微帶漏波天線的設計與仿真

微帶漏波天線的設計與仿真

相控制矩陣雷達天線改變矩陣中每個天線單元的信號相位關系，并改變矩陣方向上的波束方向。波束可控性強,反應速度快,但是系統(tǒng)復雜、成本高昂。微帶漏波天線是一種新型低成本智能天線,具有低剖面、重量輕、電控波束掃描等優(yōu)點。微帶漏波天線輻射特性由漏波相位常數(shù)決定,當滿足βz<k0時,微帶漏波天線工作于第一高階模,能量以空間波的形式向外輻射。但傳統(tǒng)微帶漏波天線的頻掃特性只能沿著波的傳播方向,實現(xiàn)四分之一空間內(nèi)有限角度的波束掃描。左手材料(Left-handedmetamaterials,LHMs)是一種介電常數(shù)和磁導率同時為負的人工復合電磁材料,電磁波在其中傳播時電場矢量、磁場矢量與波矢量滿足左手螺旋定則,是近年來熱門的研究領域。左手材料的出現(xiàn)對微波設計領域提出了新的設計思路,電場、磁場和波矢之間構成左手關系的左手性材料具有后向波傳輸、零相位和零傳播常數(shù)等獨特性質(zhì)。Itoh等于2002年提出了一種新型左手材料——復合左右手傳輸線(Compositeright/left-handedtransmissionline,CRLH-TL)。這種材料在普通傳輸線上加載并聯(lián)電感和串聯(lián)電容,當微帶單元的物理長度遠小于微波波長時,主要由加載的元件決定這種周期性結構的有效介電常數(shù)εe和有效磁導率μe,而傳輸線本身的分布電容和分布電感起的作用很小。當電磁波在該傳輸線中傳播時,在某個頻率范圍內(nèi)其傳播特性呈現(xiàn)“左手特性”,而在其他頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)“右手特性”。本文利用新型天線工作在左手通帶內(nèi)具有的后向輻射特性,設計了一種基于復合左右手傳輸線的新型波束掃描微帶漏波天線,可以實現(xiàn)整個半空間內(nèi)從前向到后向的連續(xù)掃描,探索一種新的天線波束掃描技術。1新型漏波天線單元的設計與制造單元長度為p的均勻理想復合左右手傳輸線的等效電路模型如圖1(a)所示。圖中CL和LL分別表示左手傳輸線單元的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感,CR和LR分別表示右手傳輸線單元的并聯(lián)電容和串聯(lián)電感。電磁波在復合左右手傳輸線中傳播存在如式(1)的非線性色散關系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)為第n階模式電磁波的相位常數(shù);ω為角頻率;p為單元長度。電磁波在復合左右手傳輸線中傳播時的色散曲線如圖1(b)所示,色散關系由左手禁帶、左手通帶、電磁波禁帶、右手通帶和右手禁帶等區(qū)域組成。如果左手和右手單個單元的電容和電感之比滿足LL/CL=LR/CR時,電磁波禁帶區(qū)就會消失,出現(xiàn)平衡態(tài),電磁波零階工作模式只對應一個工作頻率。新型漏波天線采用了如圖2(a)所示的復合左右手傳輸線單元,改傳輸線單元的色散曲線仿真結果如圖2(b)所示。復合左右手傳輸線印刷在介電常數(shù)為εr=2.2,厚度h=1.6mm的Duriod5880介質(zhì)基板上,圖2(a)所示的復合左右手傳輸線單元利用分布元件(叉指電容,旁支電感)構成,旁支電感的尺寸為1.0mm×8.8mm;叉指電容由5對金屬條組成,尺寸為6.8mm×0.3mm;每個相鄰金屬條的間距是0.2mm,旁支電感終端設計金屬化過孔連接接地板。分析圖2(b)的色散曲線仿真結果可知,該復合左右手傳輸線單元工作在平衡狀態(tài),對應零階工作模式的工作頻率為3.4GHz。2新型波束掃描微帶漏波天線輻射特性可以用漏波傳輸常數(shù)來說明,如式(2)kz=βz-jαz(2)式中:βz為漏波相位常數(shù),αz為漏波衰減常數(shù)。當βz滿足βz<k0時,微帶漏波天線工作于第一高階模,能量以空間波的形式向外輻射。天線輻射主波束方向隨著工作頻率的增大向端射方向偏移。掃描角度由式(3)決定,具有電控頻掃特性。sinθ=βz/k0(3)微帶漏波天線頻掃特性在于當工作頻率改變的時候,微帶天線的電長度也隨之改變,使微帶漏波天線上各點相位發(fā)生變化,形成的主波束發(fā)生偏轉。傳統(tǒng)漏波天線波束只能在沿傳播方向的一個象限內(nèi)改變,掃描范圍有限。利用復合左右手傳輸線設計新型波束掃描的漏波天線,在頻帶低端,使天線工作于左手模式(βz<0),電磁波向后向傳播;在頻率ω0(βz=0)處于平衡狀態(tài),電磁波沿著與漏波天線平面的垂直方向輻射。在頻帶高端,復合左右手傳輸線工作于右手模式(βz>0),電磁波向前向傳播;復合左右手傳輸線漏波天線可實現(xiàn)在整個半空間的連續(xù)掃描。利用微帶漏波天線的頻掃特性,通過改變工作頻率實現(xiàn)微帶漏波天線波束掃描。也可以使用通過電壓改變變?nèi)荻O管的電容,實現(xiàn)固定頻率下微帶漏波天線的波束掃描。3仿真結果與測試結果頻掃微帶漏波天線由11個如圖2(a)所示復合左右手傳輸線單元構成,運用AnsoftDesigner軟件進行仿真,仿真模型如圖3所示。微帶漏波天線E面輻射方向圖的仿真結果與測試結果如圖4所示。頻掃天線測試結果見表1。如圖4所示,天線工作于左手區(qū)時,主瓣后向輻射,波束指向-43°;當βz=0時,天線主瓣垂直輻射,波束指向0°;當頻率繼續(xù)增大,天線工作于右手區(qū),天線主瓣前向輻射,波束指向38°。圖中實線為仿真方向圖,點線為測試方向圖。仿真方向圖與測試方向圖較吻合。4單元結構和測試結果在固態(tài)有源相控陣天線的應用中,要求天線能實現(xiàn)固定頻率下的波束掃描。根據(jù)電路單元的色散曲線分析,天線掃描角度由電路的電感和電容決定,通常電路的分布參數(shù)是隨頻率變化的。如果能通過電壓控制電感或電容值,就可以實現(xiàn)天線在某一固定頻率下通過改變電壓實現(xiàn)天線波束掃描的目的?？梢酝ㄟ^使用變?nèi)荻O管來實現(xiàn)電壓控制電路參數(shù)的目的,改變電壓可以改變變?nèi)荻O管的電容,使傳播相位常數(shù)βz變成電壓的函數(shù),如式(4),天線波束輻射的角度就可以通過電壓來控制。sinθ(V)=βz(V)/k0(4)固定頻率下波束掃描漏波天線單元結構見圖5所示,可以在頻掃天線復合左右手傳輸線單元的基礎上,加載變?nèi)荻O管來完成。每單元分別串聯(lián)2個二極管、并聯(lián)一個二極管?？捎梢粋€電源同時給3個變?nèi)荻O管提供電壓。由于需要使用供電電路,還必須有RF扼流線圈起到隔交流的作用。為了原理性驗證,設計和試驗時用等值電容等效代替變?nèi)荻O管,不需電源提供電壓,去掉了RF扼流線圈,省略了供電部分電路。實際設計的天線實物如圖6所示。固定頻率下波束掃描微帶漏波天線叉指電容由相互交叉的5對4.5mm×0.2mm的金屬條組成,每相鄰金屬條的間距是0.2mm。旁支電感分別由1.0mm×4.5mm以及4.5mm×6.8mm的金屬條構成。選用容值分別為1.0pF和1.4pF的電容設計不同掃描角度的漏波天線。固定頻率下的波束掃描微帶漏波天線測試結果見表2。漏波天線的測試方向圖如圖7所示。分析測試數(shù)據(jù)和測試方向圖,漏波天線工作于3.60GHz,加載1.0pF電容的微帶天線后向輻射,波束指向-50°;加載1.4pF電容的微帶天線前向輻射,波束指向32°;實現(xiàn)了漏波天線在固定頻率下通過改變電壓完成波束掃描的目的。5天線的掃描天