基于基片集成波导左右手复合传输线的二维电扫描天线设计

程新春　龚楷晨　孙宇　张安学

摘要：基于基片集成波导左右手复合传输线，设计了二维电扫天线阵。采用具有频扫功能的漏波天线作为天线阵的阵元天线，并在阵元天线之间加入数字移相器来控制阵元天线间的相位差。仿真结果表明，在9GHz—11GHz频段，二维面阵电扫描天线实现了相频扫特性，在E面可实现频率扫描，频扫角度范围为-26°—30°，在H面可实现相位扫描，扫描角度由数字移相器控制。

关键词：电扫天线阵；左右手复合传输线；基片集成波导

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）18-0201-04

Design of a Two-dimensional Electronic-scanning Antenna Array Based on SIW Composite Right/Left-Handed Transmission Line

CHENG Xin-chun1， GONG Kai-chen2， SUN Yu2， ZHANG An-xue2

（1. PLA 75836 Troops，Guangzhou 510400， China； 2.Xian Jiaotong University， Xian 710049， China）

Abstract： Based on SIW CRLH TL ， a two-dimensional electronic-scanning antenna is proposed based on the frequency-scanning antennas and phase shifters in order to radiate and scan both on the E-plane and H-plane. In the frequency range of 9GHz to 11 GHz， the scanning angle on the E-plane ranges from -26 deg to 30 deg and the scanning angle on the H-plane is controlled by phase shifters.

Key words： electronic-scanning antenna； CRLH TL； SIW

1 背景

1968年，前苏联科学家Veselago提出了左手材料的理论和概念，但是这种具有特异性质的材料在大自然中并不存在。20世纪90年代，英国物理学家Pendry教授提出，在微波频段，可以用细金属线阵列结构实现负的介电常数，用开口金属谐振环（简称SRR）的周期性排列结构可以实现负的磁导率的新型人工电磁材料。2000年，Smith教授等人在Pendry教授提出的理论模型基础上将细金属线线和开口金属谐振环结合在一起，首次制造出在微波频段同时具有负介电常数和负磁导率的人工复合媒质，即左手材料。2002年，加州大学洛杉矶分校Itoh教授和多伦多大学Eleftheriads教授所领导的科研小组分别独立提出了所谓左手传输线的思想，利用对偶原理根据右手传输线来构造左手传输线，由于左手传输线都是在右手传输线基础上构造的，难免会有右手效应，因此就构成了Itoh教授提出的左右手复合传输线（CRLH.TL）。

自从2002年左右手复合传输线理论被提出以后，国内外许多研究小组将其和微带线、矩形波导，基片集成波导等结合，研究出了很多新颖的微波滤波器、功分器、耦合器等，并成功应用于天线及阵列天线中。基片集成波导和左右手复合传输线的结合，使得天线的性能得到了很大的改善。2008年，德国斯图加特大学的Weitsch Y等人提出封闭结构的左右手复合传输基片集成波导，克服了能量泄漏的缺点[1]。2011年，Itoh T等人提出半模左右手复合传输基片集成波导结构，进一步实现了小型化[2]。

三坐标雷达（3D雷达）是指能同时测量目标距离、方位和仰角或高度的雷达[3]，广泛用于多数防空雷达、火控雷达和导弹制导雷达等，用来实现空中监视、警戒用来实现空中监视、警戒与引导。雷达的发展与相控阵天线技术的发展有着密切的关系，它对相控阵天线提出了更高的要求，要求相控阵天线在方位和仰角均能进行电扫描，因此二维电扫描天线着密切的关系，它对相阵天线提出了更高的要求，要求相控阵天线在方位和仰角均能进行电扫描，因此二维电扫描天线[7]将有很好的应用前景。采用二维电扫描天线的3D雷达与一维电扫一维机械扫的3D雷达相比有很多的优点，使得3D雷达在性能上获得了多项改善。本文旨在设计一个二维的电扫描天线，在纵向采用频率扫描技术，采用体积小的漏波天线在阵元天线方向构成频扫；在横向采用相位扫描技术，直接利用移相器控制组阵方向各个漏波天线的馈电相位来实现波束扫描，在组阵方向构成相扫，这样就构成二维面阵相频扫天线。

2 漏波天线单元结构设计

漏波天线的单元结构模型图如图 1所示。

基片集成波导采用介质型号为Taconic TLY，介质的介电常数为2.2，厚度为1.27mm，介质损耗角正切为0.0009。基片集成波导的等效宽度为20mm，波导两边的通孔直径为1mm，间距为2mm，用来实现并联电感的通孔的直径为0.7mm，间距为1.4mm，用来实现串联电容的辐射缝隙的宽度为0.25mm。基片集成波导表面的缝隙可实现串联电容的作用，并向外漏波辐射，基片集成波导中间的金属通孔能实现并联电感的作用。

单元结构的色散特性曲线如图 2，从图中可以看出，单元结构达到平衡状态，且平衡频率点为9.72GHz，小于9.72GHz为左手频段，传播常数为负，大于9.72GHz为右手频段，传播常数为正。

3 一维频扫天线设计

基于基片集成波导左右手复合传输线的频扫漏波天线的整体结构如图 3所示，该漏波天线由十一个单元结构级联而成构成周期性漏波结构，基片集成波导与微带线采用梯形渐变线过渡结构转换，在输出端口接50欧姆的匹配负载来吸收端口剩余能量。

漏波天线的回波损耗和插入损耗曲线如图 4所示，从图中可以看出，回波损耗在平衡位置附近较大，这是因为单元结构级联以后，单元结构之间的耦合使得平衡点处的匹配变差，其他频段内回波损耗都在-10dB以下，匹配良好。左手频段小于-15dB， 96%的能量都辐射出去，左手频段的辐射效率高于右手频段。右手段S21在-15dB左右，负载吸收功率小于4%。

不同频点的天线主E面频扫方向图如图 5所示，几个典型频点处主波束方向、半功率波瓣宽度以及增益见表，从图和表中可以看出，以天线模型中的坐标为参考坐标，在Phi为0deg的平面，天线的主波束方向Theta在9GHz到11GHz的变化范围为-25°—32°，在平衡频率9.7GHz处为侧射方向。平衡频率和单元结构的平衡频率吻合。

以上是频扫漏波天线的仿真模型和仿真结果，基于基片集成波导左右手复合传输线的频扫漏波天线的加工实物图如图 6，天线的尺寸为：101.7mm23.5mm， 输入端口和输出端口都连接SMA接头，在输出端口接50 同轴匹配负载吸收剩余能

图6 频扫漏波天线的加工实物图

使用矢量网络分析仪测试天线实物的回波损耗，仿真结果和测试结果对比如图7，由图7可看出，与仿真结果相比，测试结果向高频偏移了0.14GHz，而且在平衡位置附近，回波损耗较大。模型中，通孔直径为0.7mm，缝隙的宽度为0.25mm，加工时这些参数的微小误差都会对并联和串联谐振频率有影响，从而导致平衡位置的偏移。

平衡位置的偏移也可以从天线不同频点处的方向图中体现出来，几个频点处的归一化方向图如图 8所示，测试结果显示，在Phi为0deg的平面，天线的主波束方向Theta在9GHz到11GHz的变化范围为-25.45°—30.48°，在平衡频率9.84GHz处为侧射方向。平衡位置和角度稍有偏移。

4 二维面阵电扫描天线设计

二维面阵电扫描天线（图 9）由三部分组成：移相器有源控制电路、三端口等幅输出功分器和频扫漏波天线3元阵（标号④）。如图所示，标号①为移相器电平控制电路，标号②移相器采用了砷化镓单片六位数字移相器，工作在 9-12GHz，移相器的最低有效位是5.625°，最高能提供360°的相位变化，每个移相器有10个电压控制引脚，不同的高低电平组合能获得不同的相位变化。

三端口等幅输出功分器（标号③）采用T型结功分器和四分之一波长变换匹配，保证每个输出端口的输出功率幅度相等。本文中仿真了三端口等幅输出功分器，仿真结果如图10所示：回波损耗在-20dB以下，三个输出端口的功率幅度在-5.8dB左右，输出效率为80%，输出端口等幅特性良好。

使用移相器设置各漏波天线单元的相位差为0°，天线阵的频扫特性可由三个频点处天线的XOZ面（Phi=0°）归一化方向图看出，如图 11所示，在9-11GHz频段内，主波束方向在XOZ面从-X方向空间到X方向空间连续扫描，和单元漏波天线的频扫特性吻合，频扫角度见表2。

天线阵的相扫特性可由单个频点处天线的YOZ面（Phi=90°）归一化方向图看出，在组阵方向，使用移相器设置单元漏波天线之间不同的相位差，可以使主波束方向实现不同角度的偏移，当相位差分别设置为0°和90°时，8GHz的辐射方向图见图12，相扫角度见表2，相扫角度仿真结果和计算结果吻合。

二维面阵电扫描天线的相频扫特性还可以从图13的3D方向图中看出。图13是阵元之间相差为-45°时，三个频点处的天线辐射方向图。

天线阵不但实现了频扫功能，即当组阵方向天线相位差为-45°时，不同频点处的主波束方向不同，由-X向到+X向；而且还实现了相扫功能，即当组阵方向天线相位差为-45°时，不同频点处的主波束在组阵方向都偏向前向（+Y向），而且偏角相同。用频率和相移器来控制天线的主射方向，从而实现二维扫描的功能。

从图中还可以看出9GHz时天线的增益为15.73dB，9.7GHz时天线的增益为17.44dB，11GHz时天线的增益为17.79dB，天线阵的增益较大。

5 结束语

本文基于基片集成波导设计了工作在9GHz—11GHz的频扫漏波天线，该频扫天线能实现后向空间-25°到前向空间32°的空间扫描，在平衡频率9.7GHz为侧射方向，天线的实物测试结果和仿真结果基本吻合。将3个频扫漏波天线组阵，并且在天线阵单元天线之间加入移相器来调节单元天线之间的相位差，组成二维面阵电扫描天线。该电扫描天线能在组阵方向实现相位扫描，扫描角度由移相器提供的相位差决定，在漏波天线方向实现频率扫描，频率扫描特性和单个漏波天线类似，扫描角度范围为-26°—30°，天线实现了相频扫的功能。

参考文献：

[1] Weitsch Y， Eibert T F. A Non-Radiating Composite Right-/Left-Handed Transmission Line Derived from Substrate Integrated Rectangular Hollow Waveguide[C]. XXIX General Assembly of the URSI， Chicago， Aug， 2008.

[2] Dong Y， Itoh T. Composite right/left-handed substrate integrated waveguide and half mode substrate integrated waveguide leaky-wave structures[J]. Antennas and Propagation， IEEE Transactions on， 2011， 59 （3）： 767-775.

[3] 张光义. 二维电扫三坐标雷达技术应用分析[J]. 现代雷达， 2006， 27（12）： 1-7.