复合左右手微带有源漏波阵列天线

李 磊 张安学 魏晓勇

(1.西安交通大学 西安 710149;2.西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

Smith、D.R等人在2001年首次构造出介电常数和磁导率在某个频段同时为负值的异向介质[1]，并通过棱镜实验观察到了该介质的负折射效应，证明了左手材料的存在[2]。此后，这类人工介质一直是国际物理学和电磁学界的研究热点。随着C.Carlos和T.Itoh等人提出的微带结构的复合左/右手传输线(Composite Right＆Left Hand Transmission Line—CRLH TL，下文中统称CRLH TL)，以其具有的低插入损耗、连续性结构，易加工实现的特点，使得复合左/右手传输线在实用性上都远远超过其他负介电常数和负磁导率结构复合而成的纯左手材料，成为最有希望左右手材料实用化的发展方向。

本文首先分析了左右手传输线的后向波理论的基本原理。其次，给出了一个3×3的有源漏波阵列天线设计实例，在传输方向上可以实现前后向波束大范围扫描，在组阵方向实现波束相扫。最后，通过仿真分析与样品实测分析有效的证明了该设计方法的有效性，为基于左右手传输线的有源漏波阵列实用化发展提供一定的技术基础。

2 基本原理及物理实现

2.1 复合左右手漏波天线原理

如图1所示，传输线在 ω ＜min(ωse，ωsh)时，具有左手特性，而在ω＞max(ωse，ωsh)时，则为右手特性;如果 min(ωse，ωsh)＜ ω ＜ max(ωse，ωsh)，则信号处于禁带中，存在禁带的这种情况称为非平衡结构的CRLH TL。当ωse=ωsh=ω0时，CRLH TL的禁带就变成了一个点，使得左右手频带相互连接，这种结构则称为平衡结构的CRLH TL。

图3中(b)给出了CRLH TL的基本微带电路结构形式，它由串联交指电容和并联短路支节两部分组成，而将各单元串行级联起来就构成了CRLH TL。开放式平衡结构形式的CRLH TL具有背射～端射大角度范围的频率扫描能(如图2所示)，这是传统漏波天线所不具有的。

图2 复合左右手传输线漏波天线工作原理图

图3 CRLH TL漏波天线的微带形式

2.2 复合左右手传输线有源漏波天线

利用Ansoft HFSS和Q3D Extractor配合参数提取公式可以求出传输线单元结构的等效串并联电容、电感 L'R、C'L、L'L和 C'R。利用公式求出:调节结构尺寸并使之相等，最终得到平衡结构的CRLH TL单元，然后将传输线单元级联就组成了漏波天线单元。本文中设计的漏波天线的工作频率为1.2 ～ 1.4GHz，微带板材介电常数为 2.65，厚度3mm。经过计算和仿真得到CRLH TL单元结构尺寸为:交指线宽 1.35mm，缝隙宽 0.8mm，交指线长23.5mm，并联短路线宽 2.9mm，并联短路线长9.3mm，接地通孔直径0.5mm。组成的漏波单元天线的主辐射方向在1.2GHz到1.4GHz能够从－10°～+20°之间实现频率扫描特性。但是这种并联短路支节在传输线同侧的漏波天线，它的交叉极化非常差，只有大约5dB左右;而短路支节分立于传输线两侧(图3(c))的结构可以大大降低其交叉极化。

利用前面提到的漏波天线，与放大器和移相器组合成的天线阵可以实现两维方向的扫描，如下图所示，在水平方向上实现的是频率扫描，在垂直方向上则是相位扫描。漏波天线的辐射功率每经过一定长度后，进入下段的输入功率都会降低，因此在各子阵间引入放大器可以提升各段输入功率可以增加天线的有效口径，提升天线的总增益。

天线阵的辐射方向图也依照下面的公式:

AF(θ)为激励系数，an为漏波天线的激励系数，Ncells为漏波天线中的单元数目，Pcell为漏波天线阵的长度;而am为漏波天线组阵的激励系数，Nelem为漏波天线数，Pelem为漏波天线阵的总长度。

图4 3×3复合左右手有源漏波天线阵

由于漏波天线阵为串行级联的形式，为了保证总阵面的辐射方向图特性，在传输线单元数量选择上，必须保证单个漏波天线的长度应小于一个波长，否则总天线阵的辐射方向图中就会出现栅瓣，使得大量的有用能量消耗在栅瓣中，既降低了辐射效率，也影响了方向图的指标。

为保证三路信号输出的幅度、相位一致性，功分器的设计采用阶梯过渡形式的叉状功分器形式，其结构形式如下图所示，中间路采用U型弯是为了保证插入相位与两边两路一样。

为了保证有源电路加入天线之间不会影响到天线阵的辐射方向图，随采用穿孔的方法，将经过漏波天线的信号引导之背面，再与放大器相连;这里采用的是三层微带的结构形式，背面微带板的厚度为0.8mm，这样是为了降低50Ω微带线宽度，方便与放大器级联。利用图6中穿孔电路漏波天线级联起来，在并列排放，就组成了3×3的复合左右手有源漏波天线阵，其仿真模型见图7。

不论是Ansoft HFSS还是CST这类三维电磁场仿真软件，都不能进行有源电路的计算，只能对无源模型的仿真。为了模拟出有源天线阵方向图，在每个漏波天线的输入输出端分别加入集总端口，输入端设置为50Ω信号输入端口，输出端设置为50Ω接地负载。然后通过调整每个漏波天线输入端口的信号幅度和相位信息，就可以模拟出在漏波天线之间引入放大器和三个水平天线条阵输入端引入移相器的功能，完成天线阵两维扫描功能和性能的仿真模拟;还可以通过端口幅度的大小，模拟出二项式阵或切比雪夫阵天线阵具有的不同特性，并调整本漏波天线阵。

3 仿真设计结果

经HFSS软件仿真计算，复合左右手漏波天线的方向图如图8所示，可以看出其扫描角度为变化不大的情况下，异侧结构的漏波天线的交叉极化已降低到－25dB以下。

一分三功分器的仿真结果如图9所示。

9元漏波天线阵的仿真结果如图10所示，从图(a)中可以看出天线阵从 1.2 ～1.4GHz，主辐射方向能够完成沿传输方向从－15°～+15°范围的频率扫描;然后通过同时调整三个天线条阵的输入相位差，模拟出在每行漏波天线阵列的输入端加入移相器的情况，图10(b)中就是每条天线阵自上而下相差±30°的移相扫描情况。

4 测试结果

子漏波天线的实际电路图如图11所示。

图12中(a)为其仿真的频率扫描结果，(b)为其实际测试的频率扫描结果，可以看出其实际结果与仿真结果的拟合度还是不错的。

通过子漏波天线的测试，证明了这种平衡结果复合左右手形式天线是可以实现从负角度到正角度的大角度范围扫描;由于相位扫描技术的成熟，因此，通过前面提到的有源电路的引入方法，实现两维扫描的天线阵是可行的。

5 结束语

本文从左右手复合微带线漏波天线的理论出发，在L波段构造了一种两维方向扫描的复合左右手有源漏波天线阵。经过仿真计算，可以看出，通过引入放大器和移相器等有源电路既可以提高CRLH TL漏波天线阵地增益，也可以实现在两维扫描的功能，这种结构在平面天线阵在实际中有望得到应用。

[1]Christophe Caloz，Tatsuo Itoh.Electromagnetic Metamaterials:Transmission Line Theory and Microwave Applications[W].New York:Wiley，2004.

[2]Francisco P.Casares－Miranda，Carlos camachopeñalosa，and christophe caloz[C].High－Gain Active Composite Right/Left－Handed Leaky－Wave Antenna，2006，IEEE.

[3]崔万照，马伟，邱乐德，张洪太.电磁超介质及其应用[M].北京:国防工业出版社.

[4]A.Rennings，T.Liebig，S.Otto，C.Caloz and I.Wolff.Highly Directive ResonatorAntennas based on Composite Right/Left－Handed(CRLH)Transmission Lines.

[5]Christophe Calm，Tatsuo Itoh and Andre Renning S.CRLH metamaterial leaky－wave and resonant antennas[C].IEEE Antennas and Propagation Magazine，2008，50(5).

[6]Francisco P.Casares－Miranda，Carlos camachopeñalosa and christophe caloz[C].Active Composite Right/Left－Handed Leaky－Wave Antennas.2006 IEEE.

[7]Hoang V.Nguyen，S.Abielmona，A.Rennings and C.Caloz.Pencil－beam full－space scanning 2D CRLH leaky－wave antenna array[C].IEEE，2007