基于双层人工表面等离激元的高扫描率漏波天线

张程浩,贺 遥,彭祥飞

(中国电子科技集团公司第二十九研究所,成都,610036)

漏波天线是一种行波天线,相比于其他类型的天线有着频率扫描高增益和低剖面等独特的优势[1]。漏波天线按照辐射机理可以分为均匀、准均匀和周期漏波天线3种类型。相较于均匀和准均匀漏波天线,周期漏波天线拥有额外的优点,比如从后向扫描到前向空间,稳定的增益变化。周期漏波天线可以在不同种类的传输线上引入周期性的扰动实现,例如微带线[2]、复合左右手传输线[3]、基片集成波导[4]等。基于不同的传输线类型,周期漏波天线展现出不同的辐射性能。为了探索周期漏波天线辐射性能新的可能性,研究者们将新型的传输线和其在漏波天线领域的应用作为周期漏波天线的研究重点。

近年来,人工表面等离激元(spoof surface plsamon polaritons,SSPPs)传输线[5]作为一种新型传输线已经被广泛研究。相较于传统类型的传输线,SSPPs传输线拥有强慢波特性、高的场限制性和易于调节色散特性的优点。SSPPs传输线自然的周期特性为设计周期漏波天线提供了一种新的方案与视角[6-9]。文献[6]在SSPPs传输线附近放置圆形耦合贴片,将SSPPs线作为馈电线,实现了漏波模式的辐射。Du等[7]将经典的正弦阻抗调制技术引入SSPPs传输线,对传输线的表面阻抗进行周期的调制,从而实现漏波模式辐射。此外,此天线通过引入不对称结构,对开阻带现象进行了抑制。Xu等[8]将相位反转结构引入到SSPPs传输线中,构建出垂直于纵向的电流分布,形成从漏波模式辐射。在之前的工作中[9],笔者团队利用“H”形SSPPs单元的双模特性,以创新性方法实现了双波束漏波天线。

扫描速率是漏波天线的重要特征。高扫描速率可以在窄频带内获得更多的信息,提高频谱效率,减轻射频收发器的压力。虽然大多数已经报道的基于SSPPs传输线的漏波天线有良好的辐射性能,但是很少的漏波天线能实现高扫描率性能。Guan等[10]将SSPPs的低通特性与基片集成波导的高通特性结合起来,实现周期相移的快速增长从而提高的漏波天线的扫描率。此外,基于文献[10]所提的结构,文献[11]引入上层与下层的不对称性实现了开阻带的抑制,进一步优化了漏波天线的扫描率。文献[12]利用SSPPs传输线的色散特性随频率越来越强的特性,通过缩短椭圆形耦合贴片之间的距离提升了工作频段内的周期相移增长速率,从而实现了高扫描率。

在大部分周期漏波天线波束扫描的过程中,开阻带与闭阻带经常会出现并打断连续的扫描。开阻带一般会出现在边射频率附近,造成反射系数的突然增长并无法形成有效的辐射方向图。闭阻带一般出现在前向扫描过程中,通常情况下也会造成反射系数的突然增长。当闭阻带出现,负二次空间谐波也会出现并阻碍负一次谐波引起的单谐波辐射。针对于抑制周期漏波天线开阻带现象,总的来说有2种方法被应用[13-14]。一种方法从阻抗匹配概念出发,通过引入在周期结构中引入短路枝节实现更好的阻抗匹配[13],实现阻带的抑制;另一种方法从电场角度出发,通过在周期结构中引入不对称的结构破坏宽边辐射时完全对称的辐射场[14],实现抑制阻带。针对于闭阻带的现象,Zhang等[15]采用高介电常数的介质板提升介质中电磁波的相速度从而将闭阻带与负二次谐波的辐射移出负一次谐波工作的快波区,从而实现纯净的负一次谐波辐射。

为了解决SSPPs漏波天线扫描速率低的问题,本文提出了一种新型的双层SSPPs单元,并基于此设计了一款高扫描率漏波天线。

1 单元分析

大多数基于慢波线的周期性深度调制SSPPs漏波天线仅显示低扫描速率,这是因为周期深度调制不能充分利用传统慢波线路的慢波特性。为了解决这种情况,本文提出了一种新型的双层SSPPs单元,它由一个“H”形SSPPs单元和一个“I”形SSPPs单元组成,如图1所示。同时,为了展示所提出单元的性能优势,将仅由一个“H”形单元组成的经典SSPPs单元作为比较。

(a)侧视图

设置单元的尺寸参数p= 1 mm,a= 0.5 mm,w= 7.5 mm,h= 3.25 mm,t= 0.813 mm。采用的介质板为罗杰斯4003,介电常数为3.55。上述2种单元在CST Microwave Studio里的本征模求解器中进行仿真,获得它们的色散曲线。根据文献[9],对于“H”形单元来说,枝节长度h会影响单元的截止频率和色散曲线的斜率;对于“I”形单元,槽的长度w会影响单元的截止频率和色散曲线的斜率。经典的单层“H”形单元随枝节长度h变化和双层SSPPs单元的色散曲线见图2。单元相移β被定义为沿着y方向的相位常数。同时,由上述单元组成的波导是一种低通滤波结构,它的截止频率会出现在色散曲线中的β=π/p附近。可以发现,单层SSPPs色散曲线的截止频率随枝节长度h的不断增加而逐渐降低,慢波特性逐渐提升。

图2 经典SSPPs和单元的色散曲线

相较于单层单元,双层单元展示出更强的慢波特性。双层单元的上层和下层单元的参数可以实现独立控制,从而引入额外的自由度去控制色散。

双层SSPPs单元随上层和下层单元参数变化的色散曲线见图3和图4。可以发现,当w较小而h发生变化时,曲线的变化趋势和单层的SSPPs单元十分相似,只是由于引入了下层单元,双层单元展示出更强的慢波特性。如图4所示,当w较大而h发生变化时,则截止频率相同,曲线的斜率变化不同。上述现象说明,双层单元可以实现对色散曲线更好的控制。这是由于色散曲线的截止频率能够被上层单元与下层单元中慢波特性更强的单元决定。当慢波特性更强的一层SSPPs单元截止频率被决定后,色散曲线的斜率能够被另外一层的慢波特性改变。该现象证明了提出的双层SSPPs单元可以通过分别控制上层单元与下层单元的参数实现对色散曲线截止频率与色散曲线的独立控制。这是本文实现高扫描率的基础与关键。

图3 双层SSPPs单元随上层参数变化的色散曲线

图4 双层SSPPs单元随下层参数变化的色散曲线

为了进一步表明和验证所提单元的特性,在CST Microwave Studio中对上述2种单元组成的波导进行仿真。图5为 8 GHz时不同枝节长度h的2种单元组成的波导的电场图。可以看出基于双层SSPPs单元的波导电场展示出更强的场束缚性,且波导波长更短。此外,当h变化时,所提的双层SSPPs单元组成的波导依旧拥有强场束缚性,而传统的单层SSPPs单元随着直接深度变短电场束缚性和场的慢波特性下降明显。波导仿真与单元仿真之间的一致性证明了所提出的双层SSPPs的设计的正确性。

(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 辐射原理

根据Floquet理论,在周期漏波天线中,空间谐波能够通过在传输线上引入周期性的干扰被激励起来。空间谐波的表达式为:

(1)

式中:βn为第n个空间谐波的相位常数;d(d=m×p) 是由m个单元组成的周期。负一次谐波引起的辐射的辐射角度计算式为:

θ-1=sin-1(β-1/k0)

(2)

文中引入周期性干扰的方法为正弦表面阻抗调制的方法。根据正弦表面阻抗调制理论,如果表面的辐射波转化为空间谐波,表面波阻抗沿传播方向作正弦调制。首先引起的辐射为负一次谐波的辐射,其辐射角度随频率增高逐渐从后向到前向空间。其辐射角计算式:

(3)

式中:X′为归一化平均表面电抗;k0为在自由空间中的波数;d为调制周期。如果X固定,则辐射角只与d有关。假设y方向为传播方向,沿着传输线波的方向其表面阻抗可表示为:

Z(y)=jXs[1+Mcos(2πy/d)]

(4)

式中:Xs=η0X′为平均表面电抗;M为调制因子;η0为自由空间中的波阻抗。表面阻抗可以用波数表示:

(5)

式中:ky为沿y方向的波数,可以是近似为SSPPs波的相位常数。假设调制周期内的最大值和最小值阻抗分别为Zmax和Zmin,则Xs和M能够被Zmax和Zmin近似表示为:

(6)

通过求解上述方程可得到阻抗4个联立方程。最后,表面的表达阻抗可以简化为传播常数,可通过上层的十字形单元的枝节长度h来控制。因此,正弦阻抗调制理论可以通过级联所提出的双层SSPPs单元实现。

扫描率是漏波天线的重要特征,高扫描速率可以在窄频带内获得更多的信息,从而提高频谱效率,减轻射频收发器的压力。根据式(2),扫描率可以表示为:

(7)

式中:βb和βa分别为极限的扫描角度处的负一次谐波相移常数;k2和k1分别为极限的扫描角度处的自由空间的相移常数;RB为扫描过程的相对带宽。

通过分析式(7)可知,决定扫描速率的就是负一次谐波的相移常数和周期长度2个因素。所以,快速增长的相位常数将导致高的扫描速率。本文所提出的双层SSPPs单元与经典的单层SSPPs单元相比,展现出更强的慢波特性,能够实现更高的扫描率。当单元被确定之后,周期长短影响工作频率,周期长度越短,频率越高,这是因为双层SSPPs单元的色散特性随频率的增加而逐渐增大。在此基础上,选择较短的周期长度能够提升工作波段内的慢波特性。更重要的是,所提出的双层SSPPs单元具有相同的截止频率特性,能进一步缩短周期长度和增加周期相移的增长速率。

3 天线结构

基于所提出的SSPPs单元和正弦表面阻抗调制理论,设计了一个具有高扫描率性能的漏波天线。图6为所提出天线的结构示意图,该天线由3个部分组成。第1部分采用微带线渐变形式构成渐变巴伦连接SMA接头,实现由微带线模式向双线模式的平滑转换。上层金属宽度由1.5 mm逐渐减小为0.5 mm,下层金属宽度由10 mm减小为6 mm。第2部分是一个模式过渡结构,将双线模式转换为SSPPs模式,引入更多的过渡单元可以实现更好的模式匹配和阻抗匹配,其轮廓方程可以表示为y=ax+b,代入起点与终点坐标(0,0.5)和(10,3),可解得a=0.25,b=0.5。按周期p=1 mm进行离散取点,即可得到过渡结构的每个槽深。第3部分是天线的辐射周期结构,上层的十字形单元以正弦表面阻抗调制方式进行深度调制,下层槽形单元不进行调制,保留强的慢波特性以实现SSPPs单元相同截止频率和不同斜率的特性,从而实现高扫描率的性能。此外,由于上下2层结构的不同引入了不对称性,一定程度上削弱了宽边辐射时完全对称的场,一定程度抑制了开阻带现象。为了进一步抑制开阻带现象,在周期结构中横向引入不对称性,即短的枝节,进一步破坏完全对称的场。此天线关键的参数见表1。

表1 所提出的天线的关键参数

图6 SSPPs漏波天线结构图

4 仿真与测试结果分析

为了验证所设计SSPPs漏波天线的性能,在CST Microwave Studio中进行仿真。图7为仿真的反射系数S11与传输系数S21。通过观察图7中的曲线,可以分析此漏波天线的各个工作频段及其工作性能。第1个闭阻带出现在5.5～6.4 GHz。随着频率的逐渐增加,负一次谐波在8.6 GHz附近进入快波区实现向自由空间的辐射。在8.3 GHz处,存在一个过渡段,衰减常数突然增加和传输系数突然下降。造成这样现象的原因是此频段是快波与慢波的模式转换频段,即处于快波区的边界。负一次谐波工作的频段为8.6～11.2 GHz,在此频段内主波束从后向逐渐辐射到前向空间实现波束扫描性能。在9.8 GHz附近,天线达到宽边辐射频率,在此频率的开阻带现象通过引入上下2层与左右两侧的不对称性进行抑制。第2个闭阻带在11.7 GHz 附近出现,负二次谐波在11.8 GHz附近进入快波区开始辐射。天线的截止频率出现在13 GHz。

图7 SSPPs漏波天线的仿真S参数图

为了进一步验证天线的性能,对所提出的天线被加工和测试。图8为所提出的SSPPs漏波天线的实物图。天线的S参数被矢量网络分析仪测量,图9为工作在负一次谐波快波频段的测试和仿真的S参数,可以看出测试结果与仿真结果有着很好的一致性。测试的传输系数略小于仿真的传输系数,测试的反射系数略高于仿真的反射系数。这样现象的原因可能是因为加工误差和SMA接头造成的额外损耗与匹配变差。为了获得天线的远场辐射信息,本文提出的天线在一个微波暗室中的远场条件下进行测试。图10为仿真与测试的归一化辐射方向图,可以看到天线在8.8～10.8 GHz范围内主波束可以实现从后向63° 到正向63°的大角度连续扫描。天线的副瓣效果也维持在-10 dB左右,这表明天线可以实现良好的方向图性能。扫描速率被定义为扫描角度范围除以相对带宽。在本文中,扫描速率的计算结果为6.12。图11为天线仿真和测试的增益可以看到,天线在整个扫描过程中,增益变化非常稳定,同时,在宽边频率,所提出SSPPs漏波天线的增益也能维持相对稳定。

图8 SSPPs漏波天线加工实物图

图9 SSPPs漏波天线仿真与实测的反射系数与传输系数

图10 SSPPs漏波天线归一化的仿真与实测的辐射方向图

图11 SSPPs漏波天线的仿真与实测的增益

在之前文献之中,研究者们在提升SSPPs漏波天线的扫描率方面做了一些工作。朱傲琪等[11]利用SSPPs的低通特性与基片集成波导的高通特性,提升了通带内的相移增长效率,从而实现高扫描率。文献[12]利用SSPPs传输线的慢波特性随频率逐渐增强的特性,通过调整耦合贴片之间的距离使天线工作于较高频段,从而实现高扫描特性。本文提出了一种新的方法来实现高扫描率特征,利用上层单元与下层单元之间的共同作用,从单元的色散曲线出发,实现了更快的相移增长速率,进而实现了高扫描率的特征。

5 结语

在本文中,基于所提出的双层SSPPs单元,设计了一个具有高扫描率和较大扫描角度的漏波天线,详细分析和讨论了所提出双层SSPPs单元的工作原理。SSPPs单元的色散曲线中的截止频率与斜率可以实现独立控制,这是设计高扫描率天线的基础与关键。本文也详细介绍了应用所提出的单元结合正弦表面阻抗调制理论设计高扫描率漏波天线的过程。通过对所提出的天线仿真、加工和测试,所得的仿真与测试结果之间有着非常好的一致性。相较于已存在文献中的天线,本文所提出的天线有着低成本、高扫描率、宽扫描角和增益稳定等优势。该双层SSPPs单元和天线为高扫描率漏波天线的实现提供了一个新的方案。