白育堃，柴 博，鄭宏興

(1. 天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院， 天津 300384； 2. 河北工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，天津 300401)

0 引 言

漏波天線(Leaky-Wave Antenna, LWA)是一種行波天線，由于其具有強(qiáng)方向性[1-2]、高輻射效率[3]和易饋電[4]等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于高分辨率雷達(dá)[5]和實(shí)時頻譜分析[6]等領(lǐng)域。然而傳統(tǒng)LWA存在開放阻帶(The Broadside Stopband)、帶寬有限和不易于集成等問題。

表面等離子體[7](Surface Plasmon Polaritons, SPPs)是一種能夠突破衍射極限、將電磁波束縛在亞波長尺寸的表面電磁波，其在構(gòu)建集成小型化方面有潛在的研究價值，例如：濾波器[8]和天線[9-10]等方面。SPPs僅存在于光波段，為了在微波和太赫茲等較低頻段內(nèi)獲得相似的特性，提出了在金屬表面周期性雕刻凹槽或打孔來實(shí)現(xiàn)的人工表面等離子體(Spoof Surface Plasmon Polaritons, SSPPs)[11-14]；隨后發(fā)現(xiàn)，SSPPs的色散特性和傳輸特性[15]與金屬層的幾何結(jié)構(gòu)[16]以及金屬附近介質(zhì)的材料[17]密切相關(guān)。在文獻(xiàn)[18]中，Yin等人提出了一種基于U型SSPPs的寬掃描角LWA；文獻(xiàn)[19]提出了在H型SSPPs波導(dǎo)雙邊加載矩形貼片的高效率LWA；文獻(xiàn)[20]提出一種基于刻蝕矩形孔SSPPs傳輸線的寬帶單波束掃描LWA。然而大多LWA的帶寬相對較窄或物理尺寸較大。

本文提出一種基于SSPPs傳輸線(Transmission Line, TL)的寬帶LWA。通過在SSPPs波導(dǎo)的雙側(cè)交替加載圓形貼片來調(diào)制天線。所提SSPPs-LWA具有高穩(wěn)定增益和寬角度連續(xù)波束掃描的特性，且整體尺寸較小，更利于通信系統(tǒng)的集成。

1 SSPPs-LWA設(shè)計

為了更好地了解天線的性能，本文將單雙側(cè)加載貼片的LWA進(jìn)行了對比。所設(shè)計SSPPs-LWA的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，該天線是將銅箔印制在1 mm厚的聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene, PTFE)F4B介質(zhì)基板上(相對介電常數(shù)εr=2.65，正切值損耗tanδ=0.003)。天線的整體尺寸為L×W=316.00 mm×55.56 mm(L和W分別為天線的長和寬)；w0、l1和gap分別為中心帶寬度、長度和間隙；l2為轉(zhuǎn)換部分長度；Wf為轉(zhuǎn)換部分寬度；p、h、b1和b2分別為梯形槽單元結(jié)構(gòu)寬度、深度、梯形下底長度和梯形上底長度；r為圓形貼片半徑；pp為圓形貼片之間的距離(調(diào)制周期)；t為貼片與SSPPs波導(dǎo)間的距離。該結(jié)構(gòu)由3部分組成：共面波導(dǎo)(Coplanar Waveguides, CPW)、匹配轉(zhuǎn)換和SSPPs波導(dǎo)調(diào)制部分。

圖1 SSPPs-LWA的幾何結(jié)構(gòu)

1.1 SSPPs單元結(jié)構(gòu)設(shè)計

SSPPs單元結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示，幾何參數(shù)為梯形槽單元結(jié)構(gòu)寬度p=5 mm,w0=5 mm,h=4 mm,b1=4 mm,b2=2 mm。使用CST Microwave Studio的本征模求解器對SSPPs單元機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析。圖2所示為SSPPs單元結(jié)構(gòu)的色散曲線，其與SPPs有相似的色散特性。由圖2(a)可知，梯形槽深h越大，色散曲線越偏離光線，因此表面波對SSPPs波導(dǎo)的束縛性越大；由圖2(b)可知，梯形槽寬度b2對單元的色散特性影響不大。如圖2(a)所示，所設(shè)計SSPPs單元結(jié)構(gòu)的截止頻率為17.15 GHz。

圖2 SSPPs單元結(jié)構(gòu)的色散曲線

1.2 SSPPs-TL設(shè)計

SSPPs-TL是一種僅支持橫磁(Transverse Magnetic, TM)波的單導(dǎo)體TL。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和波矢轉(zhuǎn)換，結(jié)構(gòu)兩端采用阻抗為50 Ω的CPW作為饋電部分，因此該TL很容易通過一種超小型(Sub-Miniature A, SMA)同軸電纜連接器與50 Ω的同軸線匹配。CPW的幾何尺寸為w0=5 mm、l1=17 mm和gap=0.28 mm。圖3所示為在10 GHz時TL的Ey電場(Ey為電場的y分量)和Hz磁場(Hz為磁場的z分量)，從圖中可以清楚地觀察到交替分布的橫向場。我們可以在SSPPs波導(dǎo)的同側(cè)或異側(cè)加載貼片進(jìn)行調(diào)制，將SSPPs慢波轉(zhuǎn)化為可以輻射的快波。TL的S參數(shù)如圖4所示，在2～17 GHz頻段內(nèi)輸入反射系數(shù)S11<-10 dB。所設(shè)計SSPPs-TL的帶寬是SSPPs-LWA帶寬的基礎(chǔ)。

圖3 SSPPs-TL在10 GHz的電場和磁場分布

圖4 SSPPs-TL的S參數(shù)

1.3 SSPPs-LWA設(shè)計

基于上文的分析，為了高效地將SSPPs表面慢波轉(zhuǎn)化為輻射快波，所設(shè)計的LWA分為3個部分：第1部分是CPW，其傳播的是橫電磁(Transverse Electromagnetic, TEM)波，傳播常數(shù)為k0(k0為自由空間中的光波矢)；第2部分為匹配轉(zhuǎn)換部分，其是為了解決CPW與SSPPs波導(dǎo)的阻抗匹配問題，在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，SSPPs表面波和TEM波共存，匹配轉(zhuǎn)換部分由8個SSPPs單元組成，其寬度和凹槽深度以一定的步進(jìn)進(jìn)行增加，彎曲的地面曲線為1/4的橢圓，半長軸長度l2=60 mm，半短軸長度Wf=25 mm；第3部分為雙側(cè)周期性交替加載圓形貼片的SSPPs波導(dǎo)，其僅存在于SSPPs表面波。

因?yàn)镾SPPs波導(dǎo)支持表面慢波模式ksspp>k0，ksspp為SSPPs的波矢，所以SSPPs表面波不能輻射。為了達(dá)到輻射的目的，我們通過引入微擾來激發(fā)高次諧波。根據(jù)Floquet定律，第n次諧波βn的相位常數(shù)滿足：

式中，β0為基次諧波的相位常數(shù)。只有滿足周期結(jié)構(gòu)輻射條件的單次諧波才會形成漏波輻射，因此我們通常采用n=-1的空間諧波。由于β-1可正可負(fù)，所以LWA的輻射波束可以向前或向后移動。LWA的主光束輻射方向Q可根據(jù)β-1表示為

在這里，我們設(shè)計了一個在10 GHz下輻射方向在側(cè)向的LWA。如圖2(a)所示，在10 GHz處，β×p/π=0.43，式中p=5 mm，可得β=270，則SSPPs的波長λg=2π/β=23 mm。為了在10 GHz處實(shí)現(xiàn)側(cè)向輻射，由式(1)和(2)可知,所加載的圓形貼片周期應(yīng)與波導(dǎo)波長相等，即pp=λg=23 mm。兩種類型LWA的S參數(shù)如圖5(a)所示，顯示了單雙邊加載貼片的SSPPs-LWA有相似的阻抗帶寬，即7～15 GHz的反射系數(shù)S11<-10 dB。與圖4相比，圖5(a)所示的正向傳輸系數(shù)S21由于天線的漏波輻射而顯著降低，且阻抗帶寬也有所降低。SSPPs-TL的寬阻抗帶寬必然導(dǎo)致所設(shè)計的SSPPs-LWA的寬帶擴(kuò)大。圖5(b)所示為不同頻率下單雙邊加載貼片的SSPPs-LWA在xoz平面的輻射模式。很顯然，在某一給定頻率下，兩種類型的LWA在主光束方向變化較小，但是增益卻有明顯的變化，兩者增益相差2～3 dBi。結(jié)果表明，雙邊加載貼片的LWA性能更優(yōu)。在此基礎(chǔ)上，加工制作了優(yōu)化后的雙邊加載貼片的LWA，并將仿真與測試結(jié)果進(jìn)行對比。

圖5 仿真結(jié)果

2 仿真優(yōu)化及測試分析

為了使所設(shè)計的LWA能夠很好地進(jìn)行輻射，加載的圓形貼片需要與SSPPs波導(dǎo)進(jìn)行較佳的耦合。圖6(a)所示為貼片與SSPPs波導(dǎo)間的距離t對S參數(shù)的影響，距離t只影響TL的耦合能量。在所提出的LWA中，圓形貼片的大小決定了輻射和反射能量，相關(guān)的參數(shù)研究如圖6(b)所示。研究結(jié)果表明，選擇適當(dāng)?shù)馁N片半徑r可有效地減少波反射，將大部分能量輻射出去，從而獲得較好的性能。由圖6(c)和(d)可知，可通過優(yōu)化貼片與SSPPs波導(dǎo)間的距離t和貼片半徑r來提高耦合水平，從而提高LWA的增益。研究結(jié)果表明，最佳的參數(shù)為r=λg/4=5.75 mm和t=1.5 mm。圖7所示為LWA在10 GHz下的電流分布，由圖可知，耦合效果不錯。為了直觀地觀察SSPPs-LWA的輻射波，圖8仿真了該LWA在不同頻率下的相位分布。當(dāng)頻率從9 GHz增加到11 GHz時，輻射光束從后向經(jīng)過側(cè)向到達(dá)前向，可以預(yù)測到該LWA有良好的輻射特性。

圖6 SSPPs-LWA參數(shù)研究

圖7 LWA在10 GHz下的電流分布

圖8 LWA在不同頻率下的相位分布

優(yōu)化后的SSPPs-LWA實(shí)物如圖9所示。

圖9 SSPPs-LWA實(shí)物圖

采用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5244A測試LWA的S參數(shù)，測試環(huán)境如圖10(a)所示，仿真與測試的S參數(shù)對比如圖10(b)所示。反射系數(shù)S11在7～15 GHz仿真與測試均小于-10 dB，存在的差異可能是由同軸電纜焊接誤差和測試誤差引起。SSPPs-LWA輻射方向圖如圖11所示，測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合較好。隨著頻率的增加，主瓣從后象限通過側(cè)向轉(zhuǎn)向前象限，驗(yàn)證了圖8根據(jù)相位分布對輻射特性的推測。仿真與測試的輻射增益和主瓣波束角對比如圖12所示。在工作帶寬7～15 GHz范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與測試結(jié)果具有一致性。在整個帶寬內(nèi)，平均輻射增益為12 dBi，掃描角度寬達(dá)69 °,所測試的增益僅有1.64 dB的波動。因此本文所提LWA具有高穩(wěn)定的輻射增益。該LWA的仿真效率如圖13所示，效率較高也相對穩(wěn)定，平均輻射效率為88.21%，平均總效率為75.18%。

圖10 SSPPs-LWA的S參數(shù)

圖11 仿真與測試的SSPPs-LWA輻射方向圖

圖12 輻射增益和主瓣波束角隨頻率變化的仿真與測試對比圖

圖13 本文所提LWA的仿真效率與頻率的關(guān)系

為了更清晰地表明本文所提LWA的優(yōu)點(diǎn)，我們在表1中將其與其他SSPPs-LWA進(jìn)行了對比。由表可知，本文所提LWA在輻射增益、帶寬和波束掃描角方面獲得了較好的性能，且天線的整體尺寸較小。(λ為LWA的中心波長，λ(單位:mm)=300/頻率(單位:GHz))

表1 SSPPs-LWA的性能對比

3 結(jié)束語

本文提出了一種基于調(diào)制SSPPs波導(dǎo)的LWA。為了將SSPPs表面慢波轉(zhuǎn)換為空間輻射快波，在SSPPs波導(dǎo)雙側(cè)周期性地加載圓形貼片。當(dāng)工作頻率為7～15 GHz時，波束掃描范圍為-38～31 °，總計69 °的寬角度波束掃描。此外，該LWA實(shí)現(xiàn)了高穩(wěn)定的增益，平均增益約為12 dBi，平均輻射效率約為88.21%。仿真與測試結(jié)果吻合較好。除此之外，與之前所提LWA相比，該SSPPs-LWA整體尺寸較小，在波束掃描微波無線系統(tǒng)中有很大的應(yīng)用潛力。