-WAIM)and a metal plate.The introduction of MS-WAIM layer not onlyimproves the scanning performance,but also reduces profile.In addition,periodic square holes are cut in each dielectriclayer to suppress common-mode resonance and surface waves.The simulated results indicate that the proposed elementcan achieve 60 scanning in E/H-planes with an active voltage standing wave ratio(VSWR)below 2.3 and an isolationbetween orthogonal ports better than 20 dB within 26 GHz.To verify the validity of this design,a prototype ismanufactured and measured by using multi-layer printed circuit board(PCB)technology,and the measured results arein good agreement with the simulated ones.This antenna has the characteristics of ultra wideband,low profile,wide-angle scanning coverage,and substrate-integration,providing a novel antenna structure for multifunctional radarsystems.Keywordsphased array；ultra-wideband；wide-scanning；low-profile；substrate-integrated 收稿日期：2023-04-12资助项目：国家自然科学基金(U20A20165)通信作者：屈世伟 E-mail: 第 38 卷第 3 期电波科学学报Vol.38，No.32023 年 6 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEJune，2023 引言近年来，随着现代雷达系统功能的增多以及T/R 组件的快速发展1，作为雷达系统必要组成部分的相控阵天线发展迅速.由于宽带宽角扫描相控阵天线具有工作频带宽、波束扫描覆盖范围大等优点，发展迅速2-17.在现有的报道中，宽带宽角扫描相控阵天线根据结构特点可以分为竖直结构和平面结构两种.竖直结构的宽带宽角扫描相控阵天线主要包括 Vivaldi天 线 阵2-3和 紧 耦 合 偶 极 子 阵 列(tightly coupleddipole array,TCDA)4-7.因为竖直结构能够提供较高的设计自由度，这两种阵列往往具有较宽的工作带宽和扫描范围；但竖直结构同样会使得天线整体剖面较高，且在制造装配时难度较大，会引入不可接受的安装误差，使天线性能恶化.相比较而言，平面结构的宽带宽角扫描相控阵天线剖面较低，且结构稳定装配简单，占用空间少，更容易进行系统集成.其主 要 包 括 平 面 超 宽 带 模 块 化 天 线(planar ultra-wideband modular antenna,PUMA)8-13和连接槽阵列(connected slot array,CSA)14-16两种.经过多年的发展，具有平面结构的宽带宽角相控阵天线在带宽和扫描范围方面有了长足的进步.2012 年，HOLLAND S S 提出了一种 PUMA 阵列8，该双极化 PUMA 阵列可以实现 5 倍频的工作带宽，在侧射和 E 面、H 面45扫描时有源电压驻波比(voltage standing wave ratio,VSWR)小于 3，其剖面高度为 0.48 个高频波长，但该天线阵列只进行了仿真.同年该团队提出一种工作在 721 GHz 的双极化PUMA 阵列 9，并进行了加工和测试，其可以实现侧射和 E 面、H 面45扫描时有源 VSWR 小于 3，剖面高度为 0.43 个高频波长.2015 年，具有 3 倍频带宽的 PUMA 阵列的剖面高度被降低到 0.36 个高频波长10，在有源 VSWR 小于 3 的前提下，扫描范围被拓展至 E 面、H 面60.2018 年，一种具有更大阻抗带宽的新型 PUMA 阵列被提出11，该阵列具有 6 倍频的工作带宽，其剖面高度为 0.48 个高频波长.然而，其在 H 面60扫描时匹配相对较差，有源 VSWR 达到了 3.8.CSA 的报道也有很多，文献 14 中 CSA 通过引入人工介质，在 2.5 倍频的工作带宽内，能够实现侧射 E 面80和 H 面60扫描，有源 VSWR 小于3.1，但其剖面高度高达 0.55 个高频波长，且正交极化端口间隔离度相对较差.综上所述，目前具有平面结构的宽带宽角扫描相控阵天线在带宽、扫描性能以及剖面高度等方面仍有提升的空间.为了在保证宽带宽角扫描能力的前提下进一步降低天线的剖面高度，本文提出了一种工作在 26 GHz 的低剖面超宽带平面相控阵天线，其在侧射和 E 面、H 面60扫描时有源 VSWR 小于 2.3，同时能够保证正交端口间的隔离度优于 20dB.该天线阵列的单元间距为 25 mm，对应高频的半波长，其剖面高度为 13.8 mm，对应 0.276 个高频波长，与目前报道的具有相同倍频程工作带宽且匹配性能和扫描性能相近的平面相控阵相比，本文所提出的天线阵列具有最低的剖面高度.同时，所提出的低剖面超宽带平面相控阵天线具有全介质集成、结构稳定、装配误差小的优点，为多功能雷达系统提供了一种新的选择.1 天线单元结构与仿真结果图 1 给出了本文提出的天线阵列单元结构，表 1为其主要的结构尺寸.如图 1(a)所示，整个天线由七层介质板构成，主要由双极化的印刷偶极子贴片、不平衡馈电巴伦、基于超表面的宽角阻抗匹配层(wide-angle impedance matching layer,WAIM)及金属地板组成.下面的四层介质板通过半固化片压合在一起，偶极子贴片印刷在其最上方，且由穿过这四层介质板的不平衡馈电巴伦馈电；这四层介质板中下面三层为相对介电常数 2.2 的 F4B，最上层为相对介电常数 3.5 的 F4B，厚度从下往上依次为 1 mm、3 mm、3mm、0.5 mm；半固化片为相对介电常数 4.4 的 FR4，厚度为 0.1 mm.与下面四层介质板不同，上面的三层介质板通过尼龙螺丝紧固在一起，其材料同样为相对介电常数 2.2 的 F4B，从下往上厚度分别为 3 mm、2 mm、1 mm.该阵列的单元间距为 25 mm，对应最高工作频率的半波长，在保证扫描性能不受影响的前提下，尽可能减少了相同口径面积上的单元数量，降低了天线整体的成本.连接器不平衡馈电巴伦13.8 mm25 mm圆形耦合贴片接地柱偶极子贴片WAIM金属地板尼龙螺丝(a)天线单元剖视图(a)Cross-sectional view of the antenna element(b)无WAIM 的天线单元俯视图(b)Top view of the proposed antenna element with no WAIM layers矩形孔PWWRcpsRfRs第 3 期王浩同，等：介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线377 连接器不平衡馈电巴伦13.8 mm25 mm圆形耦合贴片接地柱偶极子贴片WAIM金属地板尼龙螺丝(a)天线单元剖视图(a)Cross-sectional view of the antenna element(b)无WAIM 的天线单元俯视图(b)Top view of the proposed antenna element with no WAIM layers矩形孔P2W1W22Rcpds2Rf2Rs图 1 天线单元结构Fig.1 Structures of the proposed antenna element 表 1 天线结构参数 Tab.1 Parameters of antenna structuresmm 参数尺寸参数尺寸参数尺寸W19W24ds1.5Rcp3Rf1.35Rs1.4P112.5P216dms0.3 图 1(b)给出了偶极子贴片的形状，可以看出，两个极化的偶极子形状完全相同，呈现出馈电端较窄，末端较宽的形状，该形状使天线单元具有良好的阻抗匹配.在偶极子末端有带接地柱的圆形耦合贴片.该耦合贴片增加了单元间的电容耦合，使该天线能够在更低的频率工作.同时圆形耦合片的接地柱与介质板上切割的矩形孔共同将共模谐振移出高频带外.图 2 给出了采用接地柱和矩形切割孔前后天线单元在侧射时有源 VSWR 的仿真结果.可以看出：采用接地柱和矩形切割孔前，频带内有共模谐振引起的驻波尖峰；而采用接地柱和矩形切割孔后，驻波尖峰被移出带外，保证了带内良好的阻抗匹配.为进一步提升天线的扫描能力，在偶极子的上方覆盖了基于超表面的 WAIM，如图 3 所示，该超表面由周期性的正方形金属贴片构成.WAIM 的引入为天线提供了额外的阻抗匹配，使其在大角度扫描时依然能够保持良好的匹配.与纯介质的 WAIM 相比，超表面的引入在极大程度上减小了匹配层的厚度，降低了天线整体的剖面高度，但超表面同样会使天线单元在 H 面大角度扫描时出现由表面波引起的扫描盲点.为抑制该扫描盲点，在 WAIM 上切割有矩形孔.1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0有源 VSWR频率/GHz短路柱和矩形切割孔均有仅有矩形切割孔仅有短路柱短路柱和矩形切割孔均没有图 2 采用接地柱和矩形切割孔前后天线单元侧射有源VSWR 仿真结果Fig.2 Simulated active VSWR of antenna element atbroadside radiation with and without the grounding columnsand rectangular cutting holes 矩形孔P1dms图 3 WAIM 俯视图Fig.3 Top view of the WAIM layer 图 4 给 出 了 WAIM 上 切 割 矩 形 孔 前 后 H 面60扫描时的有源 VSWR 仿真结果.可以看到：在切割矩形孔前 5.5 GHz 处有一驻波尖峰；而在切割矩形孔后，尖峰被移处带外.该天线单元具有低剖面的优势，其剖面高度仅为 13.8 mm.具体而言，偶极子末端的圆形耦合片提供的额外电容耦合与 WAIM 提供的额外阻抗变换共同作用，部分抵消了地板引起的电感效应，使得偶极子离地板的距离可以更小，进而降低了剖面；同时超表面的引入进一步减小了 WAIM的厚度，使得剖面更低.图 5 给出了图 1 所示的天线单元在无限周期环境下有源 VSWR 的仿真结果.可以看到，该天线单元在侧射以及 E 面、H 面60扫描时，26 GHz 范围内有源 VSWR 小于 2.3.图 6 给出了该天线单元两个正交端口间的隔离度.可以看出，该天线单元在侧射以及 E 面、H 面60扫描时，26 GHz 范围内正交端口隔离度优于 20 dB.有源 VSWR 和隔离度的仿真结果表明该天线单元具有良好的阻抗匹配特性.378电波科学学报第 38 卷1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.512345678910有源 VSWR频率/GHz切矩形孔后切矩形孔前图 4 WAIM 切割矩形孔前后天线单元 H 面 60扫描时有源VSWR 仿真结果Fig.4 Simulated active VSWR of antenna element whenscanning to 60 in the H-plane before and after cuttingrectangular holes in WAIM 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0有源 VSWR频率/GHz侧射 E 面 60扫描 H 面 60扫描 E 面 45扫描 H 面 45扫描图 5 天线单元有源 VSWR 仿真结果Fig.5 Simulated active VSWR of antenna element 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.550403020100|S21|/dB频率/GHz侧射E 面 60扫描 H 面 60扫描 E 面 45扫描 H 面 45扫描图 6 天线单元正交端口间隔离度仿真结果Fig.6 Simulated orthogonal port isolations of the antennaelement 2 天线阵列的仿真与测试结果为验证设计的正确性及天线的可制造性，制造并测试了图 7 所示的天线样机.该天线样机每个极化共 56 个单元，E 面有 7 个单元，H 面有 8 个单元.中心单元E 面H 面图 7 天线样机实物图Fig.7 Prototype of the antenna array 图 8 给出了该天线样机所有端口等幅均匀馈电时，中心单元在不同扫描情况下有源 VSWR 的测试结果以及全波仿真得到的有源 VSWR 仿真结果.可以看出，测试结果和仿真结果具有良好的一致性.在H 面大角度扫描时，有限大阵列的全波仿真结果和天线样机的测试结果相较于无限大周期环境下天线单元的仿真结果有一定的恶化，这是由于阵列边缘截断效应的影响.当阵列规模增加时，边缘截断效应引起的匹配恶化将会得到缓解.1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0有源 VSWR频率/GHz侧射测试侧射仿真E 面 45扫描测试 E 面 45扫描仿真 E 面 60扫描测试 E 面 60扫描仿真(a)E 面(a)E-plane1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0有源 VSWR频率/GHz侧射测试侧射仿真H 面 45扫描测试 H 面 45扫描仿真 H 面 60扫描测试 H 面 60扫描仿真(b)H 面(b)H-plane图 8 E 面和 H 面扫描时有源 VSWR 仿真与测试结果Fig.8 Simulated and measured active VSWR with E and Hplane scanning 第 3 期王浩同，等：介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线379 图 9 和图 10 给出了该天线样机在不同扫描情况下三个典型频率的主极化和交叉极化阵列方向图测试结果.可以看出，该样机的阵列方向图形状正常，主瓣没有分裂，说明该天线具有良好的波束指向性.图 11 和图 12 给出了该天线样机在不同扫描情况下不同频率的增益测试结果以及该天线样机在主极化侧射时的口径效率.可以看出，样机的增益随频率的增加而增加，没有明显的增益凹陷.方向图和增益测试结果表明该天线具有良好的辐射和扫描性能.表 2 给出了本文所提出的天线阵列与目前报道的典型平面超宽带相控阵之间性能的比较，可以看到本文所提出的天线具有最低的剖面高度.120 906030030609012020100102030增益/dBi/()交叉极化侧射交叉极化 E 面 45主极化侧射主极化 E 面 45 主极化 E 面 60 交叉极化 E 面 60(a)2 GHz(b)4 GHz(c)6 GHz120 906030030609012020100102030增益/dBi/()主极化侧射交叉极化侧射主极化 E 面 45 交叉极化 E 面 45主极化 E 面 60 交叉极化 E 面 60 120 906030030609012020100102030增益/dBi/()交叉极化侧射交叉极化 E 面 45主极化侧射主极化 E 面 45 主极化 E 面 60 交叉极化 E 面 60 图 9 E 面扫描时不同频点方向图测试结果Fig.9 Measured radiation patterns with E plane sanning atdifferent frequencies 120 906030030609012020100102030增益/dBi/()主极化侧射交叉极化侧射主极化 H 面 45 交叉极化 H 面 45主极化 H 面 60 交叉极化 H 面 60(a)2 GHz(b)4 GHz(c)6 GHz120 906030030609012020100102030增益/dBi/()主极化侧射主极化 H 面 45 主极化 H 面 60 交叉极化侧射交叉极化 H 面 45交叉极化 H 面 60 120 906030030609012020100102030增益/dBi/()主极化侧射交叉极化侧射主极化 H 面 45 交叉极化 H 面 45主极化 H 面 60交叉极化 H 面 60 图 10 H 面扫描时不同频点方向图测试结果Fig.10 Measured radiation patterns with H plane scanning atdifferent frequencies 2.02.53.03.54.04.55.05.56.005101520253035增益/dBi频率/GHz理论极限增益主极化侧射主极化 E 面 60 交叉极化 H 面 60 主极化 E 面 45 交叉极化 H 面 45图 11 增益测试结果Fig.11 Measured gains vs.frequencies 380电波科学学报第 38 卷2.02.53.03.54.04.55.05.56.00.50.60.70.80.91.0口径效率频率/GHz图 12 主极化侧射时的口径效率Fig.12 Aperture efficiency at broadside radiation 表 2 与典型平面超宽带相控阵的性能比较Tab.2 Performance comparison among the typical planarultra-wideband phased array antennas文献带宽/GHz扫描范围(E面/H面)剖面高度81.15.5(51)45/450.48high9721(31)45/450.43high10721(31)45/450.36high113.5321.2(61)60/600.48high122.0510.3(51)60/450.51high13412(31)60/500.52high本文26(31)60/600.276high 3 结论本文提出了一种介质集成超宽带低剖面宽角扫描相控阵天线.该天线能够在 26 GHz 的频带范围内实现 E 面、H 面60扫描有源 VSWR 小于 2.3，正交端口隔离度优于 20 dB.为了验证设计的正确性以及天线的可制造性，对天线样机进行了制造和测试.测试结果与全波仿真结果具有良好的一致性.所提出的相控阵天线阵具有超宽带、低剖面、宽角扫描以及全介质集成的特点，为多功能雷达系统提供了一种新的选择.参考文献 李曦,宋志东,王帅.一种机载超宽带相控阵雷达T/R组件设计J.电波科学学报，2020，35（2）：264-269.LI X,SONG Z D,WANG S.Design of T/R modular forairborne ultra-wideband phased array radarJ.Chinesejournal of radio 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