程新春　龔楷晨　孫宇　張安學

摘要：基于基片集成波導左右手復合傳輸線，設計了二維電掃天線陣。采用具有頻掃功能的漏波天線作為天線陣的陣元天線，并在陣元天線之間加入數(shù)字移相器來控制陣元天線間的相位差。仿真結果表明，在9GHz—11GHz頻段，二維面陣電掃描天線實現(xiàn)了相頻掃特性，在E面可實現(xiàn)頻率掃描，頻掃角度范圍為-26°—30°，在H面可實現(xiàn)相位掃描，掃描角度由數(shù)字移相器控制。

關鍵詞：電掃天線陣；左右手復合傳輸線；基片集成波導

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：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，前蘇聯(lián)科學家Veselago提出了左手材料的理論和概念，但是這種具有特異性質(zhì)的材料在大自然中并不存在。20世紀90年代，英國物理學家Pendry教授提出，在微波頻段，可以用細金屬線陣列結構實現(xiàn)負的介電常數(shù)，用開口金屬諧振環(huán)（簡稱SRR）的周期性排列結構可以實現(xiàn)負的磁導率的新型人工電磁材料。2000年，Smith教授等人在Pendry教授提出的理論模型基礎上將細金屬線線和開口金屬諧振環(huán)結合在一起，首次制造出在微波頻段同時具有負介電常數(shù)和負磁導率的人工復合媒質(zhì)，即左手材料。2002年，加州大學洛杉磯分校Itoh教授和多倫多大學Eleftheriads教授所領導的科研小組分別獨立提出了所謂左手傳輸線的思想，利用對偶原理根據(jù)右手傳輸線來構造左手傳輸線，由于左手傳輸線都是在右手傳輸線基礎上構造的，難免會有右手效應，因此就構成了Itoh教授提出的左右手復合傳輸線（CRLH.TL）。

自從2002年左右手復合傳輸線理論被提出以后，國內(nèi)外許多研究小組將其和微帶線、矩形波導，基片集成波導等結合，研究出了很多新穎的微波濾波器、功分器、耦合器等，并成功應用于天線及陣列天線中?；刹▽Ш妥笥沂謴秃蟼鬏斁€的結合，使得天線的性能得到了很大的改善。2008年，德國斯圖加特大學的Weitsch Y等人提出封閉結構的左右手復合傳輸基片集成波導，克服了能量泄漏的缺點[1]。2011年，Itoh T等人提出半模左右手復合傳輸基片集成波導結構，進一步實現(xiàn)了小型化[2]。

三坐標雷達（3D雷達）是指能同時測量目標距離、方位和仰角或高度的雷達[3]，廣泛用于多數(shù)防空雷達、火控雷達和導彈制導雷達等，用來實現(xiàn)空中監(jiān)視、警戒用來實現(xiàn)空中監(jiān)視、警戒與引導。雷達的發(fā)展與相控陣天線技術的發(fā)展有著密切的關系，它對相控陣天線提出了更高的要求，要求相控陣天線在方位和仰角均能進行電掃描，因此二維電掃描天線著密切的關系，它對相陣天線提出了更高的要求，要求相控陣天線在方位和仰角均能進行電掃描，因此二維電掃描天線[7]將有很好的應用前景。采用二維電掃描天線的3D雷達與一維電掃一維機械掃的3D雷達相比有很多的優(yōu)點，使得3D雷達在性能上獲得了多項改善。本文旨在設計一個二維的電掃描天線，在縱向采用頻率掃描技術，采用體積小的漏波天線在陣元天線方向構成頻掃；在橫向采用相位掃描技術，直接利用移相器控制組陣方向各個漏波天線的饋電相位來實現(xiàn)波束掃描，在組陣方向構成相掃，這樣就構成二維面陣相頻掃天線。

2 漏波天線單元結構設計

漏波天線的單元結構模型圖如圖 1所示。

基片集成波導采用介質(zhì)型號為Taconic TLY，介質(zhì)的介電常數(shù)為2.2，厚度為1.27mm，介質(zhì)損耗角正切為0.0009。基片集成波導的等效寬度為20mm，波導兩邊的通孔直徑為1mm，間距為2mm，用來實現(xiàn)并聯(lián)電感的通孔的直徑為0.7mm，間距為1.4mm，用來實現(xiàn)串聯(lián)電容的輻射縫隙的寬度為0.25mm。基片集成波導表面的縫隙可實現(xiàn)串聯(lián)電容的作用，并向外漏波輻射，基片集成波導中間的金屬通孔能實現(xiàn)并聯(lián)電感的作用。

單元結構的色散特性曲線如圖 2，從圖中可以看出，單元結構達到平衡狀態(tài)，且平衡頻率點為9.72GHz，小于9.72GHz為左手頻段，傳播常數(shù)為負，大于9.72GHz為右手頻段，傳播常數(shù)為正。

3 一維頻掃天線設計

基于基片集成波導左右手復合傳輸線的頻掃漏波天線的整體結構如圖 3所示，該漏波天線由十一個單元結構級聯(lián)而成構成周期性漏波結構，基片集成波導與微帶線采用梯形漸變線過渡結構轉(zhuǎn)換，在輸出端口接50歐姆的匹配負載來吸收端口剩余能量。

漏波天線的回波損耗和插入損耗曲線如圖 4所示，從圖中可以看出，回波損耗在平衡位置附近較大，這是因為單元結構級聯(lián)以后，單元結構之間的耦合使得平衡點處的匹配變差，其他頻段內(nèi)回波損耗都在-10dB以下，匹配良好。左手頻段小于-15dB， 96%的能量都輻射出去，左手頻段的輻射效率高于右手頻段。右手段S21在-15dB左右，負載吸收功率小于4%。

不同頻點的天線主E面頻掃方向圖如圖 5所示，幾個典型頻點處主波束方向、半功率波瓣寬度以及增益見表，從圖和表中可以看出，以天線模型中的坐標為參考坐標，在Phi為0deg的平面，天線的主波束方向Theta在9GHz到11GHz的變化范圍為-25°—32°，在平衡頻率9.7GHz處為側(cè)射方向。平衡頻率和單元結構的平衡頻率吻合。

以上是頻掃漏波天線的仿真模型和仿真結果，基于基片集成波導左右手復合傳輸線的頻掃漏波天線的加工實物圖如圖 6，天線的尺寸為：101.7mm23.5mm， 輸入端口和輸出端口都連接SMA接頭，在輸出端口接50 同軸匹配負載吸收剩余能

圖6 頻掃漏波天線的加工實物圖

使用矢量網(wǎng)絡分析儀測試天線實物的回波損耗，仿真結果和測試結果對比如圖7，由圖7可看出，與仿真結果相比，測試結果向高頻偏移了0.14GHz，而且在平衡位置附近，回波損耗較大。模型中，通孔直徑為0.7mm，縫隙的寬度為0.25mm，加工時這些參數(shù)的微小誤差都會對并聯(lián)和串聯(lián)諧振頻率有影響，從而導致平衡位置的偏移。

平衡位置的偏移也可以從天線不同頻點處的方向圖中體現(xiàn)出來，幾個頻點處的歸一化方向圖如圖 8所示，測試結果顯示，在Phi為0deg的平面，天線的主波束方向Theta在9GHz到11GHz的變化范圍為-25.45°—30.48°，在平衡頻率9.84GHz處為側(cè)射方向。平衡位置和角度稍有偏移。

4 二維面陣電掃描天線設計

二維面陣電掃描天線（圖 9）由三部分組成：移相器有源控制電路、三端口等幅輸出功分器和頻掃漏波天線3元陣（標號④）。如圖所示，標號①為移相器電平控制電路，標號②移相器采用了砷化鎵單片六位數(shù)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°的相位變化，每個移相器有10個電壓控制引腳，不同的高低電平組合能獲得不同的相位變化。

三端口等幅輸出功分器（標號③）采用T型結功分器和四分之一波長變換匹配，保證每個輸出端口的輸出功率幅度相等。本文中仿真了三端口等幅輸出功分器，仿真結果如圖10所示：回波損耗在-20dB以下，三個輸出端口的功率幅度在-5.8dB左右，輸出效率為80%，輸出端口等幅特性良好。

使用移相器設置各漏波天線單元的相位差為0°，天線陣的頻掃特性可由三個頻點處天線的XOZ面（Phi=0°）歸一化方向圖看出，如圖 11所示，在9-11GHz頻段內(nèi)，主波束方向在XOZ面從-X方向空間到X方向空間連續(xù)掃描，和單元漏波天線的頻掃特性吻合，頻掃角度見表2。

天線陣的相掃特性可由單個頻點處天線的YOZ面（Phi=90°）歸一化方向圖看出，在組陣方向，使用移相器設置單元漏波天線之間不同的相位差，可以使主波束方向?qū)崿F(xiàn)不同角度的偏移，當相位差分別設置為0°和90°時，8GHz的輻射方向圖見圖12，相掃角度見表2，相掃角度仿真結果和計算結果吻合。

二維面陣電掃描天線的相頻掃特性還可以從圖13的3D方向圖中看出。圖13是陣元之間相差為-45°時，三個頻點處的天線輻射方向圖。

天線陣不但實現(xiàn)了頻掃功能，即當組陣方向天線相位差為-45°時，不同頻點處的主波束方向不同，由-X向到+X向；而且還實現(xiàn)了相掃功能，即當組陣方向天線相位差為-45°時，不同頻點處的主波束在組陣方向都偏向前向（+Y向），而且偏角相同。用頻率和相移器來控制天線的主射方向，從而實現(xiàn)二維掃描的功能。

從圖中還可以看出9GHz時天線的增益為15.73dB，9.7GHz時天線的增益為17.44dB，11GHz時天線的增益為17.79dB，天線陣的增益較大。

5 結束語

本文基于基片集成波導設計了工作在9GHz—11GHz的頻掃漏波天線，該頻掃天線能實現(xiàn)后向空間-25°到前向空間32°的空間掃描，在平衡頻率9.7GHz為側(cè)射方向，天線的實物測試結果和仿真結果基本吻合。將3個頻掃漏波天線組陣，并且在天線陣單元天線之間加入移相器來調(diào)節(jié)單元天線之間的相位差，組成二維面陣電掃描天線。該電掃描天線能在組陣方向?qū)崿F(xiàn)相位掃描，掃描角度由移相器提供的相位差決定，在漏波天線方向?qū)崿F(xiàn)頻率掃描，頻率掃描特性和單個漏波天線類似，掃描角度范圍為-26°—30°，天線實現(xiàn)了相頻掃的功能。

參考文獻：

[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] 張光義. 二維電掃三坐標雷達技術應用分析[J]. 現(xiàn)代雷達， 2006， 27（12）： 1-7.