基于復(fù)合左手傳輸線的有源漏波陣列天線

基于復(fù)合左手傳輸線的有源漏波陣列天線

1復(fù)合左/右傳輸線2001年，smith、d.r等人首次設(shè)計(jì)了具有負(fù)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率為負(fù)值的異向介質(zhì)。通過(guò)顯微鏡實(shí)驗(yàn)，觀察到介質(zhì)的負(fù)折射效應(yīng)，并證明了左手材料的存在。此后,這類人工介質(zhì)一直是國(guó)際物理學(xué)和電磁學(xué)界的研究熱點(diǎn)。隨著C.Carlos和T.Itoh等人提出的微帶結(jié)構(gòu)的復(fù)合左/右手傳輸線(CompositeRight&LeftHandTransmissionLine—CRLHTL,下文中統(tǒng)稱CRLHTL),以其具有的低插入損耗、連續(xù)性結(jié)構(gòu),易加工實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn),使得復(fù)合左/右手傳輸線在實(shí)用性上都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率結(jié)構(gòu)復(fù)合而成的純左手材料,成為最有希望左右手材料實(shí)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(gè)3×3的有源漏波陣列天線設(shè)計(jì)實(shí)例,在傳輸方向上可以實(shí)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(guò)仿真分析與樣品實(shí)測(cè)分析有效的證明了該設(shè)計(jì)方法的有效性,為基于左右手傳輸線的有源漏波陣列實(shí)用化發(fā)展提供一定的技術(shù)基礎(chǔ)。2基本原則和物理實(shí)現(xiàn)2.1crlhtl基本微帶結(jié)構(gòu)如圖1所示,傳輸線在ω<min(ωse,ωsh)時(shí),具有左手特性,而在ω>max(ωse,ωsh)時(shí),則為右手特性;如果min(ωse,ωsh)<ω<max(ωse,ωsh),則信號(hào)處于禁帶中,存在禁帶的這種情況稱為非平衡結(jié)構(gòu)的CRLHTL。當(dāng)ωse=ωsh=ω0時(shí),CRLHTL的禁帶就變成了一個(gè)點(diǎn),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CRLHTL。圖3中(b)給出了CRLHTL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(jí)聯(lián)起來(lái)就構(gòu)成了CRLHTL。開(kāi)放式平衡結(jié)構(gòu)形式的CRLHTL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。2.2漏波天線陣的仿真模型利用AnsoftHFSS和Q3DExtractor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:ωse=1L′RC′L√ωse=1L′RC′L、ωsh=1L′LC′R√ωsh=1L′LC′R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CRLHTL單元,然后將傳輸線單元級(jí)聯(lián)就組成了漏波天線單元。本文中設(shè)計(jì)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(guò)計(jì)算和仿真得到CRLHTL單元結(jié)構(gòu)尺寸為:交指線寬1.35mm,縫隙寬0.8mm,交指線長(zhǎng)23.5mm,并聯(lián)短路線寬2.9mm,并聯(lián)短路線長(zhǎng)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(shí)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(shí)現(xiàn)兩維方向的掃描,如下圖所示,在水平方向上實(shí)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(guò)一定長(zhǎng)度后,進(jìn)入下段的輸入功率都會(huì)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:R(θ)broadside=Relem(θ)broadside·AF(θ)broadside≈∑n=1Ncellsanej(n?1)k0pcellsinθ?∑m=1Ncellsamej(m?1)k0pelemsinθ≈∑n=1Νcellsanej(n-1)k0pcellsinθ?∑m=1Νcellsamej(m-1)k0pelemsinθAF(θ)為激勵(lì)系數(shù),an為漏波天線的激勵(lì)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(zhǎng)度;而am為漏波天線組陣的激勵(lì)系數(shù),Nelem為漏波天線數(shù),Pelem為漏波天線陣的總長(zhǎng)度。由于漏波天線陣為串行級(jí)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(gè)漏波天線的長(zhǎng)度應(yīng)小于一個(gè)波長(zhǎng),否則總天線陣的輻射方向圖中就會(huì)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(biāo)。為保證三路信號(hào)輸出的幅度、相位一致性,功分器的設(shè)計(jì)采用階梯過(guò)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(huì)影響到天線陣的輻射方向圖,隨采用穿孔的方法,將經(jīng)過(guò)漏波天線的信號(hào)引導(dǎo)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(jí)聯(lián)。利用圖6中穿孔電路漏波天線級(jí)聯(lián)起來(lái),在并列排放,就組成了3×3的復(fù)合左右手有源漏波天線陣,其仿真模型見(jiàn)圖7。不論是AnsoftHFSS還是CST這類三維電磁場(chǎng)仿真軟件,都不能進(jìn)行有源電路的計(jì)算,只能對(duì)無(wú)源模型的仿真。為了模擬出有源天線陣方向圖,在每個(gè)漏波天線的輸入輸出端分別加入集總端口,輸入端設(shè)置為50Ω信號(hào)輸入端口,輸出端設(shè)置為50Ω接地負(fù)載。然后通過(guò)調(diào)整每個(gè)漏波天線輸入端口的信號(hào)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(gè)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(guò)端口幅度的大小,模擬出二項(xiàng)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功分器仿真結(jié)果經(jīng)HFSS軟件仿真計(jì)算,復(fù)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(guò)同時(shí)調(diào)整三個(gè)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頻率掃描結(jié)果子漏波天線的實(shí)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(shí)際測(cè)試的頻率掃描結(jié)果,可以看出其實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果的擬合度還是不錯(cuò)的。通過(guò)子漏波天線的測(cè)試,證明了這種平衡結(jié)果復(fù)合左右手形式天線是可以實(shí)現(xiàn)從負(fù)角度到正角度的大角度范圍掃描;由于相位掃描技術(shù)的成熟,因此,通過(guò)前面提到的有源電路的引入方法,實(shí)現(xiàn)兩維掃描的天線陣是可行