基于人工表面等離激元的圓極化漏波天線

(天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

漏波天線(Leaky Wave Antenna, LWA)是一種頻率掃描天線，由于其具有低剖面結(jié)構(gòu)，易于制造和集成，因而廣泛應(yīng)用于飛機表面的共形天線、高分辨率雷達和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域。傳統(tǒng)LWA沿傳輸線傳輸?shù)碾妶黾半娏骶鶠榫€極化方式，對于應(yīng)用到雷達和衛(wèi)星通信系統(tǒng)領(lǐng)域，要求輻射的電磁波為圓極化(Circularly Polarized, CP)波。如何實現(xiàn)CP并增加CP帶寬是該領(lǐng)域研究的重要問題。在波束掃描過程中，為了避免偏振失配和抑制多徑干擾[1]，對CP-LWA提出了較高的要求。

為了在微波和太赫茲頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)表面等離子體(Surface Plasmons，SP)的功能，通過在金屬上刻蝕周期性凹槽實現(xiàn)的人工表面等離子體(Spoof Surface Plasmons, SSP)在近期引起了很多關(guān)注。它在微型微波器件方面具有潛在的應(yīng)用，例如波導(dǎo)[2-3]、濾波器[4]、功率分配器和天線[5-7]等。文獻[8]中，Kong等人提出了非對稱周期性調(diào)制SSP激元天線；文獻[9]提出了一種具有CP特性的廣角波束掃描天線；文獻[10]提出了一種基于SSP傳輸線的CP-LWA，在SSP波導(dǎo)兩側(cè)周期性加載兩個相差90 °相移的矩形貼片實現(xiàn)CP。

本文提出一種新型的基于周期調(diào)制SSP波導(dǎo)的高輻射效率CP-LWA。由于SSP波導(dǎo)的慢波色散特性，可以有效展寬天線在給定工作頻段的波束掃描角。SSP波導(dǎo)兩側(cè)的兩排圓形貼片沿著波導(dǎo)方向偏移1/4的導(dǎo)波波長，以提高有效的法向(Broadside)方向輻射，通過在圓形貼片單元中引入微擾，可以實現(xiàn)CP波束掃描。

1 LWA設(shè)計

1.1 CP-LWA結(jié)構(gòu)

設(shè)計的CP-LWA結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線印刷在基板上，由3個金屬部件組成：匹配饋電波導(dǎo)、SSP波導(dǎo)和輻射貼片?；迳嫌∷~箔的厚度為t，基板使用材料為F4B，相對介電常數(shù)為2.65，正切值損耗為0.003，厚度為h。天線的總尺寸為L0×W0(L0和W0分別為天線的長和寬)；Lg為彎曲地面長度；Wc、Lc和gc分別為中心帶寬度、長度和間隙；p、w、d和g分別為H型結(jié)構(gòu)單元寬度、高度、槽的深度及寬度；b為貼片與SSP波導(dǎo)的距離；a為圓形貼片之間的距離；R1為圓形貼片半徑；e1為圓形貼片中窄縫的寬度。

圖1 CP-LWA幾何結(jié)構(gòu)

圖2 SSP單元的色散曲線

圖3 輻射截面放大圖

參數(shù)值參數(shù)值t/mm0.018p/mm5.5h/mm1w/mm9.5L0/mm380d/mm4W0/mm70.7g/mm3Wc/mm3a/mm33Lc/mm10R1/mm8.25gc/mm0.2b/mm0.5Lg/mm30e1/mm0.8

1.2 原理

利用CST Microwave Studio的本征模求解器模擬了周期性SSP波導(dǎo)單元的色散特性。由圖2可知，隨著槽深d的增大，SSP模式的截止頻率降低。色散曲線總是位于光線下，這意味著SSP模式為慢波模式，SSP波導(dǎo)不能輻射到自由空間，為了實現(xiàn)輻射，必須在結(jié)構(gòu)中引入調(diào)制。周期調(diào)制引入無限空間諧波(Floquet模)，可以表示為

式中：βn為n次諧波的相位常數(shù)；β0為基次諧波的相位常數(shù)；P為導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的周期長度。對于第1空間諧波n=-1，其相位常數(shù)可表示為

LWA的輻射波束可以隨著頻率的增加從前向象限掃描到后向象限。主光束輻射方向可根據(jù)β-1表示為

式中，k0為自由空間中的波數(shù)。由于周期性對稱調(diào)制對饋源的結(jié)構(gòu)反射，使得Broadside方向(θ=90°)的輻射效率顯著降低，這一現(xiàn)象稱為Open-StopBand。在本文的設(shè)計中，介紹了通過在SSP波導(dǎo)的兩側(cè)加載圓形貼片來實現(xiàn)周期和非對稱調(diào)制。上側(cè)與下側(cè)圓形貼片偏移λg/4，消除了構(gòu)造性全反射，從而在Broadside方向產(chǎn)生高輻射效率。此外，上下側(cè)圓形貼片在直徑處分別切去方向為+45 °和-45 °、寬度為e1的窄縫，引入90 °相位差，使CP輻射成為可能。當頻率變化時，此特性必須保持在主光束方向內(nèi)。

2 仿真結(jié)果及優(yōu)化

設(shè)計了在5.6 GHz Broadside方向輻射的幾何結(jié)構(gòu)后，我們首先通過CST仿真軟件仿真測試了天線在特定頻率下的性能。5.6 GHz下SSP波導(dǎo)上的電場和磁場分布如圖4所示。

圖4 CP-LWA在5.6 GHz下的場分布

通過優(yōu)化仿真，分析天線的一些參數(shù)值與天線性能存在的對應(yīng)關(guān)系，可以更加方便地實現(xiàn)天線的性能指標和設(shè)計要求。當研究參數(shù)的值改變時，其他參數(shù)的值是固定的。貼片和傳輸線之間的間隙b以及圓形貼片的大小R1對S參數(shù)的影響如圖5所示，圖中，S11為反射系數(shù)，S21為透射系數(shù)。貼片和傳輸線之間的間隙影響來自傳輸線的耦合能量，調(diào)整位置參數(shù)b可以優(yōu)化耦合效果。圓形貼片的大小決定了輻射和反射能量，仿真結(jié)果表明，適當選擇金屬片的半徑可以有效地減少波反射，大部分能量被輻射出去，從而獲得比較好的性能。不同位置參數(shù)值b與軸比(Axial Ratio,AR)的關(guān)系如圖6(a)所示，當b=0.5 mm時，在4.6～6.4 GHz范圍內(nèi)AR<3 dB,獲得良好的CP性能。隨著b的增大，CP性能變好，可以看出b對天線的CP性能有影響。圓形貼片半徑R1為不同值時對應(yīng)的AR值如圖6(b)所示，R1=8.25 mm時，CP性能良好。當R1=6.25 mm時，4.5～7.0 GHz頻段的AR值變差。當R1=10.25 mm時，4.5～7.0 GHz的AR值變差。因此，選擇R1=8.25 mm來獲得良好的CP性能。

圖5 SSP-LWA的S參數(shù)研究

圖6 SSP-LWA的軸比研究

圖7 三維遠場輻射場

圖8 通過Broadside(5.6 GHz時為90 °)從后向前連續(xù)轉(zhuǎn)向光束

在5.6和6.5 GHz天線的三維遠場輻射圖如圖7所示，輻射主瓣分別指向90和75 °。LWA的連續(xù)掃描能力如圖8所示，通過將頻率從4.5 GHz改變?yōu)?.0 GHz，輻射主瓣可以準確地從后象限(4.5 GHz時為120 °)通過Broadside向(5.6 GHz時為90 °)轉(zhuǎn)向前象限(7.0 GHz時為70 °)。不同頻率下的增益和輻射效率如圖9(a)所示，由圖可知，最大輻射增益和平均增益分別約為12.5和11.5 dBi，最大增益變化為2.2 dBi，在整個工作頻率范圍內(nèi)增益變化很小。天線的輻射效率在整個阻抗帶寬上高于83%，平均值為84.2%。光束掃描角度和AR相對于頻率從4.5～7.0 GHz的變化趨勢如圖9(b)所示，仿真結(jié)果表明，該天線在頻率范圍內(nèi)具有3 dB的軸比帶寬為31.3%。

圖9 SSP-LWA的輻射性能

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于調(diào)制SSP波導(dǎo)的CP-LWA。在SSP波導(dǎo)兩側(cè)加載周期性和非對稱圓形貼片，實現(xiàn)了高效的Broadside方向輻射和CP性能。通過CST軟件仿真分析，天線在4.5～7.0 GHz的10 dB阻抗帶寬為43.5%，阻抗帶寬內(nèi)的平均輻射增益和效率分別約為11.5 dBi和84.2%，實現(xiàn)了3 dB軸比帶寬31.3%。本文提出的CP-LWA可以應(yīng)用于基于平面天線的無線通信系統(tǒng)中。