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U型槽微带贴片相控阵天线的扫描方式
Mohamed M. Elsewe and Deb Chatterjee
Computer Science amp; Electrical Engineering Department
University of Missouri – Kansas City
Kansas City, MO 64110, USA
chatd@umkc.edu
摘要：超宽带（UWB）相控阵越来越多用于雷达和医疗应用。5x5的扫描方式的平面相控阵采用了不同的贴片方向并在介电常数εr为2.2基板上进行U型槽拓扑。研究结果表明，除了低互耦之外，在设计U形槽微带贴片相控阵天线的过程中应该考虑到对称补丁、U形槽拓扑和馈电线路等方面来使天线获得在较低的交叉极化下较好的扫描性能。
Ⅰ 介绍
超宽带扫描相控阵在无线通信和医疗领域中的应用越来越多[1]。由表面波激发导致的扫描盲效应可能会减少扫描的带宽范围。通过减少阵元之间的相互耦合，扫描盲效应的影响会降低[2]。
本文的目的是描述使用了不同的贴片方向并在介电常数εr为2.2基板上进行U型槽拓扑的二元L探针馈电的U型槽微带阵列的相互耦合。同时也检查了使用不同的补丁方向和U形槽拓扑的5x5平面相控阵的扫描特性。
利用商用电磁仿真软件包FEKO和HFSS对U型槽微带贴片天线进行了仿真分析。本研究中使用的U型槽微带贴片天线设计及几何结构如[3]所述。模拟的不同二元贴片方向和U形槽拓扑如图1所示。对于E平面和H平面贴片方向，贴片边缘之间的单元间距取~lambda;/4。对于菱形贴片方向，贴片旋转45°，贴片角之间的单元间距为~lambda;/7。
Ⅱ 结果和论述
在[3]中，发现使用介电常数为2.2的基板的L探头馈电的U形槽微带天线的带宽约2-3GHz。图2展示了图1中的3种不同贴片方向的U形槽贴片单元的两个L型探头馈电线之间的相互耦合。3种不同面片方向的U形槽面片元件如图1所示。HFSS和FEKO软件的仿真结果表明贴片方向（c）具有最低的相互耦合和贴片方向（B）具有最高的相互耦合。
图3中所示的5x5 U形槽微带贴片天线阵列如模拟了E面和H面面片的方向和图1中的U形槽拓扑（a）和（b）。激励各单元的是-35 dB的泰勒电流分布模型并采用了渐进相移来控制主光束。从如图4所示的阵列几何结构的扫描单元模式中可以看出，扫描盲效应在ϕ=90°的平面上超过theta;=30°，在ϕ=0的平面上超过theta;=25°。这与如图2所示的耦合结果相一致。在ϕ=0°的平面上的U形槽拓扑结构（B）比在ϕ=90°的平面上的U形槽拓扑结构（A）有更多的相互耦合。因此，在ϕ=0°的平面上观察到扫描盲效应比在ϕ=90°的平面上的多。图5中的辐射模式显示主波束的峰值方向不扫描超过约30°的非宽边。此外，还观察到主波束在两个平面上都有相对较低的旁瓣并且在ϕ=90°平面上具有低交叉极化。
图.1.二元阵列中方向变化的贴片与U形槽拓扑（a）E平面贴片方向.（b）H平面贴片方向.（c）菱形贴片方向.
图.2.不同方向贴片间的相互耦合.
图.3.带E面和H面贴片的5x5 U形槽阵列方向和U形槽拓扑（a）和（b）.
图.4.在2.4 GHz频率下5x5 U型槽阵列E面和H面贴片方向的HFSS扫描结果
图.5.在2.4 GHz频率下具有E面和H面贴片方向的5x5 U型槽阵列在不同扫描角度下的HFSS辐射图.（a）ϕ=0°（b）ϕ=90°
5x5 U形槽微带贴片天线阵列如图6所示。模拟U形槽中的菱形贴片方向拓扑图（C）后显示了最低的相互耦合。该阵列天线的扫描仿真结果如图7所示，从图中我们可以看出扫描盲效应在ϕ=90°的平面上超过theta;=21°，在ϕ=0的平面上超过theta;=20°。这与图2所示的U形槽拓扑（c）的低互耦结果不一致，主要是由于如图7所示的在ϕ=0的平面上与U形槽拓扑（C）相一致的高交叉极化。根据[4-6]，非对称阵列结构、倾斜槽和馈电线会导致交叉极化波瓣，进而导致高侧波瓣和扫描不良。如图8所示非对称阵列结构在边界和ϕ=0的平面上的辐射方向图（a）相对于在ϕ=90°的平面上的辐射方向图（b）有更多的交叉极化波瓣。
图.6.具有菱形贴片方向和U形槽拓扑（C）的5times;5U型槽阵列.
图.7.在2.4 GHz频率下具有菱形贴片方向的5x5 U形槽阵列的HFSS仿真结果.
图.8.在2.4 GHz频率下具有菱形贴片方向的5x5 U型槽阵列在不同扫描角度下的HFSS辐射图.（a）ϕ=0°（b）ϕ=90°
Ⅲ 总结
本文估算了一个二元L型探针馈电的U型槽微带阵列天线的相互耦合情况并且展示了U形槽拓扑在εr=2.2基板上且贴片方向不同的5x5 U形槽阵列的扫描仿真结果。结果表明，贴片方向相互耦合较低不一定会表现良好的扫描性能和低旁瓣。在U形槽微带贴片阵列天线设计中应考虑到贴片方向对称的结构、U形槽的拓扑和馈电线的影响，从而获得良好的扫描性能和较低的交叉极化。更多贴片方向和U型槽拓扑的结果将在会议上公布。
参考文献
- C. Furse, “A Survey of Phased Arrays for Medical Applications,” Applied Computational Electromagnetics Society (ACES) Journal, vol. 21, no. 3, pp. 365-379, November 2006.
- W.L. Stutzman and G.A. Thiele, Antenna Theory and Design, 3rdEdition, Wiley, New York, pp.319, 2012.
- M.M. Elsewe, V.K. Dandu, and D. Chatterjee, “Assessment of Computational Fidelity of MoM and FEM Solvers for Characterizing a Class of UWB Microstrip Antennas: 2-Element Case,” 29th Annual Review of Progress in Applied Computational Electromagnetics, Monterey, CA, pp. 399-404, March 24-28, 2013.
- R.C. Hansen, Phased Array Antennas, 2nd Edition, Wiley, New York, pp. 450, 484. 2009.
- R.J. Mailloux, Phased Array Antenna Handbook, 2nd Edition, Artech House, Boston, pp. 186, 274. 2005.
- R.B. Waterhouse, Microstrip Patch Antennas: A Designerrsquo;s Guide, Kluwer Academic Publishers, Boston, pp. 168, 361. 2003.
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