一種復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)的高掃描率微帶漏波天線

馬民政 ,王宏建 ,劉明月

(1.中國科學(xué)院微波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,國家空間科學(xué)中心,北京 100190;2.中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

漏波天線是20 世紀(jì)40 年代研發(fā)的一種行波天線,具有獨(dú)特的輻射特性和優(yōu)良的波瓣掃描特性,在高分辨率雷達(dá)和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。最初的漏波天線由金屬開縫矩形波導(dǎo)構(gòu)成,制作難、體積大及頻帶窄等缺點(diǎn)制約了其發(fā)展。微帶漏波天線加工在印刷電路板上,具有易加工、易集成、結(jié)構(gòu)簡單且容易饋電等優(yōu)點(diǎn),在微波及微波以上頻段得到了廣泛應(yīng)用。

傳統(tǒng)的微帶漏波天線前后向掃描不連續(xù),存在一個(gè)反射系數(shù)很大的頻率間隔,被稱為開路阻帶(Open-Stop Band,OSB)效應(yīng),OSB 效應(yīng)會導(dǎo)致天線輻射效率下降,掃描范圍變小。為了抑制或消除OSB 效應(yīng),Ahmad 等[1]設(shè)計(jì)了一種彎曲饋線的貼片型周期漏波天線,通過貼片在縱軸上的偏移實(shí)現(xiàn)阻抗匹配,提高天線增益。Williams 等[2]設(shè)計(jì)了一種一維平面周期性漏波天線,采用四分之一阻抗變換器消除該天線在波束橫向掃描時(shí)的OSB 效應(yīng)。Otto 等[3-4]研究發(fā)現(xiàn)在漏波天線中引入不對稱性結(jié)構(gòu)有助于抑制OSB 效應(yīng),提高天線輻射效率。復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)(Composite Right/Left Handed Transmission Line,CRLH-TL)作為一種不對稱性結(jié)構(gòu),也可以消除OSB 效應(yīng)[5]。另一方面,研究人員為了提高漏波天線的掃描率,通常使用高介電常數(shù)的材料制作天線,如相對介電常數(shù)高達(dá)1900 的鋯鈦酸鉛[6],但高介電常數(shù)會導(dǎo)致天線的增益較低。此外,還可以設(shè)計(jì)表面等離子體激元、折疊結(jié)構(gòu)等慢波結(jié)構(gòu)[7-9]來提高漏波天線的掃描率,但是這些設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,不利于加工制造。

本文提出了一種新型復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)微帶漏波天線,抑制了OSB 效應(yīng),實(shí)現(xiàn)了連續(xù)掃描,設(shè)計(jì)了耦合時(shí)延線提高漏波天線的掃描率,并且分析了曲折線參數(shù)對色散曲線的影響。對天線的輻射特性進(jìn)行了研究,天線實(shí)測與仿真結(jié)果基本一致,該天線具有高增益、高掃描率和小型化的優(yōu)點(diǎn),可以為漏波天線的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供指導(dǎo)。

1 微帶漏波天線設(shè)計(jì)

微帶漏波天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示,天線整體設(shè)計(jì)在相對介電常數(shù)為εr=3.55、損耗角正切tanδ=0.0027 和厚度為1.524 mm 的Rogers RO4003C 板材上。其中曲折線單元在縱軸上向+y方向偏移s值,以在天線結(jié)構(gòu)中納入不對稱性。曲折線的線長L的尺寸通過公式(1)確定,在10.5 GHz 中心頻率下,優(yōu)化后的值為L=12 mm。

式中:c和εr分別是空氣中的光速和襯底的相對介電常數(shù)。通過調(diào)整相鄰兩個(gè)天線單元之間的微帶傳輸線寬度fw可以調(diào)節(jié)天線單元的阻抗值,微帶線特征阻抗Z0計(jì)算公式為:

式中:h為介質(zhì)板的厚度;Zr=376.8 Ω,為自由空間中波阻抗。優(yōu)化后選擇fw=1.0 mm,使天線在工作頻帶內(nèi)回波損耗低于-10 dB,微帶傳輸線的初始長度fl設(shè)置為10.5 GHz 時(shí)的四分之一工作波長。耦合延時(shí)線類似U 型,如圖1 右所示,其有效長度為四分之一工作波長的奇數(shù)倍時(shí)可使群時(shí)延最大。天線中的微帶線拐角均設(shè)計(jì)為圓拐角的形式以改善天線的阻抗匹配。本設(shè)計(jì)采用14 單元陣列增強(qiáng)天線輻射效率和增益,天線整體尺寸為177 mm×30 mm(6.2λ0×1.05λ0),其余各參量數(shù)值為:s=4.3 mm,fl=4.0 mm,uw=0.2 mm,ug=0.5 mm,r=0.2 mm,yl=9 mm,yw=0.4 mm,yg=0.2 mm,yr=0.2 mm。

圖1 天線結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Antenna structure

圖2 展示了當(dāng)CRLH-TL 處于平衡態(tài)時(shí)的色散曲線,從圖中可得,其色散區(qū)間分為六個(gè)部分。當(dāng)ωBF＜ω ＜ω0時(shí),傳輸線處于左手漏波區(qū)域,漏波天線可以在-90°～0°內(nèi)進(jìn)行頻掃。當(dāng)ω0＜ω ＜ωEF時(shí),傳輸線處于右手漏波區(qū),漏波天線可以在0°～90°內(nèi)進(jìn)行頻掃,因此利用CRLH-TL 形式實(shí)現(xiàn)的微帶漏波天線可以突破傳統(tǒng)微帶漏波天線頻掃限制,實(shí)現(xiàn)主波束在-90°～+90°空間范圍內(nèi)的頻掃特性。

圖2 CRLH-TL 色散曲線圖Fig.2 CRLH-TL dispersion diagram

2.1 漏波單元分析

CRLH-TL 是通過曲折線單元結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的,結(jié)構(gòu)如圖1 所示,其豎直微帶線間的電容可以等效為串聯(lián)電容,豎直微帶線上的電流效應(yīng)可以等效為串聯(lián)電感,曲折線單元與金屬接地板之間的電容可以等效為并聯(lián)電容,而水平微帶線上的電流可以等效為并聯(lián)電感。

2 漏波單元和時(shí)延線分析

利用S參數(shù)計(jì)算CRLH-TL 傳輸線單元的色散圖[10],公式如下:

式中:β是漏波天線內(nèi)的相位常數(shù);p是漏波單元的周期長度;S11、S12分別是漏波單元的反射系數(shù)和傳輸參數(shù)。利用公式(3)計(jì)算繪制得到漏波單元色散曲線如圖3 所示,圖3 中的紅色曲線代表Airline,用以確定快波區(qū)和慢波區(qū)。從圖中可以看出,該單元色散圖被分為兩個(gè)區(qū)域,即Airline 左邊β ＜k0(9.46～11.46 GHz)為快波區(qū),也就是天線的漏波輻射區(qū),Airline 線右邊β ＞k0(9.46 GHz 以下及11.46 GHz 以上)為慢波區(qū),也就是天線的非輻射區(qū)。輻射區(qū)域又可以進(jìn)一步分為兩個(gè)區(qū)域:

圖3 漏波單元色散圖Fig.3 Dispersion diagram of leakage wave element

(1)左手區(qū)域:9.46～10.7 GHz 的頻帶為左手區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域里傳輸線的相速度和群速度是相反的;

(2)右手區(qū)域:10.7～11.46 GHz 的頻帶為右手區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域里傳輸線的相速度和群速度是平行的。

當(dāng)CRLH-TL 的串聯(lián)諧振頻率與并聯(lián)諧振頻率相等時(shí),傳輸線達(dá)到平衡狀態(tài),此時(shí)平面電磁波可以由左手傳輸線無縫過渡到右手傳輸線,但實(shí)際情況下平衡點(diǎn)頻率附近會出現(xiàn)一定帶寬的阻帶,而阻帶特性會直接影響傳輸線的左右手特性,因此展開討論曲折線單元主要參數(shù)對傳輸線平衡狀態(tài)的影響。

從傳輸線單元的等效電路可知,曲折線線長L、間距ug和線寬uw對天線平衡狀態(tài)影響較大,因此調(diào)節(jié)這三個(gè)參數(shù)的取值可以使漏波單元的串聯(lián)諧振頻率和并聯(lián)諧振頻率相等。圖4、圖5 和圖6 展示了利用全波分析法對這三個(gè)參數(shù)分析后得到的色散曲線。

曲折線線長對漏波單元色散曲線的影響如圖4 所示,當(dāng)L從11 mm 增加到12.5 mm,CRLH-TL 的平衡點(diǎn)從11.5 GHz 移動到10.4 GHz 左右,隨著線長增加諧振頻率逐漸減小。曲折線線寬對漏波單元色散曲線的影響如圖5 所示,當(dāng)uw從0.1 mm 增加到0.5 mm時(shí),單元平衡點(diǎn)的諧振頻率幾乎不變,但平衡點(diǎn)附近區(qū)域會出現(xiàn)禁帶現(xiàn)象。圖6 所示為曲折線間距對漏波單元色散曲線的影響,當(dāng)ug從0.3 mm 增加到0.8 mm時(shí),復(fù)合左右手傳輸線單元的平衡點(diǎn)從11.1 GHz 下降到10.4 GHz 左右,隨間距增寬,諧振頻率也逐漸降低。

圖4 不同線長L 色散曲線圖Fig.4 Dispersion diagram of different line length ul

圖5 不同線寬uw色散曲線圖Fig.5 Dispersion diagram of different line width uw

圖6 不同間距ug色散曲線圖Fig.6 Dispersion diagram of different spacing ug

2.2 時(shí)延線分析

在由多個(gè)輻射單元組成的周期性陣列中,其輻射主波束的指向是多個(gè)周期單元輻射方向共同疊加后的最大值指向。在饋電中采用輸入源從天線的一端對陣列進(jìn)行饋電,那么任意相鄰的兩個(gè)輻射單元的激勵信號就會產(chǎn)生相位延遲Δφ:

式中:λg是天線的工作波長;p是兩個(gè)輻射單元之間的間距。當(dāng)p固定時(shí),隨著工作頻率的改變,λg隨之變化,相位差Δφ就會改變,而輻射單元的每一個(gè)相位差都對應(yīng)著天線主波束的一個(gè)指向角度θ0,天線波束指向變化范圍的大小和相位差的變化量成正比關(guān)系。天線要實(shí)現(xiàn)高的掃描率,意味著在相同的帶寬內(nèi)相位差的變化量要大,即天線的群時(shí)延要大。

本文采用了一種基于全通濾波器調(diào)節(jié)群時(shí)延的方法設(shè)計(jì)了C 型耦合時(shí)延線[11],其結(jié)構(gòu)展示在圖1 中,該耦合時(shí)延線具有全通濾波幅度響應(yīng),其散射參數(shù)為:

其中

式中:l是耦合延時(shí)線耦合部分的有效長度;ω是角頻率;c是光在真空中的傳播速度;ne是光在真空的折射率,通常等于有效介電常數(shù)的平方根;k是耦合器的耦合系數(shù)。傳輸?shù)南辔粸?

從而可求得其群時(shí)延響應(yīng)為

式中:a=系統(tǒng)群時(shí)延與a和θ有關(guān)。a和θ分別與耦合系數(shù)k和耦合部分的有效長度l相關(guān),因此調(diào)節(jié)耦合微帶線的長度yl和耦合部分間距yg可以達(dá)到需求的響應(yīng),當(dāng)l為四分之一波長的奇數(shù)倍時(shí),系統(tǒng)群時(shí)延達(dá)到最大值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

提出的微帶漏波天線通過在X方向上周期性放置輻射單元,和耦合時(shí)延線設(shè)計(jì)而成(周期p?λg,λg為10.5 GHz 時(shí)的波長),該天線由14 個(gè)單元級聯(lián)組成,在每兩個(gè)相鄰單元間加上耦合時(shí)延線。用全波分析法分析天線的阻抗帶寬和輻射特性,并制造了天線實(shí)物以驗(yàn)證仿真分析結(jié)果,圖7、圖8 所示為天線實(shí)物的上、下表面及天線在暗室中的測試場景,天線實(shí)物整體尺寸為177 mm×30 mm×1.524 mm。使用Agilent Technologies N5244A 型號矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的反射系數(shù)S11,天線的增益和輻射方向圖在無反射波的暗室中采用NSI2000 近場測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。

圖7 天線實(shí)物Fig.7 Antenna physical

圖8 測試場景Fig.8 Test scenarios

圖9 為漏波天線S參數(shù)仿真與實(shí)測對比,可以觀察到,仿真的阻抗帶寬為9.7～11.36 GHz,而實(shí)測S11＜-10 dB 的帶寬為9.7～11.45 GHz,仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果顯示出良好的一致性。圖10 繪制了不同頻率下微帶漏波天線在E 面上仿真和測量的波束掃描特性。天線的主輻射波束是掃描角度θ的函數(shù),仿真結(jié)果顯示隨著頻率從9.7 GHz 增加到11.1 GHz,主波束方向也由左至右改變,掃描角度為-50°～+34°,總的掃描角度為84°,掃描率為60(°)/GHz。與仿真相比,實(shí)測掃描角度為-50°～+31°,總的掃描角度為81°,掃描率為57.8(°)/GHz。仿真最高增益為10.6 GHz 時(shí)的13.9 dB,而實(shí)測最高增益僅為12.25 dB。相比仿真,實(shí)測漏波天線在不同頻點(diǎn)的增益稍有下降,主要是由平面場測量誤差導(dǎo)致。平面場測量的掃描角度只能到達(dá)±70°,不能接收到天線輻射的全部能量,存在截?cái)嗾`差,若使用球面場測量,剛性電纜隨測量轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動會帶動天線產(chǎn)生位移,使得測量結(jié)果誤差更大。本文實(shí)測與仿真結(jié)果基本吻合,總體一致性良好,所提出的天線可以用于X 波段波束掃描應(yīng)用。

圖9 S11測試與仿真結(jié)果Fig.9 Test and simulation results of S11

圖10 天線方向圖測試與仿真結(jié)果Fig.10 Test and simulation results of the antenna orientation diagram

天線輻射效率仿真與實(shí)測結(jié)果顯示在圖11 中,從圖中可以看出在工作頻帶內(nèi),天線輻射效率均在90%左右,即天線中傳輸?shù)哪芰看蟛糠侄伎梢酝ㄟ^快波模式輻射出去,傳輸損耗很小。

圖11 輻射效率圖Fig.11 Radiation efficiency diagram

表1 列出了本文提出的天線與其他文獻(xiàn)報(bào)道的天線性能對比,本文提出的微帶漏波天線具有較高的掃描率和增益,且天線輻射效率在90%以上,具有實(shí)用價(jià)值。

表1 不同天線性能對比Tab.1 Different antenna performance comparison

4 結(jié)論

本文提出了一種新型復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)微帶漏波天線,可以實(shí)現(xiàn)主波束在空間中的寬角度掃描,并具有較高的掃描率和增益。天線單元在縱軸上偏移以引入結(jié)構(gòu)不對稱性提高增益,同時(shí)在兩個(gè)相鄰單元間加入耦合延時(shí)線提高天線掃描率。為了驗(yàn)證仿真結(jié)果,制作了天線原型并進(jìn)行測試,結(jié)果表明天線的阻抗帶寬為9.7～11.45 GHz,波束掃描范圍為-50°～+31°,掃描率為57.8(°)/GHz,在整個(gè)工作頻帶內(nèi)輻射效率均不小于90%,天線在工作帶寬內(nèi)具有一致的增益響應(yīng),且最高增益為12.25 dB。所提出的天線具有高掃描率,其平面結(jié)構(gòu)易于優(yōu)化和制作,可以應(yīng)用在防撞雷達(dá)、高分辨率雷達(dá)和距離方位追蹤等場景中。