微带漏波天线的设计与仿真

微带漏波天线的设计与仿真

相控制矩阵雷达天线改变矩阵中每个天线单元的信号相位关系，并改变矩阵方向上的波束方向。波束可控性强,反应速度快,但是系统复杂、成本高昂。微带漏波天线是一种新型低成本智能天线,具有低剖面、重量轻、电控波束扫描等优点。微带漏波天线辐射特性由漏波相位常数决定,当满足βz<k0时,微带漏波天线工作于第一高阶模,能量以空间波的形式向外辐射。但传统微带漏波天线的频扫特性只能沿着波的传播方向,实现四分之一空间内有限角度的波束扫描。左手材料(Left-handedmetamaterials,LHMs)是一种介电常数和磁导率同时为负的人工复合电磁材料,电磁波在其中传播时电场矢量、磁场矢量与波矢量满足左手螺旋定则,是近年来热门的研究领域。左手材料的出现对微波设计领域提出了新的设计思路,电场、磁场和波矢之间构成左手关系的左手性材料具有后向波传输、零相位和零传播常数等独特性质。Itoh等于2002年提出了一种新型左手材料——复合左右手传输线(Compositeright/left-handedtransmissionline,CRLH-TL)。这种材料在普通传输线上加载并联电感和串联电容,当微带单元的物理长度远小于微波波长时,主要由加载的元件决定这种周期性结构的有效介电常数εe和有效磁导率μe,而传输线本身的分布电容和分布电感起的作用很小。当电磁波在该传输线中传播时,在某个频率范围内其传播特性呈现“左手特性”,而在其他频率范围内呈现“右手特性”。本文利用新型天线工作在左手通带内具有的后向辐射特性,设计了一种基于复合左右手传输线的新型波束扫描微带漏波天线,可以实现整个半空间内从前向到后向的连续扫描,探索一种新的天线波束扫描技术。1新型漏波天线单元的设计与制造单元长度为p的均匀理想复合左右手传输线的等效电路模型如图1(a)所示。图中CL和LL分别表示左手传输线单元的串联电容和并联电感,CR和LR分别表示右手传输线单元的并联电容和串联电感。电磁波在复合左右手传输线中传播存在如式(1)的非线性色散关系βn(ω)=1pcos−1(1−12(ω2CRLR+1ω2CLLL−CRCL−LRLL))(1)βn(ω)=1pcos-1(1-12(ω2CRLR+1ω2CLLL-CRCL-LRLL))(1)式中:βn(ω)为第n阶模式电磁波的相位常数;ω为角频率;p为单元长度。电磁波在复合左右手传输线中传播时的色散曲线如图1(b)所示,色散关系由左手禁带、左手通带、电磁波禁带、右手通带和右手禁带等区域组成。如果左手和右手单个单元的电容和电感之比满足LL/CL=LR/CR时,电磁波禁带区就会消失,出现平衡态,电磁波零阶工作模式只对应一个工作频率。新型漏波天线采用了如图2(a)所示的复合左右手传输线单元,改传输线单元的色散曲线仿真结果如图2(b)所示。复合左右手传输线印刷在介电常数为εr=2.2,厚度h=1.6mm的Duriod5880介质基板上,图2(a)所示的复合左右手传输线单元利用分布元件(叉指电容,旁支电感)构成,旁支电感的尺寸为1.0mm×8.8mm;叉指电容由5对金属条组成,尺寸为6.8mm×0.3mm;每个相邻金属条的间距是0.2mm,旁支电感终端设计金属化过孔连接接地板。分析图2(b)的色散曲线仿真结果可知,该复合左右手传输线单元工作在平衡状态,对应零阶工作模式的工作频率为3.4GHz。2新型波束扫描微带漏波天线辐射特性可以用漏波传输常数来说明,如式(2)kz=βz-jαz(2)式中:βz为漏波相位常数,αz为漏波衰减常数。当βz满足βz<k0时,微带漏波天线工作于第一高阶模,能量以空间波的形式向外辐射。天线辐射主波束方向随着工作频率的增大向端射方向偏移。扫描角度由式(3)决定,具有电控频扫特性。sinθ=βz/k0(3)微带漏波天线频扫特性在于当工作频率改变的时候,微带天线的电长度也随之改变,使微带漏波天线上各点相位发生变化,形成的主波束发生偏转。传统漏波天线波束只能在沿传播方向的一个象限内改变,扫描范围有限。利用复合左右手传输线设计新型波束扫描的漏波天线,在频带低端,使天线工作于左手模式(βz<0),电磁波向后向传播;在频率ω0(βz=0)处于平衡状态,电磁波沿着与漏波天线平面的垂直方向辐射。在频带高端,复合左右手传输线工作于右手模式(βz>0),电磁波向前向传播;复合左右手传输线漏波天线可实现在整个半空间的连续扫描。利用微带漏波天线的频扫特性,通过改变工作频率实现微带漏波天线波束扫描。也可以使用通过电压改变变容二极管的电容,实现固定频率下微带漏波天线的波束扫描。3仿真结果与测试结果频扫微带漏波天线由11个如图2(a)所示复合左右手传输线单元构成,运用AnsoftDesigner软件进行仿真,仿真模型如图3所示。微带漏波天线E面辐射方向图的仿真结果与测试结果如图4所示。频扫天线测试结果见表1。如图4所示,天线工作于左手区时,主瓣后向辐射,波束指向-43°;当βz=0时,天线主瓣垂直辐射,波束指向0°;当频率继续增大,天线工作于右手区,天线主瓣前向辐射,波束指向38°。图中实线为仿真方向图,点线为测试方向图。仿真方向图与测试方向图较吻合。4单元结构和测试结果在固态有源相控阵天线的应用中,要求天线能实现固定频率下的波束扫描。根据电路单元的色散曲线分析,天线扫描角度由电路的电感和电容决定,通常电路的分布参数是随频率变化的。如果能通过电压控制电感或电容值,就可以实现天线在某一固定频率下通过改变电压实现天线波束扫描的目的。可以通过使用变容二极管来实现电压控制电路参数的目的,改变电压可以改变变容二极管的电容,使传播相位常数βz变成电压的函数,如式(4),天线波束辐射的角度就可以通过电压来控制。sinθ(V)=βz(V)/k0(4)固定频率下波束扫描漏波天线单元结构见图5所示,可以在频扫天线复合左右手传输线单元的基础上,加载变容二极管来完成。每单元分别串联2个二极管、并联一个二极管。可由一个电源同时给3个变容二极管提供电压。由于需要使用供电电路,还必须有RF扼流线圈起到隔交流的作用。为了原理性验证,设计和试验时用等值电容等效代替变容二极管,不需电源提供电压,去掉了RF扼流线圈,省略了供电部分电路。实际设计的天线实物如图6所示。固定频率下波束扫描微带漏波天线叉指电容由相互交叉的5对4.5mm×0.2mm的金属条组成,每相邻金属条的间距是0.2mm。旁支电感分别由1.0mm×4.5mm以及4.5mm×6.8mm的金属条构成。选用容值分别为1.0pF和1.4pF的电容设计不同扫描角度的漏波天线。固定频率下的波束扫描微带漏波天线测试结果见表2。漏波天线的测试方向图如图7所示。分析测试数据和测试方向图,漏波天线工作于3.60GHz,加载1.0pF电容的微带天线后向辐射,波束指向-50°;加载1.4pF电容的微带天线前向辐射,波束指向32°;实现了漏波天线在固定频率下通过改变电压完成波束扫描的目的。5天线的扫描天