基于半模基片集成波导的宽角扫描漏波天线

白育堃，孙世恩

(天津理工大学 电气电子工程学院，天津 300384)

0 引 言

漏波天线作为一种典型的行波天线，具有高辐射增益、低旁瓣和随频率进行的波束扫描能力等特性，已广泛用于各种无线通信系统中[1-3]。最早的漏波天线是由开缝矩形波导制成[1-2]，但传统的矩形波导漏波天线存在结构复杂和制造成本高的问题。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)是近些年提出的一种新型平面波导结构，具有损耗低、成本低、体积小以及易于制造和集成等优点[4]。SIW结构是实现低成本、低剖面漏波天线的优秀解决方案[5]。具有横向缝隙的准均匀SIW漏波天线可以实现前向的波束扫描[6]，而使用负一阶空间谐波模式工作的周期型漏波天线可以从后向扫描至前向[1，7]。近年来也有可以实现三频段扫描混合模式的周期漏波天线研究[8]。由于开放阻带(Open-Stop Band, OSB)[1]效应，传统周期型漏波天线无法实现后向至前向的连续波束扫描。对于OSB的抑制研究中，有学者提出了以复合左右手传输线理论(Composite Right/Left Hand, CRLH)[9-10]为基础的漏波天线来抑制OSB效应，从而实现了连续的波束扫描特性。但使用CRLH的漏波天线结构复杂，设计优化过程耗时较长。2016年，Lyu等人提出了一种使用阻抗匹配技术的SIW漏波天线，可以有效地抑制OSB效应，实现连续波束扫描[11]，其结构简单且成本低廉，但是其天线的整体尺寸较大。针对器件小型化的研究，Hong W教授等人提出了具有传统SIW横向尺寸一半的半模基片集成波导(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide, HMSIW)，其传播特性与SIW相同[4]。到目前为止，已经进行了许多基于HMSIW的漏波天线的研究[12-13]。文献[12-13]中使用阻抗匹配法设计的HMSIW漏波天线虽然可以进行连续的波束扫描，但是扫描灵敏度欠缺，扫描范围也有一定限制。此外，尽管HMSIW的开放边界等效于虚拟磁壁，但HMSIW漏波天线的缝隙直接与开放边界相连，其能量泄漏问题不能被忽视[10]，同时，HMSIW的开放边界会降低辐射增益。

本文提出并验证了一种周期HMSIW漏波天线。所提出的天线具有连续波束扫描能力以及良好的侧向辐射性能。HMSIW的开放边界旁边设置的金属化通孔阵列可等效视为一个折叠的接地面，用于减少从开放边界泄漏的能量。该设计可以进一步使所提出的HMSIW漏波天线的横向尺寸最小化。最后，对所提出的天线进行加工与实验验证，与仿真结果对比得到了较好的一致性。

1 漏波天线设计

1.1 HMSIW漏波天线结构

图1展示了3种HWSIW漏波天线结构。本文提出的具有折叠接地面的HMSIW漏波天线的结构如图1(c)所示。该天线使用Rogers RT4350基板制成(介电常数为3.66，损耗角正切为0.004，厚度h=0.762 mm)，基板的上下表面均覆盖有铜层，并在上表面蚀刻缝隙。天线由10个级联的辐射单元构成，其单元细节如图2所示,图中各项参数如表1所示。此外，天线的两端使用梯形过渡微带线以实现良好的输入阻抗匹配，其宽度从1.8 mm逐渐变化至3.6 mm。图3所示为天线原型照片，天线两端均焊接有同轴连接器，测试时左侧端口连接馈电电缆，右侧端口上连接有50 Ω负载。

表1 天线辐射单元参数

图1 3种HMSIW漏波天线的结构

图2 辐射单元细节图

图3 加工的HMSIW漏波天线原型

1.2 漏波天线辐射原理

漏波天线使用快波向外界空间辐射电磁波，当波导内部传输的电磁波为慢波时，需要引入周期性结构，此时天线内部会激起无数次空间谐波，其相位常数可以表示为

式中：βn为n次谐波的相位常数；β为波导内行波的相位常数；p为导波结构的周期长度；n为空间谐波次数。周期型漏波天线往往使用其中的负一阶空间谐波，其主瓣波束可以随着频率的增加从后向象限扫描至前向象限。主波束辐射角度θ可表示为

式中：β-1为负一阶空间谐波的传播常数；k0为自由空间中的波数。当β-1=0时，波束指向角度为0 °，称为漏波天线的零度扫描或者侧射方向，天线的波束方向将垂直于天线结构。对应的β·p=2π，此时天线所有单元的反射波在侧射频率处同相叠加，导致了阻带的产生，该现象称为OSB效应。因此，周期型漏波天线的阻带抑制研究对于实现连续波束扫描具有重要意义。

1.3 OSB抑制原理

OSB效应的产生是由于表面缝隙引入额外的阻抗与主传输线不一致引起的，消除OSB效应最直观的方法是使辐射单元阻抗与传输线匹配。对于图2中的天线辐射单元，其等效电路图如图4所示，两个横向缝隙可视为两个串联元件Zs,纵向缝隙等效为并联元件Yt，Z0为HMSIW的特征阻抗。

图4 天线辐射单元的二端口网络等效电路模型

对于图4中的辐射单元等效电路模型，根据微波网络理论，其传输矩阵可写为

式中：Z为两个串联元件Zs的阻抗；Y为并联元件Yt的导纳，使用文献[11]中的公式，该等效电路的S11参数可以由传输矩阵得出：

式中：S11为回波损耗；j为虚数单位。为了实现阻抗匹配，使S11=0，即

将Y的虚部用Z表示为

由式(6)可知，Y和Z的虚部应同时为正或负。这意味着，如果纵向缝隙(Yt)是电容性或电感性的，则横向缝隙(Zs)应是电感性或电容性的，以确保阻抗与Z0匹配。文献[11]中通过仿真辐射单元S参数进而逆求缝隙归一化阻抗，证实了横向槽起到串联电感负载的作用，其电感值与横向缝隙长度成正比。而纵向缝隙切断波导表面的横向电流时，若长度短于其谐振长度，则纵向缝隙等效为一个并联电容器。因此，通过这种电抗互补的缝隙加载形式，可以有效抑制OSB效应。

辐射单元的色散参数以蓝线绘制于图5中，该色散曲线通过计算机仿真技术微波工作室(Computer Simulation Technology Microwave Studio，CST MWS)以本征模求解器得到。空气线(k0p)以灰色虚线在图中标记出，在9 GHz以上的频带中，对于负一阶空间谐波，β-1p

图5 辐射单元的色散曲线

2 实验测试

本文所提出的HMSIW漏波天线实测与仿真的S参数绘制如图6所示。由图可知，在9～13 GHz的工作频段内，实测与仿真的回波损耗S11均保持在-10 dB以下，这说明阻抗匹配良好，OSB效应已被抑制。仿真天线的传输系数S21约为-5 dB，而实测天线的S21比仿真数值低5 dB。这种明显的差异可能是由于所制造天线中的导体损耗比模拟天线损耗高，以及同轴连接器造成的额外损耗所导致的。

图6 仿真与实测的S参数

天线的仿真和测量的归一化辐射方向图如图7所示。辐射方向图上的主瓣已实现了无缝的连续波束扫描，该扫描是从后向前随频率变化的。当工作频率从9 GHz增加到13 GHz时，在-51～24 °的范围内可以很好地实现连续波束扫描。测量结果与模拟结果误差较小，相比实测结果，仿真结果略微前移1～2 °。

图7 5种不同频率下的归一化辐射特性

图8所示为设计天线的仿真和测量辐射增益。天线的模拟增益达到约13 dBi的峰值，并在11.2 GHz处达到12.8 dBi，表明天线的侧向辐射良好。相比仿真结果，实测的天线增益有一定衰减，测量辐射增益可以稳定地在6.9～12.3 dBi之间变化。

图8 实测与仿真增益对比

图9所示为图1中展示的3种HMSIW漏波天线在辐射增益方面的仿真比较。由图可知，初始HMSIW天线开放侧的边缘泄漏很严重，从而导致增益较小。若将HMSIW开放边界处的介质基板与背面金属层扩展至全尺寸SIW，其辐射增益明显增加。本文提出的HMSIW漏波天线的增益与全尺寸接地漏波天线的增益较为接近，相对于初始半模漏波天线的增益有所提高。在开放边界处放置的金属通孔阵列可以等效视为一个折叠的接地面，在维持较高增益的情况下可使其尺寸最小化。

图9 3种HMSIW漏波天线增益的仿真对比

图10所示为3种漏波天线在11.2 GHz下仿真的3D远场方向图对比，设置在HMSIW的开放边界旁边的金属通孔阵列确实可以减少开放边界泄漏，从而提升了天线的辐射性能。

图10 天线的远场3D方向图

3 结束语

本文提出了一种具有折叠接地面的HMSIW漏波天线。通过色散图和辐射图分析，证实其具有从后向到前向的连续波束扫描功能。当工作频率在9～13 GHz之间变化时，可实现宽角度的连续波束扫描。 该天线通过利用折叠接地面减少了开放边界泄漏的能量，进而使横向尺寸最小化。天线的实测增益范围为6.9～12.3 dBi。该天线在测量结果和模拟结果之间显示出较好的一致性，在抑制OSB效应的同时有效提升了扫描范围与扫描灵敏度。