1.簡介

左手材料(Left-Hand Material)也被稱為雙負媒質或者負折射率物質，是一類在一定的頻段下同時具有負的介電常數和負的磁導率的材料。左手材料的思想最早由前蘇聯人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，左手材料發展迅速，在很多領域得到應用。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。這種結構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。

相控陣雷達是雷達技術發展一個極為重要的方向，而頻掃天線技術是相控陣雷達技術最為關鍵的部分之一。常規的頻掃天線多采用慢波結構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串行功分器具有帶寬寬、體積小、插入損耗小的優點。但是常規的利用交指電容結構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，結構簡單易于實現。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成串行饋電網絡，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構如圖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所示的單元結構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構周期連接，并與一段微帶線相連構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構

圖2 耦合線左右手復合傳輸線

介質基板介電常數為2.65，厚1.5mm，仿真結果如圖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頻率范圍內相位變化范圍為129°~ -29.8°。

圖3 CL-CRLH TL仿真結果

2.2 串行饋電網絡設計

天線陣采用串行功分器作為饋電網絡，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，其結構如圖4所示。

串行功分器可以認為是T型結功分器的級聯，單節T型結功分器結構如圖5所示。T型結功分器滿足如下關系：

;

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 饋電網絡結構

圖5 T型結功分器結構

串行饋電網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。根據端口功率分配的情況以及前述的T型結功分器功率與特性阻抗的關系，可以計算得出饋電網絡中各個阻抗變換部分的參數。

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絡，單元天線與饋電網絡之間通過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絡平面保持垂直。天線陣的實物如圖6所示，介質基板介電常數均為2.65，厚1.55mm。

圖6 八元頻掃天線陣實物圖

八元頻掃天線陣的仿真結果如圖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，在掃描角度范圍內旁瓣電平可以達到-24dB。

(a)天線陣回波損耗仿真結果

(b)天線陣頻掃特性曲線

圖7 八元天線陣仿真結果

3 測試結果

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型矢量網絡分析儀測量天線陣的回波損耗，測量結果如圖8所示。由圖可知在1.2GHz~1.5GHz頻帶內回波損耗小于-10dB，1.25GHz~1.4GHz頻帶內回波損耗小于-18.5dB。

天線陣方向圖測試結果如圖9所示，由測試結果可知，頻率從1.25GHz變化到1.4GHz，掃描角度相應從-40°變化到10°。

天線陣的測試結果與仿真結果符合較好，在工作頻帶內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果

圖9 天線陣頻掃特性

4、結論

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成天線陣的饋電網絡。由仿真與實物測試結果可知，該天線陣具有良好的頻掃特性。與常規的慢波線結構頻掃天線相比，具有體積小、結構簡單，工作頻帶更寬、損耗更小，掃描角度范圍更大等優點。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。