1. 摘要     

本文基于 ANSYS HFSS 軟件仿真分析一種新型的復合左右手漏波天線。通常,漏波天線的最大輻射方向隨其工作頻率的變化而變化,因而具有變頻波束掃描功能。傳統(tǒng)的周期結構漏波天線由于其傳輸特性包含帶阻頻段,因而無法實現(xiàn)在側射平面內(nèi)的連續(xù)波束掃描。文獻 Debabrata K. Karmokar, Y. Jay Guo, Shu-Lin Chen and Trevor S. Bird, “Composite Right/Left-Handed Leaky-Wave Antennas for Wide-Angle Beam Scanning With Flexibly Chosen Frequency Range,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 68, no. 1, pp 100-110 Jan. 2020. 中提出基于傳統(tǒng)的傳輸線理論和傳遞函數(shù)分析的方法,可以構建一種對稱結構的微帶天線基本單元。如果這種微帶天線基本單元的傳輸特性是帶通的,那么這種基本單元本身就具備連續(xù)變頻波束掃描功能。多個上述單元的級聯(lián),可以使得波束掃描范圍擴大,從而靈活地構造具有連續(xù)寬角度波束掃描的復合左右手漏波天線。

本文首先詳細敘述了新型復合左右手漏波天線的設計思路,然后仿真驗證了具備對稱結構的微帶天線基本單元的傳輸特性和輻射特性(S 參數(shù),側射面最大輻射方向隨頻率的變化),最后仿真驗證了由上述單元級聯(lián)構成的復合左右手漏波天線的傳輸特性和輻射特性。

2. 基于傳輸線理論構建微帶單元

基于傳統(tǒng)的傳輸線理論,單一的微帶貼片的傳輸特性可以用上圖所示的電路等效。 

上述公式中的d, w, l, h, g 分別對應貼片的通孔直徑,貼片寬度,貼片長度,基板厚度和縫隙寬度(單位是 m)。

以上述的近似公式為基礎,可以得到下圖所示微帶傳輸單元(其中包含了三個相對獨立的貼片,位于中間的 Center Patch 和位于兩端對稱的 Outer Patch)的等效電路。其中,Outer Patch 中間包含縫隙,其等效電路參數(shù)的計算和上述的計算公式稍有區(qū)別。

基于電路和信號與系統(tǒng)的基本理論,可以根據(jù)設計需求(截止頻率),優(yōu)化計算出

等電路參數(shù),從而優(yōu)化確定微帶傳輸單元的結構參數(shù)。

3. 基本單元仿真

在 HFSS 中建立的基本單元如上圖所示,其中主要結構參數(shù)包括(基板材質為相對介電常數(shù) 2.33,損耗角正切 0.0012):P=25.05mm,W=30mm,g=0.2mm,h=1.575mm,hs=8mm,lc=3.25mm,lo=10.6mm,w=10mm,d=0.8mm,ws=2.5mm?；締卧膬啥擞梦Ь€引出(寬度 1.7mm),并在基板邊緣截面施加阻抗特性為 50ohm 的激勵。

仿真頻段設置為 4.5GHz 至 6.5GHz,應用 HFSS->Toolkits->Wavelength Calculator 計算 4.5GHz 的對應波長為 66mm 左右,因此設置仿真區(qū)域距離模型 17mm(略大于 1/4 波長),并設置仿真區(qū)域邊界條件為輻射邊界條件。

仿真頻率設置為中間頻率 5.5GHz,為分析傳輸特性(S 參數(shù))添加頻率掃描 4.5GHz 至 6.5GHz(Sweep Type 為 Fast),為分析波束掃描特性添加頻率掃描 5.1GHz 至 6.1GHz(Sweep Type 為 Discrete,遠場數(shù)據(jù)保存),并在 XOZ 平面建立遠場輻射面(Far Field Radiation Sphere Setup)。

仿真結果如下圖所示:基本單元的傳輸特性是帶通的(4.94GHz 至 6.04GHz)。觀察基本單元從 5.1GHz 至 6.1GHz(間隔 0.2GHz)在側射面的最大輻射方向逐步從負角度過度到正角度(-23 度、-19 度、-15 度、-10 度、9 度、23 度)。

4. 天線整體仿真

將上述基本單元進行級聯(lián)(9 個),兩端的饋電方式不變,基板整體長度設置為 252.75mm,就構造得到了如下圖所示的復合左右手漏波天線。

仿真結果如下圖所示:漏波天線的傳輸特性是帶通的(4.93GHz 至 6.05GHz)。觀察基本單元從 5.1GHz 至 6.1GHz(間隔 0.2GHz)在側射面的最大輻射方向逐步從負角度過度到正角度(-40 度、-19 度、1 度、15 度、33 度、63 度)。相對于基本單元,傳輸帶寬基本不變,掃描角度范圍更大。

5. 結論

基于傳統(tǒng)的傳輸線理論和傳遞函數(shù)分析的方法,可以構建出具有帶通傳輸特性的基本單元。

基于上述的多個基本單元的級聯(lián),可以靈活地構造具有連續(xù)寬角度波束掃描功能的復合左右手漏波天線。

應用 ANSYS HFSS 軟件可以有效地完成上述仿真工作,計算結果與原文中應用其他全波電磁軟件(并與實驗結果進行過對比)的計算結果一致性很好(S 參數(shù),波束角度theta=0的對應頻率,均保持了很好的一致性)。