基于耦合線左右手復(fù)合傳輸線的頻掃天線陣設(shè)計(jì)

左手材料(Left-Hand Material)也被稱(chēng)為雙負(fù)媒質(zhì)或者負(fù)折射率物質(zhì)，是一類(lèi)在一定的頻段下同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率的材料。左手材料的思想最早由前蘇聯(lián)人V.G.Veselago提出，電磁波在左手材料中傳播時(shí)，電場(chǎng)、磁場(chǎng)和波矢量滿足左手螺旋關(guān)系，同時(shí)相速度與能流方向相反。隨著近年研究的深入，左手材料發(fā)展迅速，在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。2002年，UCLA的Itoh教授等人提出了左右手復(fù)合傳輸線(CRLH TL)理論，利用微波元件制成人工的左右手復(fù)合傳輸線。這種結(jié)構(gòu)具有較低的插入損耗和較寬的帶寬，并具有相位超前等特性，在工程中有很大的應(yīng)用前景。

相控陣?yán)走_(dá)是雷達(dá)技術(shù)發(fā)展一個(gè)極為重要的方向，而頻掃天線技術(shù)是相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)最為關(guān)鍵的部分之一。常規(guī)的頻掃天線多采用慢波結(jié)構(gòu)提供相位變化進(jìn)行掃描，但是微帶線損耗較大，很大的影響了天線的增益。已有的研究證明，利用左右手復(fù)合傳輸線代替慢波線實(shí)現(xiàn)串行功分器具有帶寬寬、體積小、插入損耗小的優(yōu)點(diǎn)。但是常規(guī)的利用交指電容結(jié)構(gòu)的左右手復(fù)合傳輸線，交指電容值很難做大，限制了這種傳輸線在低頻部分的使用。2009年，Amr M. E. Safwat提出了一種基于微帶耦合線的左右手復(fù)合傳輸線(CL-CRLH TL)，這種傳輸線具有更寬的頻率范圍，能夠提供更多的相位超前，損耗更小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。本文提出一種新型頻掃天線陣列，利用耦合線左右手復(fù)合傳輸線構(gòu)成串行饋電網(wǎng)絡(luò)，可以擴(kuò)展天線陣的頻帶范圍，降低損耗、提高天線陣的增益，并且具有很大的角度掃描范圍。天線陣各陣元采用非均勻饋電方式，可以降低天線的旁瓣電平。本文設(shè)計(jì)的八元頻掃天線陣列，在工作頻帶內(nèi)掃描角度可達(dá)到-40°~10°，增益14dB，旁瓣電平低于-20dB。

2 頻掃天線陣設(shè)計(jì)

2.1 耦合線左右手復(fù)合傳輸線設(shè)計(jì)

耦合線左右手復(fù)合傳輸線單元結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]，是將耦合微帶線的兩個(gè)端口短路變形后得到，將圖1所示的單元結(jié)構(gòu)周期連接即可形成左右手復(fù)合傳輸線。本設(shè)計(jì)中將七個(gè)單元結(jié)構(gòu)周期連接，并與一段微帶線相連構(gòu)成左右手復(fù)合傳輸線，如圖2所示。

圖1 耦合線左右手復(fù)合傳輸線單元結(jié)構(gòu)

圖2 耦合線左右手復(fù)合傳輸線

介質(zhì)基板介電常數(shù)為2.65，厚1.5mm，仿真結(jié)果如圖3所示。其中圖3(a)為耦合線左右手復(fù)合傳輸線回波損耗特性曲線，由圖可知該傳輸線有很寬的工作頻帶，并且在低頻的損耗也很小，在0.5GHz~2.79GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗均小于-10dB。圖3(b)為相位特性曲線，由圖可知在其工作頻帶內(nèi)有相位超前的特性，并且有很大的相位變化率。在1.25GHz~1.4GHz頻率范圍內(nèi)相位變化范圍為129°~ -29.8°。

圖3 CL-CRLH TL仿真結(jié)果

2.2 串行饋電網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

天線陣采用串行功分器作為饋電網(wǎng)絡(luò)，串行功分器主干為左右手復(fù)合傳輸線，并在功分器各級(jí)和輸出端口都匹配到50Ω，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

串行功分器可以認(rèn)為是T型結(jié)功分器的級(jí)聯(lián)，單節(jié)T型結(jié)功分器結(jié)構(gòu)如圖5所示。T型結(jié)功分器滿足如下關(guān)系：

;

其中為輸入端口特性阻抗，分別為兩個(gè)輸出端口特性阻抗，分別為兩個(gè)輸出端口的輸出功率。

圖4 饋電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[!--empirenews.page--]

圖5 T型結(jié)功分器結(jié)構(gòu)

串行饋電網(wǎng)絡(luò)中橫向的阻抗變換采用阻抗變換器，縱向的阻抗變換采用單短截線匹配枝節(jié)進(jìn)行匹配。各個(gè)陣元采用非均勻饋電，功分器的輸出端口功率分配滿足切比雪夫分布。根據(jù)端口功率分配的情況以及前述的T型結(jié)功分器功率與特性阻抗的關(guān)系，可以計(jì)算得出饋電網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)阻抗變換部分的參數(shù)。

2.3 天線陣設(shè)計(jì)

以前述的串行功分器作為天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)，單元天線與饋電網(wǎng)絡(luò)之間通過(guò)SMA接頭連接。單元天線采用微帶饋電型準(zhǔn)八木天線。為了保證在大角度掃描時(shí)單元天線有足夠的增益，使用單元天線的H面進(jìn)行掃描。單元天線所在平面與饋電網(wǎng)絡(luò)平面保持垂直。天線陣的實(shí)物如圖6所示，介質(zhì)基板介電常數(shù)均為2.65，厚1.55mm。

圖6 八元頻掃天線陣實(shí)物圖

八元頻掃天線陣的仿真結(jié)果如圖7所示，其中圖(a)為天線陣回波損耗特性曲線，由圖可知在1.22GHz~1.48GHz頻帶內(nèi)回波損耗小于-10dB。圖(b)為天線陣頻掃特性曲線，由圖可知天線陣掃描角度可以到達(dá)-40°~10°，天線陣增益為13dB~ 14.7dB，在掃描角度范圍內(nèi)旁瓣電平可以達(dá)到-24dB。

(a)天線陣回波損耗仿真結(jié)果

(b)天線陣頻掃特性曲線

圖7 八元天線陣仿真結(jié)果

3 測(cè)試結(jié)果

對(duì)八元頻掃天線陣實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量天線陣的回波損耗以及方向圖。

用安捷倫E8363B型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量天線陣的回波損耗，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。由圖可知在1.2GHz~1.5GHz頻帶內(nèi)回波損耗小于-10dB，1.25GHz~1.4GHz頻帶內(nèi)回波損耗小于-18.5dB。

天線陣方向圖測(cè)試結(jié)果如圖9所示，由測(cè)試結(jié)果可知，頻率從1.25GHz變化到1.4GHz，掃描角度相應(yīng)從-40°變化到10°。

天線陣的測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果符合較好，在工作頻帶內(nèi)天線陣有良好的頻掃特性，掃描角度范圍大、損耗小。

圖8 天線陣回波損耗測(cè)量結(jié)果

圖9 天線陣頻掃特性

4 結(jié)論

本文提出了一種基于耦合線左右手復(fù)合傳輸線的頻掃天線陣列，利用耦合線左右手復(fù)合傳輸線構(gòu)成天線陣的饋電網(wǎng)絡(luò)。由仿真與實(shí)物測(cè)試結(jié)果可知，該天線陣具有良好的頻掃特性。與常規(guī)的慢波線結(jié)構(gòu)頻掃天線相比，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作頻帶更寬、損耗更小，掃描角度范圍更大等優(yōu)點(diǎn)。天線陣各個(gè)陣元采用非均勻饋電的方式可以有效的降低旁瓣電平。