寬帶低交叉極化超材料漏波天線的設(shè)計

吳國成,2， 吳 杰， 王光明2， 周義峰， 吳 瑞

(1.中國人民解放軍95174部隊， 湖北武漢 430040； 2.空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院， 陜西西安 710051)

0 引言

近年來，人工電磁超材料憑借其本身具有的負介電常數(shù)、負磁導(dǎo)率以及零折射率等非常規(guī)的電磁特性被廣泛應(yīng)用于天線和微波元器件的設(shè)計[1-2]，是現(xiàn)代通信和雷達系統(tǒng)的研究熱點和技術(shù)前沿。漏波天線不僅具有常規(guī)行波天線所具有的較寬阻抗帶寬和較好定向輻射特性等優(yōu)越性能，還具有連續(xù)的頻率掃描特性和很強的方向性等獨特電磁特性，一直以來都是天線與微波技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點和重點[3-4]。漏波天線不僅適合通過共形設(shè)計安裝在導(dǎo)彈、攻擊型或偵察型無人機等飛行器的外殼，用于在末段制導(dǎo)的高分辨率雷達系統(tǒng)，還適用于在較為封閉的空間內(nèi)作為移動終端或者其他無線通信設(shè)備，以便提供較好的無死角電磁波覆蓋[5-6]。綜合利用人工電磁超材料來設(shè)計具備多種功能的高性能漏波天線受到廣大科研人員的深切關(guān)注，相關(guān)研究工作被不斷報道出來。

2012 — 2013年，Xu等提出了雙層諧振式超材料[7]和二維雙層超材料[8]，并用于漏波天線的設(shè)計，不僅實現(xiàn)從后向到前向的連續(xù)主波束掃描，而且實現(xiàn)了全向輻射，但是天線的增益變化起伏較大，交叉極化性能較差。此外，基于基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)結(jié)構(gòu)的超材料漏波天線也被大量報道：2011年，Dong等通過在SIW和半模基片集成波導(dǎo)(Half Mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)上加載交指結(jié)構(gòu)設(shè)計了多種超材料漏波天線[9]，均能夠?qū)崿F(xiàn)了大角度范圍的主波束掃描；2012 — 2013年，Nasimuddin等先后提出了多種雙層SIW超材料漏波天線[10-11]，在實現(xiàn)大角度范圍主波束掃描的同時，還能夠得到較寬的3 dB增益帶寬和寬帶邊向輻射等特性，但是這些天線的交叉極化性能需要進一步提高。此外，文獻[12-13]分別基于矩形波導(dǎo)和加載貼片的SIW設(shè)計了具有較大主波束掃描范圍的超材料漏波天線，但是工作頻帶內(nèi)增益的變化范圍很大。分析可知，這是由于這些文獻中報道的超材料漏波天線在工作頻帶內(nèi)的端射對超材料的左/右手頻段的過渡平衡點十分敏感造成的。因此，設(shè)計出同時具有寬3 dB增益帶寬和低交叉極化以及大掃描角度范圍的超材料漏波天線是一個很大的挑戰(zhàn)。

本文在前人工作基礎(chǔ)上提出了一種新型雙層寬帶電磁超材料單元，并將其用于漏波天線的設(shè)計。對天線進行加工并測試，測試與仿真結(jié)果吻合較好，表明所設(shè)計的超材料漏波天線在7.20～12.70 GHz的工作頻帶內(nèi)可實現(xiàn)從后向到前向達到158°的大范圍主波束掃描，天線的增益實測值在整個工作頻帶內(nèi)均大于10 dBi，峰值增益為 15.2 dB，3 dB增益帶寬達到50.2%。同時，在整個工作頻帶內(nèi)，天線的交叉極化始終比主極化低至少30 dB，具有很低的交叉極化。相比于新近文獻中報道的同類型天線，本文所設(shè)計的漏波天線具有優(yōu)勢更為明顯的電磁輻射特性。

1 雙層電磁超材料單元的設(shè)計與分析

如圖1所示，本文采用在SIW的上表面加載交指結(jié)構(gòu)，中間加載金屬貼片的方式提出了該雙層超材料單元結(jié)構(gòu)。其中的金屬過孔直徑為2r=0.76 mm，間距為d=1.52 mm，采用的介質(zhì)板是介電常數(shù)為2.2，正切角損耗為0.000 9，厚度為 0.914 mm的Rogers Duroid 5880。

圖1 雙層人工超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，所設(shè)計的超材料單元主要由蝕刻在SIW上表面的交指結(jié)構(gòu)、中間的矩形金屬貼片和下表面的金屬面組成。分析可知，位于交指結(jié)構(gòu)正下方的矩形金屬貼片可以等效為左手電容CL，而左手電感LL主要由金屬過孔產(chǎn)生；右手電容CR和右手電感LR則主要是SIW本身具有的分布電容和分布電感。當(dāng)所提出的雙層超材料單元處于平衡狀態(tài)，也就是其左手頻段和右手頻段實現(xiàn)完美過渡時，就要求左手電容和左手電感的乘積等于右手電容與右手電感的乘積，即

LRCL=LLCR

(1)

給定結(jié)構(gòu)參數(shù)為：l=9.8 mm，w=3.5 mm，Weff=11.8 mm，l1=2.5 mm，w1=0.1 mm，w2=1.0 mm，wep=3.9 mm，lep=4.5 mm，lg=20 mm，p=10.64 mm，h1=0.66 mm，h2=0.254 mm，雙層超材料單元處于平衡狀態(tài)。采用HFSS對其進行仿真，得到的結(jié)果如圖2所示。

(a) S參數(shù)

(b) 相位圖2 雙層人工超材料單元的全波仿真結(jié)果

根據(jù)圖2(a)可知，雙層超材料單元在其通帶內(nèi)具有兩個反射零點，分別位于7.95 GHz和9.52 GHz，并且由圖2(b)中內(nèi)容可知，雙層超材料單元在其通帶內(nèi)具有連續(xù)變化的相位特性，其中相位為0°的頻點為8.50 GHz，這表明該雙層超材料單元具有寬帶特性。

(a) 等效介電常數(shù)

(b) 等效磁導(dǎo)率圖3 雙層人工超材料單元的等效電磁參數(shù)

進一步對雙層SIW超材料單元進行研究，根據(jù)從全波仿真軟件中得到的S參數(shù)來提取其等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率，如圖3所示。圖3(a)中，在7.10～8.50 GHz的頻帶內(nèi)，超材料單元的等效介電常數(shù)為負值，在8.50～14.00 GHz則為正值。圖3(b)中，在7.20～8.50 GHz的范圍內(nèi)，超材料單元的等效磁導(dǎo)率為負值，在8.50～14.00 GHz則為正值，而在8.50 GHz處的等效介電常數(shù)和等效磁導(dǎo)率均為零。這表明雙層超材料單元的左手頻帶為7.20～8.50 GHz，右手頻段為8.50～14.00 GHz，左右手頻帶的過渡頻點為8.50 GHz。上述分析有效地驗證了所提出的雙層超材料單元的左手特性。

當(dāng)所設(shè)計的雙層超材料單元處于平衡狀態(tài)時，圖4和圖5分別給出其色散曲線和損耗特性分析。雙層超材料單元的色散和損耗可根據(jù)S參數(shù)分別通過式(2)和式(3)計算可得：

(2)

(3)

圖4 雙層人工超材料單元的色散曲線

圖5 平衡狀態(tài)超材料單元的輻射損耗

根據(jù)圖4可知，平衡狀態(tài)的雙層超材料單元的漏波頻段為7.20～12.70 GHz，其中左手漏波頻段為7.20～8.50 GHz，右手漏波頻段為8.50～12.70 GHz。圖5中對雙層超材料單元的輻射損耗分析可知，由于仿真設(shè)置中使用的介質(zhì)板為理想導(dǎo)體，同時介質(zhì)板的介質(zhì)損耗很小，基本可以忽略不計，因此這里給出的損耗主要為超材料單元的輻射損耗，并且雙層超材料單元在其左手漏波頻帶的輻射損耗要大于右手漏波頻帶。

2 超材料漏波天線的設(shè)計及分析

根據(jù)上述分析，將提出的雙層超材料單元用于漏波天線的設(shè)計，所設(shè)計的天線由15個雙層超材料單元組成，圖6給出了漏波天線的結(jié)構(gòu)與輻射原理示意圖。分析可知，所設(shè)計的漏波天線工作于基模狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)從后向到前向的連續(xù)主波束掃描，這是由超材料單元具有從負值到正值連續(xù)變化的相位特性所決定的。天線的主波束掃描角和對應(yīng)的工作頻率滿足如下方程[14]：

(4)

式中，k0為自由空間的傳播常數(shù)。

圖6 漏波天線結(jié)構(gòu)與輻射原理

根據(jù)式(4)可知，當(dāng)漏波天線的傳播常數(shù)小于自由空間的傳播常數(shù)時，也就是βk0，此時天線工作在右手頻段，能夠?qū)崿F(xiàn)前向輻射。當(dāng)天線工作于左手頻段和右手頻段的過渡頻點時，β=0，天線能夠?qū)崿F(xiàn)端射。

將超材料漏波天線進行加工，實物如圖7所示。采用N5230C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對加工好的天線進行測試，圖8給出了天線S參數(shù)的測試與仿真結(jié)果對比示意圖。

圖7 所設(shè)計的超材料漏波天線的實物圖

圖8 超材料漏波天線S參數(shù)仿真與測試結(jié)果

圖8給出了超材料漏波天線S參數(shù)的仿真與測試結(jié)果對比。從中可知，天線S參數(shù)的仿真與測試結(jié)果變化趨勢基本一致，證明了超材料漏波天線設(shè)計的有效性。需要指出的是，天線的傳輸系數(shù) |S21|的仿真與測試值有一定的差異，這主要是由實際加工的天線所用的非理想介質(zhì)板中存在介電常數(shù)漂移，以及加工過程中會有不可避免的誤差引起。

超材料漏波天線的測試傳輸系數(shù)|S21|在7.20～12.70 GHz的頻帶范圍內(nèi)基本都位于-10 dB以下，同時漏波天線的測試反射系數(shù)|S11|同樣均小于-10 dB，這表明天線具有較好的漏波輻射特性。此外，超材料漏波天線的反射系數(shù)|S11|在其右手頻段的仿真與測試結(jié)果均優(yōu)于左手頻段，表明天線在其右手頻段的輻射效率優(yōu)于左手頻段。

利用遠場方向圖測試系統(tǒng)測試超材料漏波天線在不同工作頻點的遠場歸一化方向圖，并與在仿真軟件中得到的結(jié)果進行對比，具體如圖9、圖10所示。

(a) 7.20 GHz

(b) 8.00 GHz

(c) 10.00 GHz

(d) 12.70 GHz圖9 超材料漏波天線的E面歸一化方向圖

(a) E面

(b) H面圖10 超材料漏波天線邊向輻射的歸一化方向圖

根據(jù)圖9(a)和圖9(b)，當(dāng)工作在7.20 GHz和8.00 GHz時，天線的主波束指向分別為-78°和-25°，均為后向輻射，并且這兩個頻點的交叉極化比主極化分別低約為53.5 dB和42.3 dB。而在圖9(c)和圖9(d)中，天線工作在10.00 GHz和12.70 GHz時的主波束指向分別為+30°和+80°，均為前向輻射，并且天線在這兩個頻點的交叉極化比主極化分別低約為34.7 dB和31.6 dB。此外，天線歸一化方向圖的仿真與測試結(jié)果吻合較好，但是在12.70 GHz處出現(xiàn)了一定程度的偏移，分析可知這可能是由于測試過程中存在的誤差造成的。

根據(jù)圖10可知，當(dāng)超材料漏波天線工作在8.50 GHz時，天線E面和H面的主波束指向均為0°，表明漏波天線在此頻段發(fā)生嚴格的邊向輻射。此時，漏波天線E面和H面主波束的半功率波束寬度分別約為11°和92°，并且E面歸一化方向圖的副瓣電平比主瓣低約為13 dB，并且天線在8.50 GHz處交叉極化比主極化低約36.9 dB。

綜上分析，所設(shè)計的超材料漏波天線在7.20～12.70 GHz的頻率范圍內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)主波束從后向到邊向到前向的連續(xù)掃描，并且在整個工作頻帶內(nèi)該漏波天線的交叉極化比主極化低至少30 dB，具有很低的交叉極化。

為進一步探究所設(shè)計的超材料漏波天線的輻射特性，圖11和圖12分別給出了超材料漏波天線相關(guān)輻射特性參數(shù)的仿真與測試結(jié)果對比。

圖11 漏波天線的波束掃描角和3 dB波束寬度

圖12 漏波天線的天線增益和輻射效率

在圖11中，超材料漏波天線在7.20～12.70 GHz工作頻帶內(nèi)的主波束掃描范圍為從后向-78°到前向+80°，主波束掃描角的范圍達到158°，并且以邊射頻點8.50 GHz為分界點，天線主波束掃描角在左手頻帶中隨著頻率變化的速率要大于其在右手頻段中變化的速率；同時，該漏波天線的3 dB波束寬度在7.50～12.10 GHz的頻帶內(nèi)基本保持在 11.8°±0.2°的一個恒定的范圍內(nèi)，這是因為天線在該頻帶內(nèi)輻射方向圖的形狀基本保持一致所導(dǎo)致的。此外，漏波天線的主波束掃描角和3 dB波束寬度的仿真與測試結(jié)果基本一致。

在圖12中，所設(shè)計的超材料漏波天線實測增益的最大值為10.70 GHz處的15.2 dBi，并且在整個工作頻帶內(nèi)天線增益始終大于10 dBi，這表明所設(shè)計的超材料漏波天線具有比較穩(wěn)定的增益。漏波天線的實測3 dB增益帶寬為7.60～12.70 GHz，相對帶寬達到50.2%。此外，該超材料漏波天線在其左手頻段的增益低于右手頻段的增益，并且在8.50 GHz附近出現(xiàn)了一個增益低谷，這主要是由于天線在右手頻段的阻抗匹配優(yōu)于左手頻段所造成的。

此外，圖12中同時給出超材料漏波天線輻射效率的仿真與測試結(jié)果對比，從中可以看出漏波天線在右手頻段的輻射效率明顯優(yōu)于左手頻段，而在過渡頻點附近的輻射效率則是最低的。需要指出的是漏波天線增益的實測值比仿真值低約為1.5～2.0 dBi，這主要是由于天線實物所用的非理想介質(zhì)板中存在介電常數(shù)漂移，以及加工過程中可能存在的誤差等因素造成的。

為進一步說明所設(shè)計的超材料漏波天線的性能優(yōu)勢，在天線形式、掃描角范圍、3 dB增益帶寬、交叉極化等方面與新近文獻報道的超材料漏波天線進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 本文與文獻中超材料頻掃漏波天線性能比較

從表1可知，本文所設(shè)計的超材料漏波天線實現(xiàn)了最大的掃描角范圍，得到了較寬的增益帶寬和很低的交叉極化電平，整體性能優(yōu)于文獻中報道的同類型漏波天線。

3 結(jié)束語

本文首先提出了一種基于基片集成波導(dǎo)的雙層寬帶超材料單元，分析該單元的電磁特性，驗證了其左手特性。而后利用其通帶內(nèi)具有從負值到正值連續(xù)變化的相移特性，設(shè)計了一款超材料漏波天線，對天線進行加工測試。測試結(jié)果表明漏波天線能夠在7.20～12.70 GHz的頻帶內(nèi)實現(xiàn)了從后向-78°到前向+80°的連續(xù)主波束掃描。此外，漏波天線的峰值增益為15.2 dBi，3 dB增益帶寬為50.2%。同時，漏波天線還具有很低的交叉極化，在整個工作頻帶內(nèi)，交叉極化始終比主極化低至少30 dB。相比于文獻報道的同類型超材料漏波天線，本文所設(shè)計的天線具有更為優(yōu)越的電氣性能。