白育堃，孫世恩

(天津理工大學(xué) 電氣電子工程學(xué)院，天津 300384)

0 引 言

漏波天線作為一種典型的行波天線，具有高輻射增益、低旁瓣和隨頻率進(jìn)行的波束掃描能力等特性，已廣泛用于各種無線通信系統(tǒng)中[1-3]。最早的漏波天線是由開縫矩形波導(dǎo)制成[1-2]，但傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)漏波天線存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制造成本高的問題?；刹▽?dǎo)(Substrate Integrated Waveguide, SIW)是近些年提出的一種新型平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，具有損耗低、成本低、體積小以及易于制造和集成等優(yōu)點(diǎn)[4]。SIW結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)低成本、低剖面漏波天線的優(yōu)秀解決方案[5]。具有橫向縫隙的準(zhǔn)均勻SIW漏波天線可以實(shí)現(xiàn)前向的波束掃描[6]，而使用負(fù)一階空間諧波模式工作的周期型漏波天線可以從后向掃描至前向[1，7]。近年來也有可以實(shí)現(xiàn)三頻段掃描混合模式的周期漏波天線研究[8]。由于開放阻帶(Open-Stop Band, OSB)[1]效應(yīng)，傳統(tǒng)周期型漏波天線無法實(shí)現(xiàn)后向至前向的連續(xù)波束掃描。對于OSB的抑制研究中，有學(xué)者提出了以復(fù)合左右手傳輸線理論(Composite Right/Left Hand, CRLH)[9-10]為基礎(chǔ)的漏波天線來抑制OSB效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的波束掃描特性。但使用CRLH的漏波天線結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)優(yōu)化過程耗時(shí)較長。2016年，Lyu等人提出了一種使用阻抗匹配技術(shù)的SIW漏波天線，可以有效地抑制OSB效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)波束掃描[11]，其結(jié)構(gòu)簡單且成本低廉，但是其天線的整體尺寸較大。針對器件小型化的研究，Hong W教授等人提出了具有傳統(tǒng)SIW橫向尺寸一半的半?；刹▽?dǎo)(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide, HMSIW)，其傳播特性與SIW相同[4]。到目前為止，已經(jīng)進(jìn)行了許多基于HMSIW的漏波天線的研究[12-13]。文獻(xiàn)[12-13]中使用阻抗匹配法設(shè)計(jì)的HMSIW漏波天線雖然可以進(jìn)行連續(xù)的波束掃描，但是掃描靈敏度欠缺，掃描范圍也有一定限制。此外，盡管HMSIW的開放邊界等效于虛擬磁壁，但HMSIW漏波天線的縫隙直接與開放邊界相連，其能量泄漏問題不能被忽視[10]，同時(shí)，HMSIW的開放邊界會(huì)降低輻射增益。

本文提出并驗(yàn)證了一種周期HMSIW漏波天線。所提出的天線具有連續(xù)波束掃描能力以及良好的側(cè)向輻射性能。HMSIW的開放邊界旁邊設(shè)置的金屬化通孔陣列可等效視為一個(gè)折疊的接地面，用于減少從開放邊界泄漏的能量。該設(shè)計(jì)可以進(jìn)一步使所提出的HMSIW漏波天線的橫向尺寸最小化。最后，對所提出的天線進(jìn)行加工與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，與仿真結(jié)果對比得到了較好的一致性。

1 漏波天線設(shè)計(jì)

1.1 HMSIW漏波天線結(jié)構(gòu)

圖1展示了3種HWSIW漏波天線結(jié)構(gòu)。本文提出的具有折疊接地面的HMSIW漏波天線的結(jié)構(gòu)如圖1(c)所示。該天線使用Rogers RT4350基板制成(介電常數(shù)為3.66，損耗角正切為0.004，厚度h=0.762 mm)，基板的上下表面均覆蓋有銅層，并在上表面蝕刻縫隙。天線由10個(gè)級聯(lián)的輻射單元構(gòu)成，其單元細(xì)節(jié)如圖2所示,圖中各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。此外，天線的兩端使用梯形過渡微帶線以實(shí)現(xiàn)良好的輸入阻抗匹配，其寬度從1.8 mm逐漸變化至3.6 mm。圖3所示為天線原型照片，天線兩端均焊接有同軸連接器，測試時(shí)左側(cè)端口連接饋電電纜，右側(cè)端口上連接有50 Ω負(fù)載。

表1 天線輻射單元參數(shù)

圖1 3種HMSIW漏波天線的結(jié)構(gòu)

圖2 輻射單元細(xì)節(jié)圖

圖3 加工的HMSIW漏波天線原型

1.2 漏波天線輻射原理

漏波天線使用快波向外界空間輻射電磁波，當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)部傳輸?shù)碾姶挪槁〞r(shí)，需要引入周期性結(jié)構(gòu)，此時(shí)天線內(nèi)部會(huì)激起無數(shù)次空間諧波，其相位常數(shù)可以表示為

式中：βn為n次諧波的相位常數(shù)；β為波導(dǎo)內(nèi)行波的相位常數(shù)；p為導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的周期長度；n為空間諧波次數(shù)。周期型漏波天線往往使用其中的負(fù)一階空間諧波，其主瓣波束可以隨著頻率的增加從后向象限掃描至前向象限。主波束輻射角度θ可表示為

式中：β-1為負(fù)一階空間諧波的傳播常數(shù)；k0為自由空間中的波數(shù)。當(dāng)β-1=0時(shí)，波束指向角度為0 °，稱為漏波天線的零度掃描或者側(cè)射方向，天線的波束方向?qū)⒋怪庇谔炀€結(jié)構(gòu)。對應(yīng)的β·p=2π，此時(shí)天線所有單元的反射波在側(cè)射頻率處同相疊加，導(dǎo)致了阻帶的產(chǎn)生，該現(xiàn)象稱為OSB效應(yīng)。因此，周期型漏波天線的阻帶抑制研究對于實(shí)現(xiàn)連續(xù)波束掃描具有重要意義。

1.3 OSB抑制原理

OSB效應(yīng)的產(chǎn)生是由于表面縫隙引入額外的阻抗與主傳輸線不一致引起的，消除OSB效應(yīng)最直觀的方法是使輻射單元阻抗與傳輸線匹配。對于圖2中的天線輻射單元，其等效電路圖如圖4所示，兩個(gè)橫向縫隙可視為兩個(gè)串聯(lián)元件Zs,縱向縫隙等效為并聯(lián)元件Yt，Z0為HMSIW的特征阻抗。

圖4 天線輻射單元的二端口網(wǎng)絡(luò)等效電路模型

對于圖4中的輻射單元等效電路模型，根據(jù)微波網(wǎng)絡(luò)理論，其傳輸矩陣可寫為

式中：Z為兩個(gè)串聯(lián)元件Zs的阻抗；Y為并聯(lián)元件Yt的導(dǎo)納，使用文獻(xiàn)[11]中的公式，該等效電路的S11參數(shù)可以由傳輸矩陣得出：

式中：S11為回波損耗；j為虛數(shù)單位。為了實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，使S11=0，即

將Y的虛部用Z表示為

由式(6)可知，Y和Z的虛部應(yīng)同時(shí)為正或負(fù)。這意味著，如果縱向縫隙(Yt)是電容性或電感性的，則橫向縫隙(Zs)應(yīng)是電感性或電容性的，以確保阻抗與Z0匹配。文獻(xiàn)[11]中通過仿真輻射單元S參數(shù)進(jìn)而逆求縫隙歸一化阻抗，證實(shí)了橫向槽起到串聯(lián)電感負(fù)載的作用，其電感值與橫向縫隙長度成正比。而縱向縫隙切斷波導(dǎo)表面的橫向電流時(shí)，若長度短于其諧振長度，則縱向縫隙等效為一個(gè)并聯(lián)電容器。因此，通過這種電抗互補(bǔ)的縫隙加載形式，可以有效抑制OSB效應(yīng)。

輻射單元的色散參數(shù)以藍(lán)線繪制于圖5中，該色散曲線通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)微波工作室(Computer Simulation Technology Microwave Studio，CST MWS)以本征模求解器得到?？諝饩€(k0p)以灰色虛線在圖中標(biāo)記出，在9 GHz以上的頻帶中，對于負(fù)一階空間諧波，β-1p

圖5 輻射單元的色散曲線

2 實(shí)驗(yàn)測試

本文所提出的HMSIW漏波天線實(shí)測與仿真的S參數(shù)繪制如圖6所示。由圖可知，在9～13 GHz的工作頻段內(nèi)，實(shí)測與仿真的回波損耗S11均保持在-10 dB以下，這說明阻抗匹配良好，OSB效應(yīng)已被抑制。仿真天線的傳輸系數(shù)S21約為-5 dB，而實(shí)測天線的S21比仿真數(shù)值低5 dB。這種明顯的差異可能是由于所制造天線中的導(dǎo)體損耗比模擬天線損耗高，以及同軸連接器造成的額外損耗所導(dǎo)致的。

圖6 仿真與實(shí)測的S參數(shù)

天線的仿真和測量的歸一化輻射方向圖如圖7所示。輻射方向圖上的主瓣已實(shí)現(xiàn)了無縫的連續(xù)波束掃描，該掃描是從后向前隨頻率變化的。當(dāng)工作頻率從9 GHz增加到13 GHz時(shí)，在-51～24 °的范圍內(nèi)可以很好地實(shí)現(xiàn)連續(xù)波束掃描。測量結(jié)果與模擬結(jié)果誤差較小，相比實(shí)測結(jié)果，仿真結(jié)果略微前移1～2 °。

圖7 5種不同頻率下的歸一化輻射特性

圖8所示為設(shè)計(jì)天線的仿真和測量輻射增益。天線的模擬增益達(dá)到約13 dBi的峰值，并在11.2 GHz處達(dá)到12.8 dBi，表明天線的側(cè)向輻射良好。相比仿真結(jié)果，實(shí)測的天線增益有一定衰減，測量輻射增益可以穩(wěn)定地在6.9～12.3 dBi之間變化。

圖8 實(shí)測與仿真增益對比

圖9所示為圖1中展示的3種HMSIW漏波天線在輻射增益方面的仿真比較。由圖可知，初始HMSIW天線開放側(cè)的邊緣泄漏很嚴(yán)重，從而導(dǎo)致增益較小。若將HMSIW開放邊界處的介質(zhì)基板與背面金屬層擴(kuò)展至全尺寸SIW，其輻射增益明顯增加。本文提出的HMSIW漏波天線的增益與全尺寸接地漏波天線的增益較為接近，相對于初始半模漏波天線的增益有所提高。在開放邊界處放置的金屬通孔陣列可以等效視為一個(gè)折疊的接地面，在維持較高增益的情況下可使其尺寸最小化。

圖9 3種HMSIW漏波天線增益的仿真對比

圖10所示為3種漏波天線在11.2 GHz下仿真的3D遠(yuǎn)場方向圖對比，設(shè)置在HMSIW的開放邊界旁邊的金屬通孔陣列確實(shí)可以減少開放邊界泄漏，從而提升了天線的輻射性能。

圖10 天線的遠(yuǎn)場3D方向圖

3 結(jié)束語

本文提出了一種具有折疊接地面的HMSIW漏波天線。通過色散圖和輻射圖分析，證實(shí)其具有從后向到前向的連續(xù)波束掃描功能。當(dāng)工作頻率在9～13 GHz之間變化時(shí)，可實(shí)現(xiàn)寬角度的連續(xù)波束掃描。 該天線通過利用折疊接地面減少了開放邊界泄漏的能量，進(jìn)而使橫向尺寸最小化。天線的實(shí)測增益范圍為6.9～12.3 dBi。該天線在測量結(jié)果和模擬結(jié)果之間顯示出較好的一致性，在抑制OSB效應(yīng)的同時(shí)有效提升了掃描范圍與掃描靈敏度。