基于復(fù)合左右手共面波導(dǎo)的雙邊輻射漏波天線*

劉傳運 褚慶昕 黃健全

(華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院，廣東廣州510640)

漏波天線是行波天線的一種，當(dāng)電磁波沿著導(dǎo)波結(jié)構(gòu)傳播時，不斷向外輻射功率.由于這種天線帶寬較寬且具有高指向性和頻率掃描的能力，因此得到了人們的廣泛關(guān)注［1-3］.漏波結(jié)構(gòu)可分為兩類:均勻漏波結(jié)構(gòu)和周期性漏波結(jié)構(gòu).傳統(tǒng)的均勻漏波結(jié)構(gòu)只能產(chǎn)生前向輻射［4］.盡管傳統(tǒng)的周期性漏波結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生后向輻射，但由于后向與前向之間的阻帶間隙，不能產(chǎn)生橫向輻射，導(dǎo)致后向輻射角與前向輻射角不連續(xù)［5］.由于能夠支持后向波傳播，復(fù)合左右手異向介質(zhì)的提出為漏波天線開辟了新的發(fā)展空間［4］.在平衡狀態(tài)下，復(fù)合左右手漏波天線消除了平衡點附近的阻帶效應(yīng)，使得在平衡點處群速不為0，有行波傳播，因而可以產(chǎn)生橫向輻射.從而，復(fù)合左右手漏波天線能夠產(chǎn)生從后向到前向的連續(xù)輻射［4］.

自復(fù)合左右手異向介質(zhì)的概念被提出之后，多種多樣的結(jié)構(gòu)被設(shè)計出來.以結(jié)構(gòu)中串聯(lián)電容的實現(xiàn)方式來分，這些結(jié)構(gòu)可分為交指電容結(jié)構(gòu)［6］、加綁定線的交指電容結(jié)構(gòu)［7］、單縫隙電容結(jié)構(gòu)［8］、平板電容結(jié)構(gòu)［9］等.交指電容是多導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，當(dāng)交指線多于3條時，結(jié)構(gòu)中不同模式將會產(chǎn)生諧振，從而阻礙對應(yīng)頻率信號的傳播［7］.加綁定線的交指電容可以抑制這些諧振，但在細(xì)小的交指線上加入綁定線使得加工變得困難.通常單縫隙電容的電容量很小，導(dǎo)致復(fù)合左右手單元很大.而平板電容為立體結(jié)構(gòu)，比平面結(jié)構(gòu)更難加工.

文中提出了一種基于共面波導(dǎo)(CPW)的復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu)［10］.在單縫隙電容的基礎(chǔ)上引入平板電容以減小結(jié)構(gòu)的尺寸，同時保留了平面結(jié)構(gòu)易于加工的優(yōu)點.文中給出了該結(jié)構(gòu)單元的色散圖表，確認(rèn)該結(jié)構(gòu)為平衡結(jié)構(gòu).同時畫出了光線以確定漏波區(qū)域.進(jìn)而利用該結(jié)構(gòu)構(gòu)造了一基于復(fù)合左右手共面波導(dǎo)的雙邊輻射漏波天線.通過比較不同頻點的測試方向圖，證明該天線具有從后向到前向的連續(xù)輻射能力.

1 單元結(jié)構(gòu)色散曲線

漏波天線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖中f代表頻率，f前向代表前向輻射頻率，f后向代表后向輻射頻率.單元等效電路如圖2所示.分布的縫隙電容近似表示為C1，分布的平板電容近似為C2，直接電感用L1表示，TL1代表共面波導(dǎo)傳輸線，TL2代表由縫隙電容下的平板與兩側(cè)的地構(gòu)成的傳輸線，如圖3所示.

圖1 基于復(fù)合左右手共面波導(dǎo)的漏波天線結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of CPW-based composite right/left-handed leaky-wave antenna

圖2 單元結(jié)構(gòu)的等效電路Fig.2 Equivalent circuit of the unit cell

圖3 TL2結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Configuration of TL2

單元結(jié)構(gòu)的［ABCD］矩陣為:

β1、β2分別為TL1、TL2的相移常數(shù).

相應(yīng)的S參數(shù)(反射系數(shù)S11和傳輸系數(shù)S21)可以表示為

其中:Z0為特性阻抗.

以等效電路為指導(dǎo)，文中提出了一種平衡的復(fù)合左右手傳輸線結(jié)構(gòu).結(jié)構(gòu)尺寸通過Ansoft HFSS最終優(yōu)化得出:T=9.5mm，l1=2.22mm，l2=1.64mm，l3=2.36mm，w=0.3mm，g1=0.22mm，l4=4.4mm，W=4.6mm，g2=0.7mm，g3=0.4mm.介質(zhì)板的相對介電常數(shù)和厚度分別為2.55和0.8 mm.對應(yīng)的電路元件值為 C1=0.07 pF、C2=1.05 pF、L1= 2.35nH.單元結(jié)構(gòu)S參數(shù)的幅度和相位如圖4所示，等效電路與全波仿真結(jié)果的變化趨勢具有很好的一致性.

復(fù)合左右手單元的色散曲線如圖5所示.可見，該結(jié)構(gòu)為平衡結(jié)構(gòu)，平衡點f橫向為4.08GHz.光線將圖表劃分為兩個部分:在線以上的漏波區(qū)域和在線以下的導(dǎo)波區(qū)域.漏波區(qū)域頻率范圍為:3.37～5.59GHz.

圖4 單元結(jié)構(gòu)的S參數(shù)Fig.4 Values of parameter S of unit cell

圖5 復(fù)合左右手單元的色散圖Fig.5 Dispersion diagram of composite right/left-handed unit cell

2 雙邊輻射的漏波天線

根據(jù)所提出的單元結(jié)構(gòu)構(gòu)造的漏波天線如圖6所示，該天線包含 5個基本單元.采用 Angilent N5230對該漏波天線的S參數(shù)進(jìn)行測量.圖7給出了漏波天線S參數(shù)的仿真和測試值比較，兩者吻合良好.在漏波波段(3.37～5.59GHz)，回波損耗基本在－10dB以下.

圖6 漏波天線實物圖Fig.6 Fabricated leaky-wave antenna

圖7 漏波天線S參數(shù)的仿真和測量值比較Fig.7 Measured and simulated S values of leaky-wave antenna

圖8 天線測試方向圖Fig.8 Measured antenna radiation patterns

圖8給出了漏波天線在不同頻率下的測試方向圖.該漏波天線方向圖利用戶外遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)測量得到，一端放置標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線發(fā)射信號，一端放置被測天線接收信號.在3.40GHz處(此時為左手區(qū)域)測量得到的歸一化方向圖如圖8(a)所示，可見在3.40GHz處漏波天線輻射角約為150°，為后向波輻射.在4.08GHz(平衡點)處的方向圖如圖8(b)所示，輻射角約為87°，為橫向輻射，這是傳統(tǒng)均勻漏波天線和周期性漏波天線所不能實現(xiàn)的.在5.30 GHz(此時為右手區(qū)域)處的方向圖如圖8(c)所示，輻射角約為65°，為前向波輻射.可見，該天線可以實現(xiàn)從后向到前向的連續(xù)輻射.從圖8還可以看出，該漏波天線可以實現(xiàn)上下兩個方向的雙邊輻射.

為了比較，圖9給出了一種均勻漏波天線［11］和一種周期性漏波天線［12］的方向圖.從圖9可知，均勻漏波天線只能實現(xiàn)前向輻射，周期性漏波天線不能實現(xiàn)橫向輻射，因而這兩種漏波天線均不能實現(xiàn)從后向到前向的連續(xù)輻射.

圖9 均勻漏波天線［11］與周期性漏波天線方向圖［12］Fig.9 Radiation patterns of a uniform leaky-wave antenna［11］and a periodic leaky-wave antenna［12］

3 結(jié)語

文中提出了一種雙邊輻射的漏波天線，該天線由基于共面波導(dǎo)的復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)構(gòu)造而成.文中給出了該天線的測試方向圖，結(jié)果表明，該天線可以實現(xiàn)從后向到前向的連續(xù)雙邊輻射.

［1］ Dong Y D，Itoh T.Composite right/left-handed substrate integrated waveguide leaky-wave antennas［C］∥Proceeding of European Microwave Conference.Rome:［s.n.］，2009:276-279.

［2］ Collins R E，Zucker F J.Antenna theory［M］.New York: McGraw-Hill，1969.

［3］ Oliner A A，Johnson R C.Leaky-wave antennas，antenna engineering handbook［M］.New York:McGraw-Hill，1993.

［4］ Caloz C，Itoh T.Electromagnetic metamaterials:transmission line theory and microwave applications［M］.New York:Wiley，2005.

［5］ Rahman A，Hao Y，Lee Y，et al.Effect of unit-cell size on performance of composite right/left-handed transmission line based leaky-wave antenna［J］.Electronics Letters，2008，44(13):788-790.

［6］ Caloz C，Itoh T.Novel microwave devices and structures based on the transmission line approach of meta-materials［C］∥IEEE-MTT Int’l Symp.［S.l.］:Microwave Symposium Digest，2003，1:195-198.

［7］ Casares-Miranda F P，Marquez-Segura E，Otero P，et al.Composite right/left-handed transmission line with wire bonded interdigital capacitor［J］.IEEE Microwave Wireless Compon Lett，2006，16(11):624-626.

［8］ Gao J，Zhu L.Characterization of infinite-and finite-extent coplanar waveguide metamaterials with varied left-and right-handed passbands［J］.IEEE Microwave Wireless Compon Lett，2005，15(11):805-807.

［9］ Horii Y，Caloz C，Itoh T.Super-compact ultilayered lefthanded transmission line and diplexer application［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(4):1527-1534.

［10］ Liu C Y，Chu Q X.A novel coplanar-waveguide-based composite right/left-handed transmission line［C］∥Proceedings of Microwave and Millimetre-Wave Symposium of China.Ningbo:［s.n.］，2009:1324-1326.

［11］ Menzel W.A new travelling-wave antenna in microstrip［J］.AEU，1979，33(4):137-140.

［12］ Li Y X，Xue Q，Yung E K N，et al.A periodic microstrip leaky-wave antenna［C］∥Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference.Hong Kong:［s.n.］，2008:1-5.