復合左右手微帶有源漏波陣列天線

李 磊 張安學 魏曉勇

(1.西安交通大學 西安 710149;2.西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

Smith、D.R等人在2001年首次構(gòu)造出介電常數(shù)和磁導率在某個頻段同時為負值的異向介質(zhì)[1]，并通過棱鏡實驗觀察到了該介質(zhì)的負折射效應，證明了左手材料的存在[2]。此后，這類人工介質(zhì)一直是國際物理學和電磁學界的研究熱點。隨著C.Carlos和T.Itoh等人提出的微帶結(jié)構(gòu)的復合左/右手傳輸線(Composite Right＆Left Hand Transmission Line—CRLH TL，下文中統(tǒng)稱CRLH TL)，以其具有的低插入損耗、連續(xù)性結(jié)構(gòu)，易加工實現(xiàn)的特點，使得復合左/右手傳輸線在實用性上都遠遠超過其他負介電常數(shù)和負磁導率結(jié)構(gòu)復合而成的純左手材料，成為最有希望左右手材料實用化的發(fā)展方向。

本文首先分析了左右手傳輸線的后向波理論的基本原理。其次，給出了一個3×3的有源漏波陣列天線設計實例，在傳輸方向上可以實現(xiàn)前后向波束大范圍掃描，在組陣方向?qū)崿F(xiàn)波束相掃。最后，通過仿真分析與樣品實測分析有效的證明了該設計方法的有效性，為基于左右手傳輸線的有源漏波陣列實用化發(fā)展提供一定的技術基礎。

2 基本原理及物理實現(xiàn)

2.1 復合左右手漏波天線原理

如圖1所示，傳輸線在 ω ＜min(ωse，ωsh)時，具有左手特性，而在ω＞max(ωse，ωsh)時，則為右手特性;如果 min(ωse，ωsh)＜ ω ＜ max(ωse，ωsh)，則信號處于禁帶中，存在禁帶的這種情況稱為非平衡結(jié)構(gòu)的CRLH TL。當ωse=ωsh=ω0時，CRLH TL的禁帶就變成了一個點，使得左右手頻帶相互連接，這種結(jié)構(gòu)則稱為平衡結(jié)構(gòu)的CRLH TL。

圖3中(b)給出了CRLH TL的基本微帶電路結(jié)構(gòu)形式，它由串聯(lián)交指電容和并聯(lián)短路支節(jié)兩部分組成，而將各單元串行級聯(lián)起來就構(gòu)成了CRLH TL。開放式平衡結(jié)構(gòu)形式的CRLH TL具有背射～端射大角度范圍的頻率掃描能(如圖2所示)，這是傳統(tǒng)漏波天線所不具有的。

圖2 復合左右手傳輸線漏波天線工作原理圖

圖3 CRLH TL漏波天線的微帶形式

2.2 復合左右手傳輸線有源漏波天線

利用Ansoft HFSS和Q3D Extractor配合參數(shù)提取公式可以求出傳輸線單元結(jié)構(gòu)的等效串并聯(lián)電容、電感 L'R、C'L、L'L和 C'R。利用公式求出:調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)尺寸并使之相等，最終得到平衡結(jié)構(gòu)的CRLH TL單元，然后將傳輸線單元級聯(lián)就組成了漏波天線單元。本文中設計的漏波天線的工作頻率為1.2 ～ 1.4GHz，微帶板材介電常數(shù)為 2.65，厚度3mm。經(jīng)過計算和仿真得到CRLH TL單元結(jié)構(gòu)尺寸為:交指線寬 1.35mm，縫隙寬 0.8mm，交指線長23.5mm，并聯(lián)短路線寬 2.9mm，并聯(lián)短路線長9.3mm，接地通孔直徑0.5mm。組成的漏波單元天線的主輻射方向在1.2GHz到1.4GHz能夠從－10°～+20°之間實現(xiàn)頻率掃描特性。但是這種并聯(lián)短路支節(jié)在傳輸線同側(cè)的漏波天線，它的交叉極化非常差，只有大約5dB左右;而短路支節(jié)分立于傳輸線兩側(cè)(圖3(c))的結(jié)構(gòu)可以大大降低其交叉極化。

利用前面提到的漏波天線，與放大器和移相器組合成的天線陣可以實現(xiàn)兩維方向的掃描，如下圖所示，在水平方向上實現(xiàn)的是頻率掃描，在垂直方向上則是相位掃描。漏波天線的輻射功率每經(jīng)過一定長度后，進入下段的輸入功率都會降低，因此在各子陣間引入放大器可以提升各段輸入功率可以增加天線的有效口徑，提升天線的總增益。

天線陣的輻射方向圖也依照下面的公式:

AF(θ)為激勵系數(shù)，an為漏波天線的激勵系數(shù)，Ncells為漏波天線中的單元數(shù)目，Pcell為漏波天線陣的長度;而am為漏波天線組陣的激勵系數(shù)，Nelem為漏波天線數(shù)，Pelem為漏波天線陣的總長度。

圖4 3×3復合左右手有源漏波天線陣

由于漏波天線陣為串行級聯(lián)的形式，為了保證總陣面的輻射方向圖特性，在傳輸線單元數(shù)量選擇上，必須保證單個漏波天線的長度應小于一個波長，否則總天線陣的輻射方向圖中就會出現(xiàn)柵瓣，使得大量的有用能量消耗在柵瓣中，既降低了輻射效率，也影響了方向圖的指標。

為保證三路信號輸出的幅度、相位一致性，功分器的設計采用階梯過渡形式的叉狀功分器形式，其結(jié)構(gòu)形式如下圖所示，中間路采用U型彎是為了保證插入相位與兩邊兩路一樣。

為了保證有源電路加入天線之間不會影響到天線陣的輻射方向圖，隨采用穿孔的方法，將經(jīng)過漏波天線的信號引導之背面，再與放大器相連;這里采用的是三層微帶的結(jié)構(gòu)形式，背面微帶板的厚度為0.8mm，這樣是為了降低50Ω微帶線寬度，方便與放大器級聯(lián)。利用圖6中穿孔電路漏波天線級聯(lián)起來，在并列排放，就組成了3×3的復合左右手有源漏波天線陣，其仿真模型見圖7。

不論是Ansoft HFSS還是CST這類三維電磁場仿真軟件，都不能進行有源電路的計算，只能對無源模型的仿真。為了模擬出有源天線陣方向圖，在每個漏波天線的輸入輸出端分別加入集總端口，輸入端設置為50Ω信號輸入端口，輸出端設置為50Ω接地負載。然后通過調(diào)整每個漏波天線輸入端口的信號幅度和相位信息，就可以模擬出在漏波天線之間引入放大器和三個水平天線條陣輸入端引入移相器的功能，完成天線陣兩維掃描功能和性能的仿真模擬;還可以通過端口幅度的大小，模擬出二項式陣或切比雪夫陣天線陣具有的不同特性，并調(diào)整本漏波天線陣。

3 仿真設計結(jié)果

經(jīng)HFSS軟件仿真計算，復合左右手漏波天線的方向圖如圖8所示，可以看出其掃描角度為變化不大的情況下，異側(cè)結(jié)構(gòu)的漏波天線的交叉極化已降低到－25dB以下。

一分三功分器的仿真結(jié)果如圖9所示。

9元漏波天線陣的仿真結(jié)果如圖10所示，從圖(a)中可以看出天線陣從 1.2 ～1.4GHz，主輻射方向能夠完成沿傳輸方向從－15°～+15°范圍的頻率掃描;然后通過同時調(diào)整三個天線條陣的輸入相位差，模擬出在每行漏波天線陣列的輸入端加入移相器的情況，圖10(b)中就是每條天線陣自上而下相差±30°的移相掃描情況。

4 測試結(jié)果

子漏波天線的實際電路圖如圖11所示。

圖12中(a)為其仿真的頻率掃描結(jié)果，(b)為其實際測試的頻率掃描結(jié)果，可以看出其實際結(jié)果與仿真結(jié)果的擬合度還是不錯的。

通過子漏波天線的測試，證明了這種平衡結(jié)果復合左右手形式天線是可以實現(xiàn)從負角度到正角度的大角度范圍掃描;由于相位掃描技術的成熟，因此，通過前面提到的有源電路的引入方法，實現(xiàn)兩維掃描的天線陣是可行的。

5 結(jié)束語

本文從左右手復合微帶線漏波天線的理論出發(fā)，在L波段構(gòu)造了一種兩維方向掃描的復合左右手有源漏波天線陣。經(jīng)過仿真計算，可以看出，通過引入放大器和移相器等有源電路既可以提高CRLH TL漏波天線陣地增益，也可以實現(xiàn)在兩維掃描的功能，這種結(jié)構(gòu)在平面天線陣在實際中有望得到應用。

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