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1.多模谐振零向频率扫描天线研究进展
作者：冒小慧;吕文俊;季飞燕;祝 雷
作者单位：南京邮电大学;澳门大学
关键词：零向扫描天线;零向频率扫描天线;模式综合天线设计法;多模谐振天线
摘要: 文中全面总结了零向扫描天线的发展历程和重要突破，深入剖析零向扫描天线的设计原理并进行分类比较。 结合零向频率扫描天线的系列设计实例，详细介绍了多模谐振零向频率扫描天线的研究现状、数理机制和设计方法。最 后探讨了零向频率扫描天线的可能发展方向和应用场景，用于指导该领域的工程设计和科学研究。
0 引 言
零向扫描天线 ( NSA) 是一种在俯仰或方位面内 具有可调辐射零向的天线，相关研究最早可追溯至 20 世纪 40 年代提出的线性阵辐射方向调控技术［1］。零 向扫描天线可用于消除干扰信号、提高系统信 干 噪 比［2］，已被广泛用于导航［3］、航天［4］、航空［5－ 6］ 以及射 电天文［7］等领域。结合特定算法和馈电网络，零向扫 描天线还可用于判别目标角度信息，从而在测角系统、 测向系统以及定位系统中发挥重大作用［8－ 11］。
过去几十年中，研究人员已经研制出各种零向扫 描天线系统并将其应用于不同领域。近年来，作者基 于多模谐振天线理论，提出了多模谐振零向频率扫描 天线 ( NFSA) 的设计方法。为了充分反映零向频率 扫描天线技术的发展全貌和前沿研究，首先根据不同 工作原理对零向扫描天线进行回顾、分类和讨论，然后 介绍多模谐振零向频率扫描天线的设计原理和发展现 状，最后展望零向频率扫描天线的可能发展方向和应 用场景。
1 零向扫描天线发展现状
1． 1 阵列技术
阵列技术是最早被提出、研究最深入、发展最充 分、应用最广泛的零向扫描天线设计方法。20 世纪 40 年代，谢昆诺夫提出了 z 平面上的线性阵列单元分析 方法，揭示了阵列天线设计的数理机制，奠定了零向扫描阵列天线设计的理论基础［1］。
如图 1( a) 所示，零向扫描阵列天线设计的技术核 心是调控阵因子。早期发展阶段常采用幅度和相位同 步控制技术［12］，通过加载元件同时调控阵列单元的激 发幅度和相位，进而调节辐射零向的位置及深度。20 世 纪 80 年代，研究人员采用改良阵列算法，通过单一的幅 度或相位控制技术改变零向［13－14］，有效降低零向扫描 阵列天线的设计复杂度和制造成本而得到广泛应用。
基 于 上 述 两 种 技 术 路 线 ，到2 0世 纪9 0年 代 初 ， 研 究人员通过增加阵列维度来实现不同性能 ，例如 图 1( b) 的矩形阵列天线设计，通过将矩形阵因子分解 为两个正交线性阵因子，形成了二维阵列分析方法［15］。 研究人员进一步提出虚拟辅助阵列技术，通过在分析过 程中引入虚拟转换阵列实现精准分析，获得幅相控制精 确数值［16］。图 1( c) 给出了无线通信系统中广泛应用的 零向扫描圆形阵列天线，当阵元等幅馈电而相位呈阶梯 状分布时，圆阵在保持全向通信覆盖的同时可产生零 向［17－18］。为了控制零向深度并在其他角度保持稳定增 益，还能采用图 2 中的层叠圆阵技术［19－20］。
进入 21 世纪以后，研究人员们分别设计了以单极 子天线［21］、倒 F 天线［22］、贴片天线［23］、槽天线［24］作为 阵元的零向扫描阵列天线并获得较佳性能，如图 3 所 示。在该类天线设计过程中，需将阵元天线的场分布 与阵因子联合分析以获得精准数据。随着无线通信和 雷达技术的发展，自适应零向扫描阵列天线更适用于 日益复杂的电磁环境，为此相关研究热点除了阵列本 身，还包括遗传算法［25］、模拟退火算法［26］、粒子群优 化算法［27－ 28］、差分进化算法［29］ 和蚁群优化算法［30］ 等 一系列自适应算法。由于自适应阵列需要给每个阵元 配置可变移相器、放大器和衰减器等元件，馈电网络复 杂且造价昂贵。为降低工程成本，研究人员进一步提 出了阵元选择控制技术，通过仅控制边缘阵元［31］或阵 中少数单元［32］的幅度、相位或位置［33］实现零向控制。
通过与介质集成波导技术( SIW) ［34］、人工表面等 离子体激元( SSPPs) ［35］，加载寄生单元［36］、高阻抗表 面材料［37］等相结合 ( 图 4) ，零向扫描阵列天线的零向 深度、扫描角度范围等重要性能指标均可被进一步调 控和优化。很大程度上，零向扫描阵列天线的性能依 赖于放大器、衰减器、移相器或渐变延迟线等微波器件 和馈电网络，故导致天线体积较大、系统开销较高。研 制小体积、低成本、高性能零向扫描天线已成为当前一 大热点难题。
1． 2 复合振子技术
除了较大规模的阵列天线以外，早期测向系统中 还采用复合振子技术设计零向扫描天线。如图 5( a) ～ 图 5( b) 所示，交叉环天线与垂直振子天线共址配置， 其中垂直振子天线在方位面产生全向辐射特性，而交 叉环天线产生“8”字形辐射特性，通过馈电可令复合 天线产生具有单一辐射零向的心形方向图，实际使用 中需配置机械旋转台以实现全角度扫描［38］。
为了提高扫描速度，20 世纪 70 年代又出现了电控 零向扫描复合天线技术［39－40］。如图 5( b) ～ 图 5( c) 所 示，可以采用交叉槽天线［39］或贴片天线［40］产生方位面 “8”字辐射特性。调整馈电网络即可改变辐射单元场的 叠加，实现比机械扫描更简洁、更稳定、更可靠的快速扫 描。进一步如图 5( d) ～ 图 5( e) 所示，复合振子技术还 能够与介质加载技术［41－43］、阵列技术［44］融合，实现尺寸 缩减、扫描范围提升和高旁瓣抑制。然而复合振子零向 扫描天线往往具有较高的剖面，故研发高性能、低剖面、 单馈电零向扫描天线同样是一大热点难题。
1． 3 行波 /漏波天线技术
采用行波天线同样能够实现零向扫描功能。以对 数周期振子天线为原型，研究人员设计了如图 6( a) 所 示的直线型和圆柱共形零向频率扫描天线，后者随着 频率改变，可依次切换被激发的辐射单元和反射单元 而实现宽角度范围内的零向扫描［45］。
图 6( b) 给出了高阶模式谐振、具有零向频率扫描 特性的平面螺蜷天线，其辐射零向的个数和位置，分别 受控于依赖于旋臂个数和螺线张角因子［46］; 如果在旋 臂末端作电抗加载，则还能灵活调控零向位置［47］。
与行波天线类似，利用漏波天线固有的频率扫描 特性也能实现零向频率扫描功能: 如图 7( a) 所示，同 时激发两组不同谱周期的－1 阶空间谐波，并控制其周 期差，可使两组谐波的俯仰面波束聚拢并形成辐射零 向［48］; 图 7( b) 则给出另一种方法，通过调整有效辐射 区的辐射单元间隙、介质厚度等参数，改变漏波衰减常 数和相位因子而在指定角度产生辐射零向［49－ 50］。
1． 4 模式重构技术
除了组阵和引入行波 /漏波结构以外，通过加载集 总元件和开关，能够改变天线表面电流分布而调节其 工作模式，由此产生了基于模式重构技术的零向扫描 天线。
图 8 为开关型模式可重构零向扫描天线。当开关 组合处于状态 1 时，所有寄生贴片全部接入并与主辐 射单元连成整体，产生宽波束辐射特性; 状态 2 时部分 开关断开，接入激发的辐射结构改变，主、副振子激发 叠加形成的辐射零向，可在小仰角范围内作频 率 扫 描［51］。优化开关布局或改变贴片排布方式，还能够扩 大扫描范围或实现多维度扫描［52－ 53］。
为了简化天线单元设计，也可以采用如图 9 的混 合端口激发方案，即通过调节矩形贴片两个端口的激 发幅度和相位来产生辐射零向［54］。另外，通过正交方 向上设置多组激发器，实现多维零向扫描天线［55］。常 规贴片天线通过改变销钉加载位置以及匹配网络的幅 度和相位，同样能够实现零向扫描［56－ 58］。
1． 5 单模叠加技术
通过堆叠若干单模谐振单元，同样能够实现零向 扫描功能，而且某些情况下比模式重构技术更简洁。 如图 10( a) 所示，将截角贴片天线与折叠十字旋转条 带［59］进行层叠，前者产生圆锥波束、后者产生宽边波 束，故能够叠加出俯仰面和方位面内的零向扫描功能。 图 10( b) ～ 图 10( c) 给出了多端口激发的同心嵌套圆 环贴片天线［60－ 61］，通过调整不同位 置 端 口 的 幅 相 条 件，可以改变圆环的辐射外场而叠加出可调的零向; 此 外，改变圆环个数和加载方式，还能控制极化特性、零 向个数、深度和扫描范围等性能指标［62－ 63］。
2 多模谐振零向频率扫描天线发展现状
通过剖析工作原理，不难发现后两类方法都是叠 加不同模式而令辐射场产生零向，借助集总开关或馈 电网络而实现零向位置、深度、扫描范围的调控。与阵 列技术和行波技术相比，模式调控技术能够显著缩小 天线尺寸、简化天线结构。结合单腔多模谐振天线工 作原理的清晰、结构简洁等优势，作者在广义奇偶模理 论框架［64－ 66］下研制了一系列多模谐振零向频率扫描 天线，形成其如图 11 所示的家族图谱。可见多模谐振 零向频率扫描天线包括磁振子、电振子两大类型，分别 能够在俯仰面和方位面内产生不同斜率的零向频率扫 描特性，而且零向深度可按需调控［67］。接下来将详细 介绍这类天线的发展现状。
多模谐振零向频率扫描天线起源于多模谐振槽天 线［68－ 69］: 作者最早于 2017 年发现，偏心馈电的三模谐 振槽天线能够在其 H 面小范围内，呈现出辐射零向频 率扫描现象［68］，由此深入研究了三模谐振细直振子天 线的辐射特性。如图 12 所示，当同时激发半波长模 式、1． 5 倍波长模式和 2． 5 倍波长模式时，振子天线俯 仰面的辐射零向能在较小的角度范围内出现频率扫 描。结合模式综合天线设计法［70－ 72］，作者进一步探讨 了用微带贴片天线产生零向频率扫描功能的可行性， 由此设计出一系列分别基于磁振子和电振子两大类型 的零向频率扫描天线。根据零向频率扫描出现的工作 平面，又可以进一步将零向频率扫描天线分为俯仰面零向频率扫描天线和方位面零向频率扫描天线。
2． 1 俯仰面零向频率扫描天线
由于 工 作 模 式 不 同，俯 仰 面 零 向 频 率 扫 描 天 线 ( ENFSA) 可被分为负斜率圆周谐振 ENFSA［73］和正斜 率径向谐振 ENFSA［74］两种类型。
图 13 给出了三模谐振 ENFSA 的演化过程。当原 型磁振子共形在扇形贴片的圆周方向且两端短路时， 振子长度 L 应取半波长的整数倍［73］，对应激发圆周模 指数为 v，径向模指数为 1 的 TMv，1 模，其中 v = pπ /α， α 为扇心角，p = 1，3，5…。当原型振子共形在半径方 向时，振子长度 L 应取四分之一波长的整数倍［74］，此 时激发圆周模指数为 0，径向模指数为 m 的 TM0m 模 ( m = 1，2，3…) 。图 14( a) 给出了模式扰动的过程示 意图，图 14( b) 则分别展示了具有负斜率扫描特性的 圆周谐振 ENFSA［73］，以及具有正斜率扫描特性的径向 谐振 ENFSA［74］。
图 15 的仿真和实测结果表示，圆周谐振 ENFSA 可 在 24% 的阻抗带宽内，辐射零向从 θ = +30° 连续扫描至 θ = －50°，而径向谐振 ENFSA 可在 34． 3%的阻抗带宽内 实现 θ = －90°至 θ = +45°正斜率连续扫描，但零向频扫斜 率差异较大。由此可见，圆周谐振 ENFSA 具有更好的 扫描线性度，并且扫描灵敏度可以达到 6． 6 MHz/( °) 。
为了探索零向扫描范围和扫描灵敏度的调控关 键参数，作 者 对 负 斜 率 扫 描 ENFSA 进 行 了 深 入 研 究。实验结果表明，ENFSA 的扫描 范 围 和 扫 描 灵 敏 度分别受天 线 剖 面 高 度 和 圆 心 角 调 控，较 高 的 剖 面 可拓宽零向 扫 描 范 围，而 较 大 的 圆 心 角 可 以 提 高 天 线的扫描灵敏度［75］。
2． 2 方位面零向频率扫描天线
为了适用不同工作场景，作者进一步设计了方位 面零向频率扫描天线( ANFSA) ，实现辐射零向在方位 面扫描。
如图 16 所示的周期结构漏波天线能够在俯仰面 产生波束频率扫描功能，说明俯仰角度的波束频率扫 描效应受支配于天线谱域的显式周期性。据此可作类 比推测: 如果对应地引入“隐式周期性”，则能够实现 方位角度的零向频率扫描特性。为了验证上述推测， 本文探索了零阶贝塞尔函数的本征根分布特性，得到 如图 17 所示的本征根分布图。随着本征根阶数增加， 相邻根之间差值趋于定值 π，说明以零阶贝塞尔函数 为特征方程的微带贴片天线，其本征根分布呈现周期 分布特性，然而该性质并不体现为天线结构上的周期 加载，而是一种隐式周期性［76］。为了验证隐式周期性 产生的方位面零向频率扫描功能，本文深入研究了圆 周短路的径向三模谐振天线( 其本征方程受控于零阶 贝塞尔函数) 的辐射行为。如图 18 所示，随着天线圆 心角减小，径向三模谐振天线在方位面的辐射色散增 强，并呈现出双零向频率扫描现象。
具有单一辐射零向的频率扫描天线可免除多零向 特性带来的识别歧义，因此更具工程实用价值。结合 图 18 的对称结构及其辐射方向图，可考虑增加谐振在 TM01 模的寄生贴片、破坏结构对称性而实现单向零向 频率扫描，最终得到图 19 中的单零向 ANFSA。研究 发现: 扇形圆心角与扫描灵敏度密切相关，圆心角越小 则扫描灵敏度更高; 当圆心角取 15°时，天线辐射零向 可以在 19． 1%的阻抗带宽内从 φ = 150°连续扫描至 φ = 285°，呈现出 4． 3 MHz/( °) 的扫描灵敏度。
在上述零向扫描天线设计中，通常定义“辐射零 向”应低于最高增益 10 dB 及以上。实际应用中，大零 向深度意味着高分辨率，由此进一步提出了基于零向 深度的综合设计方法: 借助双端口功分器，改变 ANFSA 两个辐射单元之间的激发幅度和相位差［77］。通过 查阅文献［77］中的零向深度综合设计表格，即可按需 实现零向深度为 10 dB ～ 30 dB 不等的频率扫描天线。
2． 3 零向频率扫描单极子天线
在通感一体化( ISAC) 应用中，具有频率扫描特性 的辐射零向可以用来感知移动目标位置或抑制来自移 动目标的干扰信号，而稳定平坦的增益频响则有助于 保持稳定的通信链路。上述两种性能是矛盾的，前者 需要天线具有强辐射色散性能，后者则需要天线辐射 色散足够小。如何折衷设计、将两种性能同时用一个 单元天线实现，对此又催生了方位面有稳定辐射方向 图和增益频响、俯仰面有零向频率扫描的单极 子 天 线［78－ 79］，即电振子类型的零向频率扫描天线。
根据电磁场对偶原理，提出如图 20 所示的扇形单 极子概念设计［80］。扇形电振子两端边界条件不同，故 原型振子长度应设置为四分之一波长的单数倍。根据 模式综合天线设计法，扇形单极子的半径和圆心角可 被初步确定。通过开槽和加载交指电容，可分别对一 阶和三阶模式进行扰动、聚拢并形成三模谐振特性。
图 21( a) ～ 图 21( c) 分别为单极子 NFSA 的反射 系数、俯仰面和方位面辐射方向图。可见，该天线具有 宽带特性，其阻抗带宽可以达到 75． 3%。与此同时， 天线辐射零向可以在俯仰面实现 θ = + 90° 至 θ = + 8° 的连续扫描功能并在－x 轴方向保持稳定增益。不同 于磁振子类型的零向频率扫描天线，电振子类型的单 极子天线更有利于兼备强、弱辐射色散特性，未来可用 于低成本 ISAC 天线系统设计。
3 零向频率扫描天线的比较、讨论与展望
前面系统介绍了多模谐振零向频率扫描天线，接着 将充分对比它们和现有各类零向频率扫描天线，讨论其 可能发展方向、挖掘其应用潜力。表 1 给出了各类零向 扫描天线的结构对比。总体而言，大多数设计技术均依 赖馈电网络实现扫描性能，采用阵列、行波和漏波技术 所得 NSA 仍不可避免引入较大尺寸［20，37，48］。多模谐振 技术是唯一采用单元结构、且单端口馈电实现零向扫描 功能的设计方法。因此，多模谐振技术应该满足低复杂 度、小体积的未来新型天线系统设计需求。
表 2 对比了各类零向扫描天线的电性能。可以看 出，多模谐振天线具备宽带特性［73－ 78］，其中多模谐振 单极子天线的阻抗带宽可以达到 75． 3%［78］。此外，只 有多模谐振天线可以在方位面实现同时产生零向扫描 和定向增益［76－ 78］。
零向频率扫描天线的扫描性能指标对比如表 3 所 示。圆形层叠阵列结构与可变阶馈电网络的结合，可 以实现全角度零向扫描［20］，而采用复合结构、模式重 构以及单模叠加技术设计 NSA 只能在指定角度产生 辐射零向［37－ 41，58－ 61］。采用漏波技术和多模谐振技术 可以在一定范围内实现连续频率扫描。目前，用多模 谐振技术能够实现的零向扫描最大范围是 135°，相应 的扫描灵敏度最高可达 4． 3 MHz/( °) ［76］。尽管多模 谐振零向扫描天线的零向深度较低，但结合馈电网络调 节后，零向深度可在－30 dB 至－10 dB 之间按需调控。
多模谐振零向扫描天线结构简单、性能突出，未 来探索方向还可能包括: 1) 进一步提高最大增益、增 加零向 深 度; 2) 扩 大 零 向 扫 描 范 围; 3) 提 升 极 化 纯 度; 4) 实 现 圆 极 化 设 计［81］。 从 以 上 四 方 面 努 力 优 化，有望研制出性能更好的零向频率扫描天线。
除此以外，还可以探索这类天线在抗干扰或测向 系统中的应用: 传统抗干扰或测向系统设计采用阵列 天线设计，所有接收单元均需附加控制电路、对馈电网 络进行调控，最后进行数据处理而实现位置判断或干 扰抑制［82－ 84］。多模零向频率扫描天线能够取代一定 规模的阵列 天 线，配 合 共 址 配 置 的 基 准 天 线 实 现 如 图 22 所示的干扰抑制 /测向天线系统概念设计: 单极 子天线在方位面具有全向辐射特性，因此既可以作为 接收天线也可以作为参考天线。根据接收数据调控微 控制器对零向扫描天线进行控制，即可调节辐射零向 对准干扰信号而实现干扰抑制，或通过对两副天线接 收信号进行处理而确定干扰方向。
4 结 论
本文简要回顾零向频率扫描天线的发展历史、深 入剖析其设计原理、详细介绍其研究现状并作了未来 展望。基于广义奇偶模理论和多模谐振［64－ 66］技术，充 分揭示扇形零向频率扫描天线的演化规律，形成最简 结构多模谐振零向频扫天线的通用设计方法; 进而从 天线体积、可用带宽、定向增益、扫描范围、零向深度以 及扫描灵敏度等性能指标方面，系统地比较各类设计 方法; 最后展望零向频率扫描天线在抗干扰 /测向天线 系统中的潜在应用。零向频率扫描天线的模式综合设 计法数学原理严格、物理内涵清晰，能够与阵列天线、 复合天线等技术相融合，有望简化并提高 ISAC、各类 无线测向和抗干扰通信系统的性能。未来结合新材 料、新工艺以及高级软件算法［85］，还能实现多模谐振 零向频率扫描天线与射频前端的一体化封装集成，催 生更多先进天线系统，广泛应用于新一代无线通信、雷 达与测向、干扰抑制与测向、物联网、射频识别等领域。
