刘传运 褚庆昕 黄健全

(华南理工大学电子与信息学院，广东广州510640)

漏波天线是行波天线的一种，当电磁波沿着导波结构传播时，不断向外辐射功率.由于这种天线带宽较宽且具有高指向性和频率扫描的能力，因此得到了人们的广泛关注［1-3］.漏波结构可分为两类:均匀漏波结构和周期性漏波结构.传统的均匀漏波结构只能产生前向辐射［4］.尽管传统的周期性漏波结构可以产生后向辐射，但由于后向与前向之间的阻带间隙，不能产生横向辐射，导致后向辐射角与前向辐射角不连续［5］.由于能够支持后向波传播，复合左右手异向介质的提出为漏波天线开辟了新的发展空间［4］.在平衡状态下，复合左右手漏波天线消除了平衡点附近的阻带效应，使得在平衡点处群速不为0，有行波传播，因而可以产生横向辐射.从而，复合左右手漏波天线能够产生从后向到前向的连续辐射［4］.

自复合左右手异向介质的概念被提出之后，多种多样的结构被设计出来.以结构中串联电容的实现方式来分，这些结构可分为交指电容结构［6］、加绑定线的交指电容结构［7］、单缝隙电容结构［8］、平板电容结构［9］等.交指电容是多导体结构，当交指线多于3条时，结构中不同模式将会产生谐振，从而阻碍对应频率信号的传播［7］.加绑定线的交指电容可以抑制这些谐振，但在细小的交指线上加入绑定线使得加工变得困难.通常单缝隙电容的电容量很小，导致复合左右手单元很大.而平板电容为立体结构，比平面结构更难加工.

文中提出了一种基于共面波导(CPW)的复合左右手传输线结构［10］.在单缝隙电容的基础上引入平板电容以减小结构的尺寸，同时保留了平面结构易于加工的优点.文中给出了该结构单元的色散图表，确认该结构为平衡结构.同时画出了光线以确定漏波区域.进而利用该结构构造了一基于复合左右手共面波导的双边辐射漏波天线.通过比较不同频点的测试方向图，证明该天线具有从后向到前向的连续辐射能力.

1 单元结构色散曲线

漏波天线单元结构如图1所示.图中f代表频率，f前向代表前向辐射频率，f后向代表后向辐射频率.单元等效电路如图2所示.分布的缝隙电容近似表示为C1，分布的平板电容近似为C2，直接电感用L1表示，TL1代表共面波导传输线，TL2代表由缝隙电容下的平板与两侧的地构成的传输线，如图3所示.

图1 基于复合左右手共面波导的漏波天线结构Fig.1 Structure of CPW-based composite right/left-handed leaky-wave antenna

图2 单元结构的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of the unit cell

图3 TL2结构图Fig.3 Configuration of TL2

单元结构的［ABCD］矩阵为:

β1、β2分别为TL1、TL2的相移常数.

相应的S参数(反射系数S11和传输系数S21)可以表示为

其中:Z0为特性阻抗.

以等效电路为指导，文中提出了一种平衡的复合左右手传输线结构.结构尺寸通过Ansoft HFSS最终优化得出:T=9.5mm，l1=2.22mm，l2=1.64mm，l3=2.36mm，w=0.3mm，g1=0.22mm，l4=4.4mm，W=4.6mm，g2=0.7mm，g3=0.4mm.介质板的相对介电常数和厚度分别为2.55和0.8 mm.对应的电路元件值为 C1=0.07 pF、C2=1.05 pF、L1= 2.35nH.单元结构S参数的幅度和相位如图4所示，等效电路与全波仿真结果的变化趋势具有很好的一致性.

复合左右手单元的色散曲线如图5所示.可见，该结构为平衡结构，平衡点f横向为4.08GHz.光线将图表划分为两个部分:在线以上的漏波区域和在线以下的导波区域.漏波区域频率范围为:3.37～5.59GHz.

图4 单元结构的S参数Fig.4 Values of parameter S of unit cell

图5 复合左右手单元的色散图Fig.5 Dispersion diagram of composite right/left-handed unit cell

2 双边辐射的漏波天线

根据所提出的单元结构构造的漏波天线如图6所示，该天线包含 5个基本单元.采用 Angilent N5230对该漏波天线的S参数进行测量.图7给出了漏波天线S参数的仿真和测试值比较，两者吻合良好.在漏波波段(3.37～5.59GHz)，回波损耗基本在－10dB以下.

图6 漏波天线实物图Fig.6 Fabricated leaky-wave antenna

图7 漏波天线S参数的仿真和测量值比较Fig.7 Measured and simulated S values of leaky-wave antenna

图8 天线测试方向图Fig.8 Measured antenna radiation patterns

图8给出了漏波天线在不同频率下的测试方向图.该漏波天线方向图利用户外远场测量系统测量得到，一端放置标准喇叭天线发射信号，一端放置被测天线接收信号.在3.40GHz处(此时为左手区域)测量得到的归一化方向图如图8(a)所示，可见在3.40GHz处漏波天线辐射角约为150°，为后向波辐射.在4.08GHz(平衡点)处的方向图如图8(b)所示，辐射角约为87°，为横向辐射，这是传统均匀漏波天线和周期性漏波天线所不能实现的.在5.30 GHz(此时为右手区域)处的方向图如图8(c)所示，辐射角约为65°，为前向波辐射.可见，该天线可以实现从后向到前向的连续辐射.从图8还可以看出，该漏波天线可以实现上下两个方向的双边辐射.

为了比较，图9给出了一种均匀漏波天线［11］和一种周期性漏波天线［12］的方向图.从图9可知，均匀漏波天线只能实现前向辐射，周期性漏波天线不能实现横向辐射，因而这两种漏波天线均不能实现从后向到前向的连续辐射.

图9 均匀漏波天线［11］与周期性漏波天线方向图［12］Fig.9 Radiation patterns of a uniform leaky-wave antenna［11］and a periodic leaky-wave antenna［12］

3 结语

文中提出了一种双边辐射的漏波天线，该天线由基于共面波导的复合左右手结构构造而成.文中给出了该天线的测试方向图，结果表明，该天线可以实现从后向到前向的连续双边辐射.

［1］ Dong Y D，Itoh T.Composite right/left-handed substrate integrated waveguide leaky-wave antennas［C］∥Proceeding of European Microwave Conference.Rome:［s.n.］，2009:276-279.

［2］ Collins R E，Zucker F J.Antenna theory［M］.New York: McGraw-Hill，1969.

［3］ Oliner A A，Johnson R C.Leaky-wave antennas，antenna engineering handbook［M］.New York:McGraw-Hill，1993.

［4］ Caloz C，Itoh T.Electromagnetic metamaterials:transmission line theory and microwave applications［M］.New York:Wiley，2005.

［5］ Rahman A，Hao Y，Lee Y，et al.Effect of unit-cell size on performance of composite right/left-handed transmission line based leaky-wave antenna［J］.Electronics Letters，2008，44(13):788-790.

［6］ Caloz C，Itoh T.Novel microwave devices and structures based on the transmission line approach of meta-materials［C］∥IEEE-MTT Int’l Symp.［S.l.］:Microwave Symposium Digest，2003，1:195-198.

［7］ Casares-Miranda F P，Marquez-Segura E，Otero P，et al.Composite right/left-handed transmission line with wire bonded interdigital capacitor［J］.IEEE Microwave Wireless Compon Lett，2006，16(11):624-626.

［8］ Gao J，Zhu L.Characterization of infinite-and finite-extent coplanar waveguide metamaterials with varied left-and right-handed passbands［J］.IEEE Microwave Wireless Compon Lett，2005，15(11):805-807.

［9］ Horii Y，Caloz C，Itoh T.Super-compact ultilayered lefthanded transmission line and diplexer application［J］.IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53(4):1527-1534.

［10］ Liu C Y，Chu Q X.A novel coplanar-waveguide-based composite right/left-handed transmission line［C］∥Proceedings of Microwave and Millimetre-Wave Symposium of China.Ningbo:［s.n.］，2009:1324-1326.

［11］ Menzel W.A new travelling-wave antenna in microstrip［J］.AEU，1979，33(4):137-140.

［12］ Li Y X，Xue Q，Yung E K N，et al.A periodic microstrip leaky-wave antenna［C］∥Proceedings of Asia-Pacific Microwave Conference.Hong Kong:［s.n.］，2008:1-5.