一种用于宽角扫描共口径相控阵的高性能天线单元.pdf

肖润均，石玉，李梅，等.一种用于宽角扫描共口径相控阵的高性能天线单元J.电波科学学报，2023，38（3）：414-420.DOI:10.12265/j.cjors.2022182XIAO R J,SHI Y,LI M,et al.A high performance antenna element for wide-angle scan shared-aperture phased array applicationsJ.Chinese journal of radioscience，2023，38（3）：414-420.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022182一种用于宽角扫描共口径相控阵的高性能天线单元肖润均1石玉1李梅2*张哲豪2唐明春2（1.电子科技大学,成都 611731；2.重庆大学,重庆 400044）摘要 为了满足毫米波高密度、宽角扫描共口径相控阵天线对高性能、紧凑型天线单元的需求，提出了一种宽带 Ku/Ka 共口径天线单元设计方案.Ku 频段双极化天线采用“十”字形贴片作为辐射体，一对正交放置的缝隙用于激励两个正交工作模式.Ka 频段天线为探针馈电的磁电偶极子天线，加载的 4 个小贴片起调节匹配和方向图的作用.同时，Ka 频段天线对 Ku 频段天线起寄生加载作用，在有效降低 Ku 频段天线谐振频率的同时扩展阻抗带宽.仿真结果表明，Ku 频段天线水平和垂直极化分别工作在 14.417.6 GHz 和 14.417.4 GHz，10dB 阻抗带宽分别为 20%和 18.7%；Ka 频段天线工作在 3040 GHz，10 dB 阻抗带宽大于 28.5%，测试结果与仿真结果吻合良好.所提出的共口径天线单元具有尺寸小、带宽宽的特点，其横向尺寸为 8.5 mm8.5mm（0.450.45，为 Ku 频段中心频率 16 GHz 对应的波长）.本文为高密度、宽角扫描共口径相控阵天线提供了新颖的天线单元设计方案.关键词相控阵天线；共口径天线；毫米波；微带天线；宽带天线中图分类号TN82文献标志码A文章编号1005-0388（2023）03-0414-07DOI 10.12265/j.cjors.2022182A high performance antenna element for wide-angle scanshared-aperture phased array applicationsXIAO Runjun1SHI Yu1LI Mei2*ZHANG Zhehao2TANG Mingchun2（1.University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China；2.Chongqing University,Chongqing 400044,China）AbstractIn order to meet the demond on high-performance,compact antenna elements for millimeter-wavehigh-density wide-angle scan shared-aperture phased array applications,a novelty design approach of broadbandshared-aperture antenna element was proposed.A cross-shaped patch is utilized as the radiator of the dual-polarizedantenna element operating in Ku-band,and a pair of orthogonal slots are utilized to feed the cross patch so as to producetwo orthogonal modes.A probe-fed magneto-electric dipole is utilized as the Ka-band antenna element.Herein,fourparasitic small patches are loaded on the top layer to improve the impedance matching and radiation patterns.Meanwhile,the Ka-band element acts as a parasitic loading that surrounds the Ku-band element,which couldeffectively reduce the resonance frequency of the Ku-band element and simutaneously expand the impedancebandwidth.The simulated results show that the Ku-band element matches well in the frequency range of 14.417.6 GHzand 14.4 17.4 GHz for the horizontal and vertical polarization,respectively,with 10 dB fractional impedancebandwidth of 20%and 18.7%.Ka-band antenna works at 3040 GHz,and has a 10 dB impendance bandwidth of28.5%.The measured results are in good agreement with the simulated ones.The shared-aperture antenna element ischaracterized by compact size and wide bandwdith.The transverse size of proposed antenna is 8.5 mm8.5 mm 收稿日期：2022-08-28资助项目：国家自然科学基金(62031006)通信作者：李梅 E-mail:；唐明春 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(0.450.45,where is the wavelength at center frequency of Ku band).Therefore,the developed antenna could serveas a novel antenna element for high-density,wide-angle scan shared-aperture phased array applications.Keywordsphased array；shared-aperture antenna；millimeter wave；microstrip antenna；wideband antenna 引言相控阵天线已有几十年的发展历史，它通过调节开关、移相器、衰减器能够进行快速的收发和波束指向切换，被广泛应用于现代雷达和通信系统.为满足通信、导航、制导等越来越多的功能需求，飞机、导弹、卫星等平台需要装载愈来愈多的不同频段不同极化方式的天线，这使得天线占用大量空间.此外，在有限的空间中安置不同频段、不同功能、不同馈电设备的多副天线，其相互间的电磁干扰会产生电磁兼容问题，甚至影响其他设备的正常运转.所以，如何减少天线数量以及提高天线系统的空间利用率成为了一个关键性问题.在这种情况下，共口径天线的提出为上述问题的解决提供了一个良好的突破口.共口径天线是指在同一个口径面上，通过对天线单元结构的合理选择、馈电网络的精巧设计以及整体结构的优化布局来获取多副天线的功能，并且使得不同功能和频段的天线间产生的相互干扰、影响达到合理可控的程度，最终实现在一个物理口径下兼具频率、极化等多样化效果的天线设计1.应用于相控阵天线系统中的双频双极化共口径天线，近年来得到了广泛的研究.在文献 2 中，作者采用堆叠贴片天线形式实现了 2.4 GHz 和 5.8 GHz的双频双极化工作，天线采用探针馈电，在低频和高频分别实现了 2.8%和 9%的10 dB 阻抗带宽.文献3 报道了一款低剖面 C/X 波段 22 共口径天线，但是天线的高低频10 dB 阻抗带宽只有 3.8%和 6.1%.文献 4 报告了一款使用贴片天线和介质谐振器天线(dielectric resonator antenna,DRA)组 合 实 现 的Ku/Ka 双频双极化天线.然而，由于 Ku 频段 DRA 的厚度远大于 Ka 频段贴片天线的厚度，Ka 频段天线的辐射方向图被 Ku 频段天线遮挡，导致方向图畸变.在文献 5 中，两对正交耦合馈电的双极化微带天线分别被用作低频和高频天线，天线辐射结构通过堆叠的方式集成在一起，实现了 20.4%和 29.3%的阻抗带宽.然而，天线尺寸较大(0.680.71)，若应用于相控阵天线系统，在大角度波束扫描时将出现栅瓣问题.综上所述，已有的共口径天线往往存在带宽较窄、高低频之间干扰大、天线单元尺寸较大等问题.鉴于此，本文提出了一款工作在毫米波频段的双频双极化天线单元.其中，Ku 频段采用缝隙耦合馈电的微带天线，辐射贴片为“十”字形以给高频的Ka 天线单元节省出空间.Ka 频段采用探针馈电的磁电偶极子天线，同时，通过在上层加载棋盘形小贴片用以提升天线阻抗匹配.Ku 与 Ka 频段天线单元有机集成，每个 Ku 频段天线单元周围对称分布着 4 个Ka 频段天线单元，同时 Ka 频段天线对 Ku 频段天线起寄生加载作用，从而有效降低 Ku 频段天线谐振频率.所 提 出 的 共 口 径 天 线 横 向 尺 寸 为 8.5 mm8.5 mm(0.450.45，为 Ku 频段中心频率 16 GHz对应的波长)，Ka 频段天线间距为 4.25 mm(0.5，为 Ka 频段中心频率 35 GHz 对应的波长)，这使得此天线应用于相控阵天线系统时，大角度波束扫描成为可能.1 天线单元设计微带天线具有剖面低、尺寸小、成本低的特点，但是传统微带天线同时也具有带宽窄的缺陷6.本文中 Ku 频段天线采用缝隙耦合馈电的微带天线，通过两个正交的带状线和缝隙馈电，同时实现宽带的水平极化和垂直极化辐射.其中，辐射贴片采用“十”字形贴片，以进一步减小天线尺寸，为 Ka 频段天线留出空间.微带天线虽然剖面低，但天线厚度直接影响天线工作带宽，为了保证 Ku 频段双极化宽带工作，天线最终厚度选择 2.45 mm(0.118L，其中 L表示 Ku频段最低频所对应波长).此厚度对 Ka 频段天线来说较厚，若仍然采用微带形式，天线的驻波和辐射性能难以满足工程要求，且高低频天线工作在相同模式下互扰较大.磁电偶极子天线具有较宽的工作带宽，辐射性能稳定7，且天线剖面较大，接近波导波长的四分之一，与 Ku 频段微带天线厚度较匹配.因此，共口径天线低频采用微带天线形式、高频采用磁电偶极子天线形式是一个较好的组合.为了满足低成本、低损耗、宽带宽的要求，天线采用多层板工艺设计，板材采用 AGC 的 TSM-DS3(介电常数 r=3.0，损耗角正切 tan=0.001 3).如图 1所示，天线共采用 4 层介质基板，介质层厚度从上到下分别为 1 mm、0.508 mm、0.127 mm 和 0.508 mm，4 层介质通过热固型粘接片(pp 片，图中未画出)热压在一起.Ku 频段双极化“十”字形辐射贴片位于介质层 1 的上表面，Ku 频段天线采用“工”字形缝隙耦第 3 期肖润均，等：一种用于宽角扫描共口径相控阵的高性能天线单元415 合馈电，缝隙位于介质层 3 的上表面.值得一提的是，这里采用“工”字形缝隙而不是传统的“一”字形缝隙，一方面“工”字形缝隙能够更好调节天线匹配且带宽也更宽，另一方面能减短耦合缝隙尺寸，使得馈电结构更紧凑.Ku 频段水平和垂直极化耦合的“工”字形缝隙正交放置，且分别沿+x 轴和x 轴有位移，这样既能保证 Ku 频段天线的极化隔离，又能使缝隙下方的带状线有空间分布于同一层，进而使Ku 频段天线更紧凑，且减小天线加工成本和难度.馈电转接带状线位于介质层 3 的下表面.Ku 频段天线缝隙耦合层和地之间有一圈金属接地孔，起电磁屏蔽作用，能减小阵列中 Ku 频段水平垂直极化天线之间、Ku 频段同极化天线之间以及 Ku 与 Ka 频段天线之间的干扰.介质层 1介质层 3介质层 2介质层 4Ku-H 端口Ku-V 端口Ka 端口接地孔 1接地孔 2辐射贴片缝隙馈线Ka 驱动天线天线地板L22L21L1L11L12L2Llwddxdyl11l21l22l12w12w22w21w11w1w2wg1zyxg2图 1 天线单元结构Fig.1 Antenna element configuration Ka 频段天线为探针直接馈电的磁电偶极子天线，4 个 Ka 频段天线均匀对称地分布在 Ku 频段天线的 4 个角上，Ka 频段天线之间间距为 4.25 mm，满足大角度波束扫描间距要求.Ka 频段天线采用金属探针与哑铃状贴片相连接进行馈电，哑铃状贴片再通过耦合对磁电偶极子天线馈电，哑铃状贴片位于介质层 2 的上表面.一对对称的带圆耳朵的贴片位于哑铃状贴片同一层，作为电偶极子工作，接地贴片、天线地板以及 4 个接地金属柱共同组成磁偶极子单元.进一步，在磁电偶极子正上方介质层 1 的上表面印制有 4 个小金属贴片作为 Ka 频段天线的寄生层，起到调节 Ka 频段天线匹配的作用.需要强调的是，应用于相控阵天线中的 Ka 频段天线既可以全部馈电工作于满阵状态，也可以通过优化算法抽取需要的 Ka 频段天线，其他 Ka 频段天线接地，使其工作于稀疏阵状态.由于一般相控阵天线系统中与天线相连接的收发模块(T/R)输出口是规则排布的，当系统 Ka 频段天线工作于稀疏阵状态时，天线和模块之间的连接可通过介质层 3 和介质层 4 之间走带状线实现.最终，所提出天线的优化尺寸如表 1 所示.值得注意的是，Ku、Ka 频段主辐射结构分布在不同层，能有效减小不同频段天线间的干扰，同时 Ka 频段天线结构对 Ku 频段双极化天线还起寄生加载作用.图 2 所示为加载与未加载 Ka 频段磁电偶极子天线及寄生结构时，仿真 S11曲线与共口径天线单元仿真结果对比.由图 2 可知，在 Ku 频段天线尺寸保持不变的情况下，Ka 频段天线的加载作用使得 Ku 频段天线工作频率下移了约 700 MHz.表 1 天线参数取值 Tab.1 Antenna dimensionsmm L1L11L12L2L21L22g1g24.451.451.54.51.351.50.150.15wlddxdyl22l21w211.22.31.14.254.253.110.3w22l11l12w11w22w1w20.23.410.180.20.50.2 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5 17.0 17.5 18.0302520151050反射系数/dB频率/GHz无 Ka 频段天线 H 极化无 Ka 频段天线 V 极化加载 Ka 频段天线 H 极化加载 Ka 频段天线 V 极化图 2 加载与未加载 Ka 频段天线结构情况下 Ku 频段天线仿真反射系数曲线对比Fig.2 Comparison of simulated reflection coefficient curvesof Ku-band antenna loaded with/without Ka-band antenna 为了防止天线阵列在大角度波束扫描时出现栅瓣，矩形规则排布的天线单元间距应满足以下要求8：dx、dy1+sin.（1）式中：dx、dy分别为平面二维阵列中天线单元沿 x 轴和 y 轴的间距；为工作频率自由空间波长；为波束扫描离轴角.由于 Ku 频段工作波长约是 Ka 频段工作波长的 2 倍，因此，采用每个 Ku 频段天线周边排布 4 个 Ka 频段天线的共口径布阵方式，以同时满足Ku/Ka 频段工作状态下的宽角扫描对阵元间距的要求.经过仿真优化后，共口径天线单元总尺寸为 8.5mm8.5 mm2.45 mm，应用于阵列中，Ku 频段天线阵元间距为 8.5 mm，Ka 频段天线阵元间距为 4.25mm，满足相控阵天线大角度波束扫描间距要求.416电波科学学报第 38 卷 2 仿真测试结果为 验 证 设 计 的 可 行 性，加 工 并 测 试 了 一 款44 共口径阵列，如图 3 所示.Ku 频段天线为 8.5mm8.5 mm 的矩形布阵，Ka 天线为 4.25 mm4.25mm 的规则矩形布阵.Ku6Ka28图 3 天线加工实物图Fig.3 Prototype of the assembled antenna 仿真与实测的天线单元(图 3 中标识的单元)反射系数曲线如图 4 所示.Ku 频段水平极化天线工作在 14.417.6 GHz，10 dB 阻抗带宽为 20%；Ku 频段垂直极化天线工作在 14.417.4 GHz，10 dB 阻抗带宽为 18.7%.Ka 频段天线反射系数在 3040 GHz 范围内均小于10 dB，阻抗带宽大于 28.5%，展现了良好的阻抗匹配特性.141618 283032343638404035302520151050反射系数/dB频率/GHz仿真 SHKu测试 SHKu仿真 SVKu测试 SVKu测试 SKa仿真 SKa图 4 仿真与测试的反射系数曲线Fig.4 Simulated and measured reflection coefficients curves 共口径天线中，由于在十分紧凑的结构内密布了多个频段、多个极化方式的天线，不同频段、不同极化天线之间间距小、干扰大.本文所述共口径天线通过合理设计不同天线辐射模式、巧妙设计天线馈电结构分布，有效减小不同频段、不同极化天线之间的干扰，具体包括：1)Ku 频段天线馈电缝隙和带状线结构的正交分布；2)Ku 频段辐射结构、Ka 频段辐射结构及寄生结构的对称排布；3)Ku、Ka 主辐射体结构分布在不同层，且 Ku、Ka 天线之间采用接地金属柱隔离.仿真及测试的不同频段、不同极化之间的隔离度曲线如图 5 所示(图 3 中标识的天线).在阻抗带宽内，Ku 频段天线水平、垂直极化通道间隔离度优于25 dB，部分频带优于30 dB.Ku 频段水平极化端口与 Ka 频段水平极化端口在 Ku 频段的隔离度大于18 dB，Ku 频段垂直极化端口与 Ka 频段天线之间通道隔离度大于 28 dB.Ku 频段水平极化端口与 Ka 频段水平极化端口在 Ka 频段的隔离度大于 15 dB，Ku 垂直极化端口与 Ka 天线之间通道隔离度大于 25dB.Ku 频段垂直极化端口与 Ka 频段天线之间展现出更好的通道隔离度，这是因为它们之间多了一个极化隔离.14161830323436384050403020100 端口隔离度/dB频率/GHz仿真 SHV仿真 SHKa仿真 SVKa测试 SHV测试 SHKa测试 SVKa28图 5 仿真与测试的端口隔离度Fig.5 Simulated and measured isolation curves amongdifferent ports 图 6 和 7 所示分别为 Ku 频段共口径天线单元(如图 1 所示)水平极化及垂直极化天线在 16 GHz 仿真方向图，Ka 频段共口径天线单元与孤立天线单元在 35 GHz 的辐射方向图.由两图可知，Ku 频段水平极化和垂直极化天线增益大于 6 dB，交叉极化均大于 25 dB；Ka 频段天线增益为 6.5 dB，交叉极化大于15 dB.相较孤立 Ka 频段天线单元而言，Ka 频段共口径天线单元交叉极化有一定程度恶化，这是因为受到了 Ku 频段天线辐射贴片的影响.根据具体应用需求，可以在阵列中通过天线单元的对称排布等方式进一步改善交叉极化.为了进一步研究本文提出的共口径天线单元应用在阵列中的情况，建立图 8 所示模型，利用周期边界条件仿真应用于相控阵扫描过程中有源匹配的变化情况.第 3 期肖润均，等：一种用于宽角扫描共口径相控阵的高性能天线单元417 =0 面主极化=90 面主极化=0 面交叉极化=90 面交叉极化030609012015018021024027030033030201001040302010010dB(a)水平极化(a)Horizontal polarization030609012015018021024027030033040302010010302010010dB(b)垂直极化(b)Vertical polarization图 6 16 GHz Ku 频段水平极化、垂直极化天线仿真方向图Fig.6 The simulated radiation patterns of Ku-band horizontally,vertically polarized antenna at 16 GHz =0 面主极化=90 面主极化=0 面交叉极化=90 面交叉极化030609012015018021024027030033030201001040302010010dB(a)共口径天线单元(a)Shared aperture antenna030609012015018021024027030033040302010010302010010dB(b)孤立天线单元(b)Isolated antenna unit图 7 35 GHz Ka 频段共口径天线单元、孤立天线单元仿真辐射方向图Fig.7 The simulated radiation patterns of Ka-band shared aperture antenna unit and isolated antenna unit at 35 GHz Master边界Slave边界Floquet端口xzy图 8 周期边界条件仿真阵中扫描情况Fig.8 Simulation array scanning by periodic boundarycondition 图 9 所示为共口径相控阵 Ku 频段水平极化天线在扫描过程中的有源反射系数情况.可知，Ku 频段天线在 1517 GHz、45扫描范围内的有源反射系数均小于10 dB，尽管扫描到 60的时候有源反射系数有所上升，但仍优于7.5 dB.Ku 垂直极化情况类似.图 10 所示为 Ka 频段天线仿真的主平面扫描有源反射系数，在 60离轴角范围内有源反射系数均低于7.5 dB，且在 32.540 GHz 范围内有源反射系数优于10 dB，展现了良好的匹配性能.仿真的有源反射系数说明，本文提出的共口径天线单元应用于相控阵天线中具有良好的匹配特性，且扫描过程中不会出现扫描盲点.418电波科学学报第 38 卷1415161718302520151050有源反射因子/dB频率/GHz015304560(a)E 面(a)E-plane1415161718302520151050有源反射因子/dB频率/GHz015304560(b)H 面(b)H-plane图 9 Ku 频段水平极化天线扫描过程中有源反射系数变化Fig.9 Active reflection coefficient of Ku band Horizontal-polarized antenna during scanning 303234363840302520151050频率/GHz有源反射因子/dB015304560(a)E 面(a)E-plane303234363840302520151050频率/GHz有源反射因子/dB015304560(b)H 面(b)H-plane图 10 Ka 频段天线扫描过程中有源反射系数变化Fig.10 Active reflection coefficient of Ka band antenna during scanning 表 2 所示为双频共口径天线对比，可知，本文提出的双频双极化共口径天线具有带宽宽、尺寸小的特点，非常适合应用于毫米波相控阵天线系统中.表 2 双频共口径天线对比Tab.2 Comparison of dual-band shared-aperture antennas文献工作频率相对带宽尺寸极化方式9UHFL32%UHF14.5%L0.930.35 GHz0.471.4 GHz圆极化10SC37%S4.1%C1.53 GHz2.454.9 GHz双线极化11SC58.2%S8.9%C1.353 GHz2.24.9 GHz双线极化12LS3.7%L3.4%S0.451.35 GHz0.52.95 GHz线极化13KKa4.8%K4.3%Ka0.520 GHz0.5330 GHz正交线极化本文KuKa18.7%Ku20.5%Ka0.4520 GHz0.530 GHz双线极化 3 结论本文针对共口径、宽角扫描相控阵系统的需求，基于多层介质板加工工艺设计了一款小型化的Ku 频段双线极化、Ka 频段单极化的高性能共口径天线单元.此共口径单元包含一个宽带的 Ku 频段双线极化单元和 4 个宽带的 Ka 频段线极化单元，天线单元横向尺寸为 8.5 mm8.5 mm，Ka 频段天线间距为 Ku 频段天线尺寸的一半，能同时满足相控阵应用中 Ku 和 Ka 频段天线的宽角扫描要求.Ka 频段天线根据需要既可以用于满阵，也可以用于稀疏阵.仿真测试表明 Ku 频段水平、垂直极化天线分别具有20%和 18.7%的10 dB 阻抗带宽，且 Ka 频段天线带宽超过 28.5%.参考文献 JIN Y,DU Z.Broadband dual-polarized F-probe fedstacked patch antenna for base stationsJ.IEEE antennasand wireless propagation letters，2015，14：1121-1124.1第 3 期肖润均，等：一种用于宽角扫描共口径相控阵的高性能天线单元419 ZHU X Q,GUO Y X,WU W.Miniaturized dual-band anddual-polarized antenna for MBAN applicationsJ.IEEEtransactions on antennas and propagation，2016，64（7）：2805-2814.2 MAO C,GAO S,WANG Y,et al.A shared-aperture dual-band dual-polarized filtering-antenna-array with improvedfrequency responseJ.IEEE transactions on antennas andpropagation，2017，65（4）：1836-1844.3 YI L,YAN H,DAI M,et al.Design of a Ka/Ku dual-banddual-polarized arrayC/The 3rd Asia-Pacific Conferenceon Antennas and Propagation,2014:369-371.4 KABOLI M,ABRISHAMIAN M S,MIRTAHERI S A,etal.High-isolation XX-polar antennaJ.IEEE transactionson antennas and propagation，2012，60（9）：4046-4055.5 POZAR D M.Microstrip antennasJ.Proceedings of theIEEE，1992，80（1）：79-91.6 WEN Y Q,WANG B Z,DING X.Wide-beam circularlypolarized 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