天线波束扫描技术的研究

摘要

       天线作为无线通信中重要的一部分，在不同的应用领域中对天线性能的需求也不尽相同。在遥感探测和卫星通信领域，天线的波束扫描特性受到广泛的关注。通常来说，天线的扫描技术分为机械扫描天线和电控扫描天线两类。传统的机械扫描天线体积大、扫描慢且稳定性差；电控扫描天线主要包括有源相控阵、可重构反射阵以及透射阵、液晶基波束扫描和漏波天线。本文主要介绍了几种电控波束扫描天线的研究进展，简要介绍了几种波束扫描天线的优势以及缺点，主要的内容安排如下：

        1、有源相控阵是目前最为广泛应用的波束扫描天线，其通过在天线单元的后端加载T/R组件实现对天线单元馈电相位等的控制，从而实现了天线的波束扫描特性；但随着天线阵列规模的增大，其所需的T/R组件数量也将会大大的增多，因此传统的有源相控阵往往具有体积大、重量大以及成本较高的缺点。

         2、可重构反射阵或透射阵是一个被许多研究者广泛关注的研究方向。通过改变每个反射或透射单元的反射或透射相位，实现对入射波束的极化方式、波束方向等的特性的控制与转换。目前研究人员一般利用射频开关、可调电容等器件改变单元的反射或透射相位，将其与辐射天线结合，从而实现了天线的波束扫描功能；其设计自由度高，且不需要大量的T/R模组；但往往利用反射或透射表面实现波束扫描功能都需要外加源，使得整个天线系统具有较高的剖面，整体的体积较大，不利于系统的集成。

        3、液晶基波束扫描天线主要分有：基于液晶移相器的波束扫描天线、液晶全息天线以及超表面液晶扫描天线。基于液晶移相器的波束扫描天线与传统的有源相控阵天线类似，但不同的是其不需要大量的T/R模组，因此便大大的减小了整个天线系统的体积以及成本。液晶波束扫描天线利用液晶材料的介电常数的电可调特性，通过将液晶材料作为介质基板设计天线阵列的馈电结构，通过控制施加电压的大小控制液晶分子的偏转，改变了液晶的有效介电常数，从而实现了对于馈电网络的馈电相位的控制，实现了天线的波束扫描功能。全息液晶波束扫描天线则与透射型天线的原理类似，通过在漏波天线的上方加载全息表面，通过改变液晶的介电常数改变每一个漏波天线单元的辐射幅度的大小实现了天线在特定方向上的波束扫描功能。液晶基反射面天线则是利用液晶作为介质基板设计超表面，通过控制每一个反射单元下的液晶的介电常数改变单元的反射相位从而实现了波束扫描功能。液晶基波束扫描天线最显著的优势便是低成本，但其往往需要大量的偏置线实现对每一个天线单元的辐射特性的控制，因此其对于实现大规模的阵列天线具有很大的挑战。同时其对于液晶材料的本身特性的依赖度较高，因此对于天线的加工工艺的要求较高。

       4、漏波天线是行波天线的一种，主要有均匀漏波天线、准均匀漏波天线以及周期漏波天线几种。传统的漏波天线是在导波结构上加载一系列的漏波结构实现辐射，由于其本身便具有频率扫描特性，因此其波束指向可以随着频率的变化而变化。但是通信系统往往工作于某一个特定的频段，因此这就要求波束扫描的实现于频率无关，这就与传统的漏波天线相冲突，限制了漏波天线的应用，因此对于漏波天线的定频扫描特性的研究具有重要的价值。而在目前的研究成果中已经有许多的研究人员对新型的电可调漏波天线进行了研究设计从而实现了漏波天线的定频扫描特性，其中最为广泛应用的方法便是通过在漏波结构上加载射频开关，通过改变射频开关两端的电压控制射频开关的通断状态以控制漏波天线的漏波结构的周期，从而实现了漏波天线的定频扫描特性。漏波天线相较于上述的几种电控波束扫描天线来说，具有低成本、低剖面以及易于集成的特点；而随着SIW技术的发展研究，利用SIW技术实现漏波天线的定频扫描则进一步的减小了天线的成本，使其更加易于与电路集成。但在实际应用中，漏波天线的长度往往较长，且往往需要采用大量的射频开关，因此其对于控制射频开关的偏置线的布线问题随着阵面的扩大也逐渐凸显出来。

       本文对近些年的天线波束扫描技术进行了简要性的总结，分别概述了几种电控波束扫描天线近些年的研究历程，分析了几种电控波束扫描天线的特点。

1 引 言

       随着无线通信技术的发展，当今时代对于无线通信技术的需求和指标日益提高。天线作为无线通信系统中的重要设备，在通信系统中有着不可获取的作用，在各种场景中都有着许多的应用。对于不同的应用场景，天线所需要的功能也不尽相同，而其中波束扫描功能对于各种系统功能的实现具有至关重要的作用。

      在目前的研究中，波束扫描天线的实现方法主要有两大类：机械式扫描以及电控式扫描。传统的机械式扫描特性体积大且扫描性差[1]，而电控式扫描天线则主要有以下几种实现方式：有源相控阵天线[2-9]、可重构的平面反射阵和透射阵天线[11-14]、液晶基波束扫描天线[15-21]以及电控可调漏波天线[22-25]。有源相控阵天线由于需要大量的T/R组件，因此其体积大，重量大、成本高，不利于系统的小型化；可重构的平面反射或投射阵天线设计自由度较高，但往往需要外加辐射源，因此不利于系统的集成，且往往具有较高的剖面；液晶基的波束扫描天线避免了大量的T/R模组的影响，但其对于加工的工艺要求以及偏置线的布线要求较高；漏波天线由于其所具有的频扫特性而深受关注，通过射频开关的加载可以实现波束的定频扫描，具有低剖面、低成本以及易于集成的特点。接下来将分四个部分分别简要介绍四种电控波束扫描天线的研究历程及成果。

2 有源相控阵

       对于有源相控阵，其波束扫描的范围往往会受到单元方向图、阵元间耦合等的因素的影响，其往往具有一定的扫描范围的限制为±60°–70°。诸多的研究人员已对提高天线阵列的扫描范围做出了许多的研究，如：设计宽波束天线单元、基于可重构天线的宽角扫描天线、基于准曲面共形阵列的宽角扫描天线等。

图2.1 文献[5]中设计的宽波束天线单元及其波束扫描性能

       2018年，通过在U型微带缝隙贴片天线的周围加载电壁，利用电壁上的感应电流产生的辐射与贴片产生的辐射的方向图进行互补，实现了一种具有174°的3dB波束宽度的宽波束天线单元，利用该宽波束天线单元作为相控阵的阵元，实现了在3.5GHz处的-75°~+75°的宽角扫描特性，且结构图与扫描特性如图2.1所示。

       如图2.2所示，华南理工大学的薛泉课题组在2023年提出了一种准曲面共形天线阵列。基于曲面共形天线可以实现宽角扫描的特性，通过控制阵元的辐射方向图，实现了天线阵列在5G毫米波频带内的宽带宽角扫描特性，最大扫描角度可以达到-70°~+70°。

图2.2 文献[7-9]中提出的毫米波准曲面共形天线阵列

       此外，在2019年，有研究人员设计了一款磁偶极子天线。基于磁偶极子天线在PEC反射面上可以得到宽波束特性的原理，利用开口SIW谐振腔结构实现了宽波束天线单元。其具体结构如图2.3所示，最终得到天线阵列具有±60°的波束扫描范围。

图2.3 文献[10]中提出的宽角扫描阵列及其波束扫描范围

3 可重构平面反射阵与透射阵天线

图3.1 文献[13]中提出的可调反射单元及反射单元的相位

        2021年，东南大学洪伟课题组提出了一种双极化1bit的可调反射型超表面结构，该反射单元可以实现对水平/垂直两种极化状态的独立调控。通过控制开关的通断状态即实现了反射相位在0°和180°之间的切换，通过控制单元的两种状态的切换实现了波束扫描的控制。其结构如图3.1所示。

       文献[14]中，利用磁电偶极子天线单元，实现了单元的反射相位在0°和180°之间的切换，实现了1bit的反射型超表面天线的设计，其结构及其反射相位如图3.2中所示。

图3.2 文献[14]中的反射单元及其相位

4 液晶基波束扫描天线

       2012年，Rolf Jakoby等人首次发表了一款工作于17.5GHz的基于液晶材料的二维波束扫描天线。文中基于液晶材料设计了一款移相器，通过控制外加电压的大小改变了液晶材料的介电常数实现相位控制，最终得到液晶移相器可以实现300°范围的相位变化。基于该液晶移相器设计的二维波束扫描天线的扫描范围为-25°~+25°，增益为5.9dBi。

图4.1 文献[15]中提出的液晶基二维波束扫描天线

        Hogyeom Kim等人于2022年发表了一种基于液晶材料的高口径效率反射面天线。通过改变液晶的偏置电压，该反射单元可以实现260°的相位变化。最终改反射天线在9.55GHz处可以实现-50°~50°以及0°~65°范围内的波束扫描。且口径效率可以达到35.8%。

图4.2 基于液晶的高口径效率反射面天线[17]

      文献[20]中设计了一款基于液晶的定频波束可调漏波天线，该天线的结构如图4.3所示。该天线可以在12.5GHz处实现-20°~+20°的扫描范围。

图4.3 基于液晶的定频扫描漏波天线[20]

5 漏波天线

       漏波天线是行波天线的一种，其具有波束指向随着频率的变化而变化的特性。且与传统的波束扫描天线相比其具有低剖面、低成本以及易于集成的特性。2012年，有学者在文献[21]中首次提出了基于SIW结构的准均匀漏波天线，该天线不仅具有与传统漏波天线相同的辐射特性，而且进一步减小了漏波天线的成本，也使得漏波天线变得易于与电路集成。

图5.1 文献[21]中首次提出的基于SIW结构的准均匀漏波天线

       在文献[23]中提出了一种基于等离激元传输线的圆极化漏波天线。该天线通过通过利用等离激元的慢波特性，提高了漏波天线频率扫描的范围。其具体结构如图5.2所示，最终得到的扫描范围为-32°~34°。

图5.2 文献[23]中提出的基于等离激元的圆极化漏波天线及其扫描特性

       在实际的应用中，往往需要天线具有定频扫描的特性。因此对于具有定频扫描特性的漏波天线的实现也是非常重要的。在文献[25]中设计了一款基于PIN的毫米波定频扫描漏波天线，通过控制PIN的状态改变漏波结构的分布，同时也实现了对于漏波单元的幅度加权，使得天线具有低副瓣的扫描特性，最终该天线工作于27.5GHz，可以实现110°的扫描范围。

图5.3 文献[25]中提出的定频波束扫描漏波天线

       在文献[26]中，Junhong Wang课题组基于漏波天线设计了一款具有波束赋形特点的定频扫描漏波天线。其在具有波束扫描特性的同时，还可以保证在扫描范围内的增益随着扫描角度的变化而产生相应的改变，其结构及其波束扫描特性如图5.4所示。

图5.4 具有波束赋形功能的漏波定频扫描天线[26]

6 总结

       本文简要介绍了天线实现波束扫描的几种方法。对于近几年电控波束扫描天线技术做了简要的总结。首先，介绍了传统的有源相控阵天线的发展；其次，简要介绍了基于反射表面的反射天线的一些成果；然后，对基于液晶材料的波束扫描天线作了一些介绍；最后，对漏波的天线的相关发展近况与成果作了简介。波束扫描技术对于天线阵列来说是一项重要的技术，在未来的发展中将会变得越来越重要，对于如何实现低成本、易集成的波束扫描天线将是未来的一个重要发展方向。

参考文献

[1] Duan J J. 2015 Ph. D. Dissertation (Beijing: Beijing Jiaotong University) (in
Chinese) [段剑洁 2015 博士学位论文（北京：北京交通大学） ]
[2] A. K. Skrivervik, J. R. Mosig. Finite Phased Array of Microstrip Patch Antennas:
The Infinite Array Approach. 1992 IEEE Trans. Antennas Propag. 40 5.
[3] A. G. Toshev. Multipanel. Concept for Wide-Angle Scanning of Phased Array
Antennas. 2008 IEEE Trans. Antennas Propag. 56 10.
[4] G. Han, B. Du, W. Wu, B. Yang. A Novel Hybrid Phased
Array Antenna for Satellite Communication On-The-Move in Ku-Band. 2015
IEEE Trans. Antennas Propag. 63 4.
[5] G. Yang, J. Li, D. Wei, R. Xu. Study on Wide-Angle Scanning Linear Phased Array
Antenna. 2018 IEEE Trans. Antennas Propag. 66 1.
10
[6] H. Al-Saedi, S. Gigoyan, W. M. Abdel-Wahab, and S. S. Naeini. A Low Cost
Ka-Band Circularly Polarized Passive Phased-Array Antenna for Mobile Satellite
Applications [J], 2019 IEEE Trans. Antennas Propag. 67 1.
[7] J. Xiao, S. Liao, Q. Xue, W. Che. Millimeter-Wave 1-D Wide-Angle Scanning
Pseudo-Curved Surface Conformal Phased Array Antennas Based on Elongated
Planar Aperture Element. 2023 IEEE Trans. Antennas Propag. 71 4.
[8] J. Cheng, S. Liao, W. Feng, W. Che, Q. Xue. Millimeter-Wave Wideband
Wide-Angle Scanning Proactive Conformal Phased Array Antenna. 2023 IEEE
Trans. Antennas Propag. 22 3.
[9] G. Jin, Y. Sun, S. Liao, Q. Xue. Millimeter-Wave Wide-Angle Scanning Phased
Array Antenna Based on Heterogeneous Beam Elements. 2023 IEEE Trans.
Antennas Propag. 71 6.
[10] Z. Yi et al. A Wide-Angle Beam Scanning Antenna in E-plane for K-band Radar
Sensor. 2019 IEEE Access.
[11] R. Deng, Y. Mao, F. Yang. A Single-Layer Dual-Band Circularly Polarized
Reflectarray With High Aperture Efficiency. 2015 IEEE Trans. Antennas Propag. 63
7.
[12] C. Zhang, Y. Wang, S. Gao, H. Liu. A Planar Integrated Folded Reflectarray
Antenna With Circular Polarization. 2017 IEEE Trans. Antennas Propag. 65 1.
[13] J. Yin, Q. Lou, H. Wang, Z. N. Chen, W. Hong. Broadband Dual-Polarized
Single-Layer Reflectarray Antenna With Independently Controllable 1-Bit Dual
Beams. 2021 IEEE Trans. Antennas Propag. 69 6.
[14] W. Wu, K. -D. Xu, Q. Chen, T. Tanaka, M. Kozai, H. Minami. A Wideband
Reflectarray Based on Single-Layer Magneto-Electric Dipole Elements With 1-bit
Switching Mode. 2022 IEEE Trans. Antennas Propag.70 12.
[15] O. H. Karabey, A. Gaebler, S. Strunck. R. Jakoby. A 2-D Electronically Steered
Phased-Array Antenna With 2× 2 Elements in LC Display Technology. 2012 IEEE
Trans. Microw. Theory Tech. 60 5.
[16] W. Zhang, Y. Li, Z. Zhang. A Reconfigurable Reflectarray Antenna With an 8
μm-Thick Layer of Liquid Crystal. 2022 IEEE Trans. Antennas Propag. 70 4.
[17] H. Kim, J. Kim and J. Oh. Communication A Novel Systematic Design of
High-Aperture-Efficiency 2D Beam-Scanning Liquid-Crystal Embedded
Reflectarray Antenna for 6G FR3 and Radar Applications. 2022 IEEE Trans.
Antennas Propag. 70 11.
[18] X. Li et al. Broadband Electronically Scanned Reflectarray Antenna With Liquid
11
Crystals. 2021 IEEE Antennas and Wireless Propag. Lett. 20 3.
[19] G. Perez-Palomino et al. Design and Demonstration of an Electronically Scanned
Reflectarray Antenna at 100 GHz Using Multiresonant Cells Based on Liquid
Crystals. 2015 IEEE Trans. Antennas Propag. 63 8.
[20] C. Ding, Y. Wang, Y. Han, X. Fu, R. Zhu, H. Mu, F. Meng, J. Wang. Beam
scanning leaky wave antenna based on liquid crystals with gesture-controlled
system. 2023 Liquid Crystals.
[21] X. Y. Li, D. Jiang, J. Liu and M. S. Tong. A Ka-Band Multilayer
Beaming-Scanning Antenna Using Liquid Crystals. 2022 IEEE Antennas and
Wireless Propag. Lett. 21 1.
[22] J. Liu, D. R. Jackson, Y. Long. Substrate integrated waveguide (SIW) leaky-wave
antenna with transverse slots. 2012 IEEE Trans. Antennas Propag. 60 1.
[23] D. -F. Guan, P. You, Q. Zhang, Z. -H. Lu, S. -W. Yong, K. Xiao. A Wide-Angle
and Circularly Polarized Beam-Scanning Antenna Based on Microstrip Spoof
Surface Plasmon Polariton Transmission Line. 2017 IEEE Antennas and Wireless
Propag. Lett. 16.
[24] A. Kianinejad, Z. N. Chen, C. -W. Qiu. A Single-Layered Spoof-Plasmon-Mode
Leaky Wave Antenna With Consistent Gain. 2017 IEEE Trans. Antennas Propag. 65
2.
[25] S. Liu, Z. Li, J. Wang. A Fixed-Frequency Beam-Scanning Leaky-Wave Antenna
Using Phase and Amplitude Control for Millimeter-Wave Applications. 2023 IEEE
Trans. Antennas Propag. 70 2.
[26] W. Zheng et al. A Leaky Wave Antenna With Capability of Fixed-Frequency
Beamforming Scanning. 2023 IEEE Trans. Antennas Propag. 71 9.