基于雙層人工表面等離激元的高掃描率漏波天線

張程浩,賀 遙,彭祥飛

(中國電子科技集團公司第二十九研究所,成都,610036)

漏波天線是一種行波天線,相比于其他類型的天線有著頻率掃描高增益和低剖面等獨特的優勢[1]。漏波天線按照輻射機理可以分為均勻、準均勻和周期漏波天線3種類型。相較于均勻和準均勻漏波天線,周期漏波天線擁有額外的優點,比如從后向掃描到前向空間,穩定的增益變化。周期漏波天線可以在不同種類的傳輸線上引入周期性的擾動實現,例如微帶線[2]、復合左右手傳輸線[3]、基片集成波導[4]等?；诓煌膫鬏斁€類型,周期漏波天線展現出不同的輻射性能。為了探索周期漏波天線輻射性能新的可能性,研究者們將新型的傳輸線和其在漏波天線領域的應用作為周期漏波天線的研究重點。

近年來,人工表面等離激元(spoof surface plsamon polaritons,SSPPs)傳輸線[5]作為一種新型傳輸線已經被廣泛研究。相較于傳統類型的傳輸線,SSPPs傳輸線擁有強慢波特性、高的場限制性和易于調節色散特性的優點。SSPPs傳輸線自然的周期特性為設計周期漏波天線提供了一種新的方案與視角[6-9]。文獻[6]在SSPPs傳輸線附近放置圓形耦合貼片,將SSPPs線作為饋電線,實現了漏波模式的輻射。Du等[7]將經典的正弦阻抗調制技術引入SSPPs傳輸線,對傳輸線的表面阻抗進行周期的調制,從而實現漏波模式輻射。此外,此天線通過引入不對稱結構,對開阻帶現象進行了抑制。Xu等[8]將相位反轉結構引入到SSPPs傳輸線中,構建出垂直于縱向的電流分布,形成從漏波模式輻射。在之前的工作中[9],筆者團隊利用“H”形SSPPs單元的雙模特性,以創新性方法實現了雙波束漏波天線。

掃描速率是漏波天線的重要特征。高掃描速率可以在窄頻帶內獲得更多的信息,提高頻譜效率,減輕射頻收發器的壓力。雖然大多數已經報道的基于SSPPs傳輸線的漏波天線有良好的輻射性能,但是很少的漏波天線能實現高掃描率性能。Guan等[10]將SSPPs的低通特性與基片集成波導的高通特性結合起來,實現周期相移的快速增長從而提高的漏波天線的掃描率。此外,基于文獻[10]所提的結構,文獻[11]引入上層與下層的不對稱性實現了開阻帶的抑制,進一步優化了漏波天線的掃描率。文獻[12]利用SSPPs傳輸線的色散特性隨頻率越來越強的特性,通過縮短橢圓形耦合貼片之間的距離提升了工作頻段內的周期相移增長速率,從而實現了高掃描率。

在大部分周期漏波天線波束掃描的過程中,開阻帶與閉阻帶經常會出現并打斷連續的掃描。開阻帶一般會出現在邊射頻率附近,造成反射系數的突然增長并無法形成有效的輻射方向圖。閉阻帶一般出現在前向掃描過程中,通常情況下也會造成反射系數的突然增長。當閉阻帶出現,負二次空間諧波也會出現并阻礙負一次諧波引起的單諧波輻射。針對于抑制周期漏波天線開阻帶現象,總的來說有2種方法被應用[13-14]。一種方法從阻抗匹配概念出發,通過引入在周期結構中引入短路枝節實現更好的阻抗匹配[13],實現阻帶的抑制;另一種方法從電場角度出發,通過在周期結構中引入不對稱的結構破壞寬邊輻射時完全對稱的輻射場[14],實現抑制阻帶。針對于閉阻帶的現象,Zhang等[15]采用高介電常數的介質板提升介質中電磁波的相速度從而將閉阻帶與負二次諧波的輻射移出負一次諧波工作的快波區,從而實現純凈的負一次諧波輻射。

為了解決SSPPs漏波天線掃描速率低的問題,本文提出了一種新型的雙層SSPPs單元,并基于此設計了一款高掃描率漏波天線。

1 單元分析

大多數基于慢波線的周期性深度調制SSPPs漏波天線僅顯示低掃描速率,這是因為周期深度調制不能充分利用傳統慢波線路的慢波特性。為了解決這種情況,本文提出了一種新型的雙層SSPPs單元,它由一個“H”形SSPPs單元和一個“I”形SSPPs單元組成,如圖1所示。同時,為了展示所提出單元的性能優勢,將僅由一個“H”形單元組成的經典SSPPs單元作為比較。

(a)側視圖

設置單元的尺寸參數p= 1 mm,a= 0.5 mm,w= 7.5 mm,h= 3.25 mm,t= 0.813 mm。采用的介質板為羅杰斯4003,介電常數為3.55。上述2種單元在CST Microwave Studio里的本征模求解器中進行仿真,獲得它們的色散曲線。根據文獻[9],對于“H”形單元來說,枝節長度h會影響單元的截止頻率和色散曲線的斜率;對于“I”形單元,槽的長度w會影響單元的截止頻率和色散曲線的斜率。經典的單層“H”形單元隨枝節長度h變化和雙層SSPPs單元的色散曲線見圖2。單元相移β被定義為沿著y方向的相位常數。同時,由上述單元組成的波導是一種低通濾波結構,它的截止頻率會出現在色散曲線中的β=π/p附近?？梢园l現,單層SSPPs色散曲線的截止頻率隨枝節長度h的不斷增加而逐漸降低,慢波特性逐漸提升。

圖2 經典SSPPs和單元的色散曲線

相較于單層單元,雙層單元展示出更強的慢波特性。雙層單元的上層和下層單元的參數可以實現獨立控制,從而引入額外的自由度去控制色散。

雙層SSPPs單元隨上層和下層單元參數變化的色散曲線見圖3和圖4?？梢园l現,當w較小而h發生變化時,曲線的變化趨勢和單層的SSPPs單元十分相似,只是由于引入了下層單元,雙層單元展示出更強的慢波特性。如圖4所示,當w較大而h發生變化時,則截止頻率相同,曲線的斜率變化不同。上述現象說明,雙層單元可以實現對色散曲線更好的控制。這是由于色散曲線的截止頻率能夠被上層單元與下層單元中慢波特性更強的單元決定。當慢波特性更強的一層SSPPs單元截止頻率被決定后,色散曲線的斜率能夠被另外一層的慢波特性改變。該現象證明了提出的雙層SSPPs單元可以通過分別控制上層單元與下層單元的參數實現對色散曲線截止頻率與色散曲線的獨立控制。這是本文實現高掃描率的基礎與關鍵。

圖3 雙層SSPPs單元隨上層參數變化的色散曲線

圖4 雙層SSPPs單元隨下層參數變化的色散曲線

為了進一步表明和驗證所提單元的特性,在CST Microwave Studio中對上述2種單元組成的波導進行仿真。圖5為 8 GHz時不同枝節長度h的2種單元組成的波導的電場圖?？梢钥闯龌陔p層SSPPs單元的波導電場展示出更強的場束縛性,且波導波長更短。此外,當h變化時,所提的雙層SSPPs單元組成的波導依舊擁有強場束縛性,而傳統的單層SSPPs單元隨著直接深度變短電場束縛性和場的慢波特性下降明顯。波導仿真與單元仿真之間的一致性證明了所提出的雙層SSPPs的設計的正確性。

(a)h=3.25 mm,w=7.5 mm(c)h = 3.25 mm(b)h=1.25mm,w=7.5mm(d)h = 1.25 mm

2 輻射原理

根據Floquet理論,在周期漏波天線中,空間諧波能夠通過在傳輸線上引入周期性的干擾被激勵起來?？臻g諧波的表達式為:

(1)

式中:βn為第n個空間諧波的相位常數;d(d=m×p) 是由m個單元組成的周期。負一次諧波引起的輻射的輻射角度計算式為:

θ-1=sin-1(β-1/k0)

(2)

文中引入周期性干擾的方法為正弦表面阻抗調制的方法。根據正弦表面阻抗調制理論,如果表面的輻射波轉化為空間諧波,表面波阻抗沿傳播方向作正弦調制。首先引起的輻射為負一次諧波的輻射,其輻射角度隨頻率增高逐漸從后向到前向空間。其輻射角計算式:

(3)

式中:X′為歸一化平均表面電抗;k0為在自由空間中的波數;d為調制周期。如果X固定,則輻射角只與d有關。假設y方向為傳播方向,沿著傳輸線波的方向其表面阻抗可表示為:

Z(y)=jXs[1+Mcos(2πy/d)]

(4)

式中:Xs=η0X′為平均表面電抗;M為調制因子;η0為自由空間中的波阻抗。表面阻抗可以用波數表示:

(5)

式中:ky為沿y方向的波數,可以是近似為SSPPs波的相位常數。假設調制周期內的最大值和最小值阻抗分別為Zmax和Zmin,則Xs和M能夠被Zmax和Zmin近似表示為:

(6)

通過求解上述方程可得到阻抗4個聯立方程。最后,表面的表達阻抗可以簡化為傳播常數,可通過上層的十字形單元的枝節長度h來控制。因此,正弦阻抗調制理論可以通過級聯所提出的雙層SSPPs單元實現。

掃描率是漏波天線的重要特征,高掃描速率可以在窄頻帶內獲得更多的信息,從而提高頻譜效率,減輕射頻收發器的壓力。根據式(2),掃描率可以表示為:

(7)

式中:βb和βa分別為極限的掃描角度處的負一次諧波相移常數;k2和k1分別為極限的掃描角度處的自由空間的相移常數;RB為掃描過程的相對帶寬。

通過分析式(7)可知,決定掃描速率的就是負一次諧波的相移常數和周期長度2個因素。所以,快速增長的相位常數將導致高的掃描速率。本文所提出的雙層SSPPs單元與經典的單層SSPPs單元相比,展現出更強的慢波特性,能夠實現更高的掃描率。當單元被確定之后,周期長短影響工作頻率,周期長度越短,頻率越高,這是因為雙層SSPPs單元的色散特性隨頻率的增加而逐漸增大。在此基礎上,選擇較短的周期長度能夠提升工作波段內的慢波特性。更重要的是,所提出的雙層SSPPs單元具有相同的截止頻率特性,能進一步縮短周期長度和增加周期相移的增長速率。

3 天線結構

基于所提出的SSPPs單元和正弦表面阻抗調制理論,設計了一個具有高掃描率性能的漏波天線。圖6為所提出天線的結構示意圖,該天線由3個部分組成。第1部分采用微帶線漸變形式構成漸變巴倫連接SMA接頭,實現由微帶線模式向雙線模式的平滑轉換。上層金屬寬度由1.5 mm逐漸減小為0.5 mm,下層金屬寬度由10 mm減小為6 mm。第2部分是一個模式過渡結構,將雙線模式轉換為SSPPs模式,引入更多的過渡單元可以實現更好的模式匹配和阻抗匹配,其輪廓方程可以表示為y=ax+b,代入起點與終點坐標(0,0.5)和(10,3),可解得a=0.25,b=0.5。按周期p=1 mm進行離散取點,即可得到過渡結構的每個槽深。第3部分是天線的輻射周期結構,上層的十字形單元以正弦表面阻抗調制方式進行深度調制,下層槽形單元不進行調制,保留強的慢波特性以實現SSPPs單元相同截止頻率和不同斜率的特性,從而實現高掃描率的性能。此外,由于上下2層結構的不同引入了不對稱性,一定程度上削弱了寬邊輻射時完全對稱的場,一定程度抑制了開阻帶現象。為了進一步抑制開阻帶現象,在周期結構中橫向引入不對稱性,即短的枝節,進一步破壞完全對稱的場。此天線關鍵的參數見表1。

表1 所提出的天線的關鍵參數

圖6 SSPPs漏波天線結構圖

4 仿真與測試結果分析

為了驗證所設計SSPPs漏波天線的性能,在CST Microwave Studio中進行仿真。圖7為仿真的反射系數S11與傳輸系數S21。通過觀察圖7中的曲線,可以分析此漏波天線的各個工作頻段及其工作性能。第1個閉阻帶出現在5.5～6.4 GHz。隨著頻率的逐漸增加,負一次諧波在8.6 GHz附近進入快波區實現向自由空間的輻射。在8.3 GHz處,存在一個過渡段,衰減常數突然增加和傳輸系數突然下降。造成這樣現象的原因是此頻段是快波與慢波的模式轉換頻段,即處于快波區的邊界。負一次諧波工作的頻段為8.6～11.2 GHz,在此頻段內主波束從后向逐漸輻射到前向空間實現波束掃描性能。在9.8 GHz附近,天線達到寬邊輻射頻率,在此頻率的開阻帶現象通過引入上下2層與左右兩側的不對稱性進行抑制。第2個閉阻帶在11.7 GHz 附近出現,負二次諧波在11.8 GHz附近進入快波區開始輻射。天線的截止頻率出現在13 GHz。

圖7 SSPPs漏波天線的仿真S參數圖

為了進一步驗證天線的性能,對所提出的天線被加工和測試。圖8為所提出的SSPPs漏波天線的實物圖。天線的S參數被矢量網絡分析儀測量,圖9為工作在負一次諧波快波頻段的測試和仿真的S參數,可以看出測試結果與仿真結果有著很好的一致性。測試的傳輸系數略小于仿真的傳輸系數,測試的反射系數略高于仿真的反射系數。這樣現象的原因可能是因為加工誤差和SMA接頭造成的額外損耗與匹配變差。為了獲得天線的遠場輻射信息,本文提出的天線在一個微波暗室中的遠場條件下進行測試。圖10為仿真與測試的歸一化輻射方向圖,可以看到天線在8.8～10.8 GHz范圍內主波束可以實現從后向63° 到正向63°的大角度連續掃描。天線的副瓣效果也維持在-10 dB左右,這表明天線可以實現良好的方向圖性能。掃描速率被定義為掃描角度范圍除以相對帶寬。在本文中,掃描速率的計算結果為6.12。圖11為天線仿真和測試的增益可以看到,天線在整個掃描過程中,增益變化非常穩定,同時,在寬邊頻率,所提出SSPPs漏波天線的增益也能維持相對穩定。

圖8 SSPPs漏波天線加工實物圖

圖9 SSPPs漏波天線仿真與實測的反射系數與傳輸系數

圖10 SSPPs漏波天線歸一化的仿真與實測的輻射方向圖

圖11 SSPPs漏波天線的仿真與實測的增益

在之前文獻之中,研究者們在提升SSPPs漏波天線的掃描率方面做了一些工作。朱傲琪等[11]利用SSPPs的低通特性與基片集成波導的高通特性,提升了通帶內的相移增長效率,從而實現高掃描率。文獻[12]利用SSPPs傳輸線的慢波特性隨頻率逐漸增強的特性,通過調整耦合貼片之間的距離使天線工作于較高頻段,從而實現高掃描特性。本文提出了一種新的方法來實現高掃描率特征,利用上層單元與下層單元之間的共同作用,從單元的色散曲線出發,實現了更快的相移增長速率,進而實現了高掃描率的特征。

5 結語

在本文中,基于所提出的雙層SSPPs單元,設計了一個具有高掃描率和較大掃描角度的漏波天線,詳細分析和討論了所提出雙層SSPPs單元的工作原理。SSPPs單元的色散曲線中的截止頻率與斜率可以實現獨立控制,這是設計高掃描率天線的基礎與關鍵。本文也詳細介紹了應用所提出的單元結合正弦表面阻抗調制理論設計高掃描率漏波天線的過程。通過對所提出的天線仿真、加工和測試,所得的仿真與測試結果之間有著非常好的一致性。相較于已存在文獻中的天線,本文所提出的天線有著低成本、高掃描率、寬掃描角和增益穩定等優勢。該雙層SSPPs單元和天線為高掃描率漏波天線的實現提供了一個新的方案。