1.簡介
左手材料(Left-Hand Material)也被稱為雙負媒質(zhì)或者負折射率物質(zhì)，是一類在一定的頻段下同時具有負的介電常數(shù)和負的磁導率的材料。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，電場、磁場和波矢量滿足左手螺旋關(guān)系，同時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)域得到應用。2002年，UCLA的Itoh教授等人提出了左右手復合傳輸線(CRLH TL)理論，利用微波元件制成人工的左右手復合傳輸線。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用前景。（仿真改進型雙圓錐天線的設計）
相控陣雷達是雷達技術(shù)發(fā)展一個極為重要的方向，而頻掃天線技術(shù)是相控陣雷達技術(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，利用左右手復合傳輸線代替慢波線實現(xiàn)串行功分器具有帶寬寬、體積小、插入損耗小的優(yōu)點。但是常規(guī)的利用交指電容結(jié)構(gòu)的左右手復合傳輸線，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)簡單易于實現(xiàn)。本文提出一種新型頻掃天線陣列，利用耦合線左右手復合傳輸線構(gòu)成串行饋電網(wǎng)絡，可以擴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。本文設計的八元頻掃天線陣列，在工作頻帶內(nèi)掃描角度可達到-40°~10°，增益14dB，旁瓣電平低于-20dB。
2。頻掃天線陣設計
2.1 耦合線左右手復合傳輸線設計
耦合線左右手復合傳輸線單元結(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合傳輸線。本設計中將七個單元結(jié)構(gòu)周期連接，并與一段微帶線相連構(gòu)成左右手復合傳輸線，如圖2所示。
圖1 耦合線左右手復合傳輸線單元結(jié)構(gòu)
圖2 耦合線左右手復合傳輸線
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)絡設計
天線陣采用串行功分器作為饋電網(wǎng)絡，串行功分器主干為左右手復合傳輸線，并在功分器各級和輸出端口都匹配到50Ω，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。（柱面共形裂縫陣天線的設計與仿真）
串行功分器可以認為是T型結(jié)功分器的級聯(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，
分別為兩個輸出端口特性阻抗，
分別為兩個輸出端口的輸出功率。
圖4 饋電網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
圖5 T型結(jié)功分器結(jié)構(gòu)
串行饋電網(wǎng)絡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)進行匹配。各個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，可以計算得出饋電網(wǎng)絡中各個阻抗變換部分的參數(shù)。
2.3 天線陣設計
以前述的串行功分器作為天線陣的饋電網(wǎng)絡，單元天線與饋電網(wǎng)絡之間通過SMA接頭連接。單元天線采用微帶饋電型準八木天線。為了保證在大角度掃描時單元天線有足夠的增益，使用單元天線的H面進行掃描。單元天線所在平面與饋電網(wǎng)絡平面保持垂直。天線陣的實物如圖6所示，介質(zhì)基板介電常數(shù)均為2.65，厚1.55mm。（基于HFSS的天線陣列計算方法比較分析）
圖6 八元頻掃天線陣實物圖
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-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 測試結(jié)果
對八元頻掃天線陣實物進行測試，測量天線陣的回波損耗以及方向圖。
用安捷倫E8363B型矢量網(wǎng)絡分析儀測量天線陣的回波損耗，測量結(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。
天線陣方向圖測試結(jié)果如圖9所示，由測試結(jié)果可知，頻率從1.25GHz變化到1.4GHz，掃描角度相應從-40°變化到10°。
天線陣的測試結(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合傳輸線的頻掃天線陣列，利用耦合線左右手復合傳輸線構(gòu)成天線陣的饋電網(wǎng)絡。由仿真與實物測試結(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)簡單，工作頻帶更寬、損耗更小，掃描角度范圍更大等優(yōu)點。天線陣各個陣元采用非均勻饋電的方式可以有效的降低旁瓣電平。
