基于耦合线左右手复合传输线的频扫天线阵设计

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左手材料（Left-Hand Material）也被称为双负媒质或者负折射率物质，是一类在一定的频段下同时具有负的介电常数和负的磁导率的材料。左手材料的思想最早由前苏联人V.G.Veselago提出，电磁波在左手材料中传播时，电场、磁场和波矢量满足左手螺旋关系，同时相速度与能流方向相反。随着近年研究的深入，左手材料发展迅速，在很多领域得到应用。2002年，UCLA的Itoh教授等人提出了左右手复合传输线（CRLH TL）理论，利用微波元件制成人工的左右手复合传输线。这种结构具有较低的插入损耗和较宽的带宽，并具有相位超前等特性，在工程中有很大的应用前景。
                         
                        相控阵雷达是雷达技术发展一个极为重要的方向，而频扫天线技术是相控阵雷达技术最为关键的部分之一。常规的频扫天线多采用慢波结构提供相位变化进行扫描，但是微带线损耗较大，很大的影响了天线的增益。已有的研究证明，利用左右手复合传输线代替慢波线实现串行功分器具有带宽宽、体积小、插入损耗小的优点。但是常规的利用交指电容结构的左右手复合传输线，交指电容值很难做大，限制了这种传输线在低频部分的使用。2009年，Amr M. E. Safwat提出了一种基于微带耦合线的左右手复合传输线（CL-CRLH TL），这种传输线具有更宽的频率范围，能够提供更多的相位超前，损耗更小，结构简单易于实现。本文提出一种新型频扫天线阵列，利用耦合线左右手复合传输线构成串行馈电网络，可以扩展天线阵的频带范围，降低损耗、提高天线阵的增益，并且具有很大的角度扫描范围。天线阵各阵元采用非均匀馈电方式，可以降低天线的旁瓣电平。本文设计的八元频扫天线阵列，在工作频带内扫描角度可达到-40°~10°，增益14dB，旁瓣电平低于-20dB。
                         
                        2  频扫天线阵设计

                        2.1  耦合线左右手复合传输线设计

                        耦合线左右手复合传输线单元结构如图1所示[5]，是将耦合微带线的两个端口短路变形后得到，将图1所示的单元结构周期连接即可形成左右手复合传输线。本设计中将七个单元结构周期连接，并与一段微带线相连构成左右手复合传输线，如图2所示。
                         
       

               

       

                图1  耦合线左右手复合传输线单元结构

       

               

       

                图2  耦合线左右手复合传输线

                         
                        介质基板介电常数为2.65，厚1.5mm，仿真结果如图3所示。其中图3（a）为耦合线左右手复合传输线回波损耗特性曲线，由图可知该传输线有很宽的工作频带，并且在低频的损耗也很小，在0.5GHz~2.79GHz频率范围内回波损耗均小于-10dB。图3（b）为相位特性曲线，由图可知在其工作频带内有相位超前的特性，并且有很大的相位变化率。在1.25GHz~1.4GHz频率范围内相位变化范围为129°~ -29.8°。
                         
       

               

       

                图3  CL-CRLH TL仿真结果

                 
                        2.2  串行馈电网络设计

                        天线阵采用串行功分器作为馈电网络，串行功分器主干为左右手复合传输线，并在功分器各级和输出端口都匹配到50Ω，其结构如图4所示。
                         
                        串行功分器可以认为是T型结功分器的级联，单节T型结功分器结构如图5所示。T型结功分器满足如下关系：
       

                ；

                        其中 为输入端口特性阻抗， 分别为两个输出端口特性阻抗， 分别为两个输出端口的输出功率。
                         
       

               

       

                图4  馈电网络结构

       

               

       

                图5  T型结功分器结构

                         
                        串行馈电网络中横向的阻抗变换采用 阻抗变换器，纵向的阻抗变换采用单短截线匹配枝节进行匹配。各个阵元采用非均匀馈电，功分器的输出端口功率分配满足切比雪夫分布。根据端口功率分配的情况以及前述的T型结功分器功率与特性阻抗的关系，可以计算得出馈电网络中各个阻抗变换部分的参数。
                         
                        2.3  天线阵设计

                        以前述的串行功分器作为天线阵的馈电网络，单元天线与馈电网络之间通过SMA接头连接。单元天线采用微带馈电型准八木天线。为了保证在大角度扫描时单元天线有足够的增益，使用单元天线的H面进行扫描。单元天线所在平面与馈电网络平面保持垂直。天线阵的实物如图6所示，介质基板介电常数均为2.65，厚1.55mm。
                         
       

               

       

                图6  八元频扫天线阵实物图

                         
                        八元频扫天线阵的仿真结果如图7所示，其中图（a）为天线阵回波损耗特性曲线，由图可知在1.22GHz~1.48GHz频带内回波损耗小于-10dB。图（b）为天线阵频扫特性曲线，由图可知天线阵扫描角度可以到达-40°~10°，天线阵增益为13dB~ 14.7dB，在扫描角度范围内旁瓣电平可以达到-24dB。
                 
       

               

       

                （a）天线阵回波损耗仿真结果

       

               

       

                （b）天线阵频扫特性曲线

       

                图7  八元天线阵仿真结果

                         
                        3  测试结果

                        对八元频扫天线阵实物进行测试，测量天线阵的回波损耗以及方向图。
                        用安捷伦E8363B型矢量网络分析仪测量天线阵的回波损耗，测量结果如图8所示。由图可知在1.2GHz~1.5GHz频带内回波损耗小于-10dB，1.25GHz~1.4GHz频带内回波损耗小于-18.5dB。
                         
                        天线阵方向图测试结果如图9所示，由测试结果可知，频率从1.25GHz变化到1.4GHz，扫描角度相应从-40°变化到10°。
                         
                        天线阵的测试结果与仿真结果符合较好，在工作频带内天线阵有良好的频扫特性，扫描角度范围大、损耗小。
                         
       

               

       

                图8  天线阵回波损耗测量结果

       

               

       

                图9  天线阵频扫特性

                         
                        4  结论

                        本文提出了一种基于耦合线左右手复合传输线的频扫天线阵列，利用耦合线左右手复合传输线构成天线阵的馈电网络。由仿真与实物测试结果可知，该天线阵具有良好的频扫特性。与常规的慢波线结构频扫天线相比，具有体积小、结构简单，工作频带更宽、损耗更小，扫描角度范围更大等优点。天线阵各个阵元采用非均匀馈电的方式可以有效的降低旁瓣电平。