復(fù)合左右手圓極化漏波天線的實(shí)現(xiàn)

郭遠(yuǎn)明摘要：一個(gè)基于基片集成的復(fù)合左右手介質(zhì)波導(dǎo)的圓極化的漏波天線在這里被研究了，在這個(gè)天線上一系列的交趾電容被引入到了回路中，它們是通過在波導(dǎo)的表面蝕刻一些細(xì)縫，以達(dá)到復(fù)合左右手的功能。兩個(gè)對(duì)稱的漏播傳輸線被平行的放置在一起，他們有著正交的極化方向，并且激勵(lì)源的相位相差90度，以此來產(chǎn)生單一圓極化模式的波，這個(gè)天線的主波束方向可以通過改變頻率來進(jìn)行連續(xù)的控制，并且在主波束的輻射方向保持一個(gè)較低的前后比（低于3dB），這個(gè)天線的輻射特性已經(jīng)經(jīng)過仿真和實(shí)際測(cè)量證實(shí)，他們與理論值有很好的吻合性。關(guān)鍵詞：圓極化復(fù)合左右手漏波天線介質(zhì)完整波導(dǎo)1，簡(jiǎn)介標(biāo)準(zhǔn)和周期性結(jié)構(gòu)的傳輸線型的漏波天線已經(jīng)被深入的研究和廣泛的應(yīng)用，他們有著較寬的電壓駐波比，頻率掃描特性和尖銳的波束性。傳統(tǒng)的漏波天線由于其掃描范圍的限制，特別是他不能進(jìn)行側(cè)向掃描。最近，由于復(fù)合左右手材料在其左手區(qū)域支持后向波束傳播，而被廣泛的關(guān)注。因?yàn)榉献笥沂致┎ㄌ炀€能夠提供連續(xù)的從側(cè)向到軸向的掃描的能力，所以他被當(dāng)做一種滿意的輻射結(jié)構(gòu)，各種基于不同理論的天線結(jié)構(gòu)已經(jīng)被提出和應(yīng)用，它們大多數(shù)是產(chǎn)生一種能夠進(jìn)行頻率掃描的線極化波，然而人們希望在信息傳播中能夠通過圓極化波改善接收信號(hào)的質(zhì)量，而在主波束的掃描過程中如何保持單一的圓極化波對(duì)我們來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。在這篇文章中，提出了一個(gè)基于基片集成波導(dǎo)技術(shù)的復(fù)合左右手圓極化的漏波天線。基片集成波導(dǎo)提供的了一些好的性能，比如低剖面，低成本，高品質(zhì)因數(shù)，很好的兼容性，在文獻(xiàn)[3],[4]中，討論了兩個(gè)基于完整介質(zhì)波導(dǎo)的漏波天線，前者是復(fù)合左右手類型的，后者是傳統(tǒng)類型的。文章中的天線結(jié)構(gòu)是兩個(gè)對(duì)稱放置在一起的基于完整波導(dǎo)的復(fù)合左右手漏波天線，它們的金屬表面上刻有傾斜45度的手指狀的插槽，這些細(xì)縫起著一系列電容的作用，與波導(dǎo)本身固有的電感為后向波束的傳播提供必要的條件，一個(gè)半功率的方向耦合器也被設(shè)計(jì)用來給這個(gè)天線饋電，通過兩個(gè)等幅相位相差九十度的激勵(lì)源，給正交極化的行波結(jié)構(gòu)饋電，就得到了圓極化波。它具有從側(cè)向到軸向的掃描特性，并且它的圓極化特性已經(jīng)通過了仿真和實(shí)際測(cè)量的檢驗(yàn)。2推薦的結(jié)構(gòu)和它的工作特性本文提供的漏波結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖1（a）和圖1（b）是基本單元，整個(gè)漏波天線的模型放置在如圖1（c）所示的坐標(biāo)系中。從圖中可以看到，在基本單元的兩側(cè)有許多連接到金屬底板的過孔，那些在金屬表面的細(xì)槽與傳播方向傾斜成45度角，兩個(gè)對(duì)稱的漏波傳輸線并排的放置在一起，他們中間有一段小的距離，這用來增強(qiáng)獨(dú)立特性，它們?nèi)鐖D1（b）和1（c）所示。

(C)當(dāng)它們的將激勵(lì)源相位相差90度時(shí)，它們能夠產(chǎn)生兩個(gè)正交的線極化波，進(jìn)而合成圓極化波，這個(gè)天線建立在Roger5880上，它的厚度是1.27mm,相對(duì)介電常數(shù)是2.2，那些金屬過孔的半徑是0.8mm,兩個(gè)過孔圓心的距離是1.5mm.圖2是圖1（a）的等價(jià)電路，圖1（a）的金屬表面和接地板可以等效成具有串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的兩條傳輸線，那些金屬過孔提供并聯(lián)的電感，而那些交趾電容C1也被引入到這個(gè)模型之中，進(jìn)而構(gòu)成復(fù)合左右手結(jié)構(gòu)，天線的左手特性來自電容C1和電感L1，那些指針狀的電容，被旋轉(zhuǎn)成45度，用以產(chǎn)生45度的線極化波，通過增加縫隙的寬度和細(xì)縫的長度。圖表3是圖表1（a）所示結(jié)構(gòu)單元的S參數(shù)仿真散布曲線，從圖表中我們可以看到在頻率等于8.25Gh時(shí)獲得了一個(gè)平衡狀態(tài)（沒有駐波），我們需要注意的是，在大多數(shù)情況下，當(dāng)天線沒有處于平衡狀態(tài)時(shí)，在左手區(qū)和右手區(qū)之間一個(gè)阻帶，空氣線也被繪制在圖上，它將圖表分成兩部分：在線上方的輻射區(qū)（快播區(qū)）和在線下方的導(dǎo)波區(qū)（慢波區(qū)）。Fig.2.EquivalentcircuitmodeloftheCRLH-SIWelement.

NHOJ&&nbGt08040.6Pp/nNHOJ&&nbGt08040.6Pp/nFig,3,DispersiondiagramoftheCRLH-SIWunit-cellshowninFig.1(a)obtainedfromHFSSS-parametersimulation.Theparametervaluesare:=0.545mm.w粉=0.4nun.hh=12Amm./?=9Anim.and/=3」ninL3仿真在前面部分已經(jīng)對(duì)基于單個(gè)結(jié)構(gòu)的單元進(jìn)行了分析，這里首先將對(duì)具有十四個(gè)單元的單個(gè)輻射傳輸線的漏播特性進(jìn)行研究，然后將對(duì)兩個(gè)對(duì)稱放置的能夠產(chǎn)生圓極化的傳輸線進(jìn)行整體的仿真和探究，所有的這些仿真都是基于HFSS軟件。圖表4所示的是單個(gè)漏播傳輸線的S參數(shù)，它的結(jié)構(gòu)插入在這個(gè)圖表中，那十四個(gè)單元的尺寸大小與圖表3中討論的是一模一樣，參數(shù)完全相同。一條逐漸變窄的傳輸線用來優(yōu)化阻抗，使輸入和輸出端口的阻抗在較寬的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，天線的左手區(qū)域和右手區(qū)域被過渡頻率8.2Ghz分開，雖然我們可以從圖表中看到天線的結(jié)構(gòu)單元的分布曲線在左手區(qū)和右手區(qū)之間是無縫隙的，但是這個(gè)傳輸線并不是出于完全平衡狀態(tài)。這是由于這個(gè)有限長的漏波傳輸線并不能給它的結(jié)構(gòu)單元提供一個(gè)周期性的邊界條件，圖表五示出了基于基片集成波導(dǎo)的傳輸線的仿真輻射模型，從中我們可以清晰的看到輻射波束可以全向掃描，由于等效的天線縫隙大小減小，天線的波束寬度在頻率較低時(shí)反而更寬，我們也必須謹(jǐn)記天線的合成極化平面與縫隙的方向是一致的，它與x-z平面旋轉(zhuǎn)45度的平面重合。通過給兩個(gè)具有正交極化方向的輻射線施加相差90度的激勵(lì)源，來獲得圓極化的波束。在設(shè)置仿真饋電端口時(shí)，端口1和端口4的信號(hào)具有幅度相同，相位相差90度的特點(diǎn)。圖表6給出了仿真時(shí)天線在左手區(qū)，側(cè)向區(qū)，右手區(qū)的增益特性，從表6（b）中可以看到這個(gè)天線在右手區(qū)是圓極化的，在8.2Ghz時(shí)交叉極化方向的幅度比主波束方向的幅度低20dB，一般來說，在實(shí)際中，右手區(qū)的增益要比左手區(qū)要高，這是由于隨著頻率的升高，天線的尺寸相對(duì)于波長來說是增加的。由于天線的反射很顯著，我們可以想象它的側(cè)向增益相對(duì)而言比較低。圖表7給出了天線在不同頻率時(shí)的軸比，很顯然天線軸比低于3dB的區(qū)域也隨著主波束進(jìn)行掃描，在圖7（a）中我們必須指出，天線的圓極化特性在低頻端會(huì)出現(xiàn)惡化，這是由于兩個(gè)輻射線間的耦合已經(jīng)不能忽略所致。Frequency(GHz)Fig.4.Simulated5-ParametersforthesingleradiatingTL.mB-slu我而dp(DZMm￡」oN/rr(/ththiFrequency*二231■73675'■■mB-slu我而dp(DZMm￡」oN/rr(/ththiFrequency*二231■73675'■■-178—82&59.09.5110■10.5■11(GHz)20

-120-&Q書。-30030Theta(deg)60&0120Fig.5.Simulated￡-planeradiationpanernsfrequencies.inazplaneatdifferent-ms-cs-i”-9060-MQ?6CW120部牌KMM0MMT恤姑(de?lTlheta(de@)I9flIR慎E，“0wavwlhetu|{￡eq)Fie.&.Simulated^ainpatte「rtsotthecircularlypolarizedantenna,inx-2planein{aiLHrecionB(b)BraadsidE(al8.2C3HzlandfcjRHr^Eion.-u卻-so-16Thi^a(deg)GOf-Tf7jraL小曲11-s43￡4ioomThelafdeg)<32?D衛(wèi)］M5QmTh-eiaqdegjmsoFie.7.SimulatedAR.ofthecircularlypolarizedantcnnBinx-2planein{aiLHregion,{bi日「wdiide.andfejRHreFie.7.4實(shí)驗(yàn)為了能夠產(chǎn)生兩個(gè)具有相同幅度，相位相差90度的信號(hào)，對(duì)一個(gè)基于完整波導(dǎo)的3dB方向耦合器也進(jìn)行了設(shè)計(jì)，具體方法見文獻(xiàn)【5】，它們?cè)赗oger5880的介質(zhì)上運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的PCB程序進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，它的厚度是1.27mm。圖表8給出了一張組件的照片。通過連接構(gòu)造的耦合器和之前介紹過的天線，我們就可以得到圓極化的天線，圖表9給出了這個(gè)天線的測(cè)量S參數(shù)，我們可以看到在整個(gè)區(qū)域內(nèi)反射系數(shù)（S11）都低「11dB,它的隔離參數(shù)（S41）在8.2Ghz附近達(dá)到最大值，在低于7.2Ghz時(shí)就變壞了，這是合理的，因?yàn)榉瓷洳◤膬蓷l漏波傳輸線到達(dá)端口1時(shí)有180度的突變相位，而這剛好相互抵消。然而在端口4處，它們相位是同步的，因此兩個(gè)波剛好重合，這是由于90度的方向耦合器所導(dǎo)致的，所以S41的形狀與單個(gè)輻射線的反射是相似的。我們已經(jīng)在我們的高頻中心測(cè)試了這副天線近場(chǎng)的輻射特性和軸比，圖表10，給出了五個(gè)不同頻率時(shí)的歸一化輻射特性，不僅有主極化的輻射特性，而且還有交叉極化的輻射特性，圖10（a），（b），（c）分別證明了天線波束在后向，側(cè)向，前向的掃描特性。下面是天線的實(shí)際測(cè)量方向特性：7.5Ghz時(shí)是10.45dB;7.8Ghz時(shí)是10.71dB;

8.2Ghz時(shí)是11.52dB；10.71Ghz時(shí)是3.22dB，10Ghz時(shí)是14.556dB，在以上的頻率點(diǎn)上的軸比如圖11所示，我們可以看到在大多數(shù)情況下主波束輻射方向的的軸比要低于3dB。仿真和實(shí)際測(cè)量的軸比結(jié)果有些差異，這是由于帶寬的限制和3dB耦合器不是理想的所導(dǎo)致的。另外，結(jié)構(gòu)誤差能夠使兩個(gè)漏波天線的性能改變，，進(jìn)而影響軸比。iCQPJ世由苛E癡」9a?sFie.S.PhotographiCQPJ世由苛E癡」9a?sFie.S.PhotographoftheLibricatedcomponents.-4D857Pm1540H5IQflW5HflFrequency(GH?)Fl匚9.Measured5-PanimctiisoftheentireciizularlypolarizedLWA.ijj：K40JOO'鴕40Wijj：K40JOO'鴕40W屹0Tiieta{dfraj-皿WVUR甯□.P<I±1?M口壬■M誦0皺WWM?IM1旭ha4d?Dt缶施13."rap』-in?通50田iQU60釜Tiiela汨頃⑶(切化}Fig.LO.Measured￡-plancpatternsofthecircularlypolarizedantenrain.r-zplanein(a)LHreEion.(b)bradside.and(c)RHregion.在5STEft-xcIDg1。在5STEft-xcIDg1。29MTMIhEgffipFQ荀tr⑶w同F(xiàn)ig.1.1.Measured.AR.ofthe