0 引言
近年来，人工电磁超材料凭借其本身具有的负介电常数、负磁导率以及零折射率等非常规的电磁特性被广泛应用于天线和微波元器件的设计[1-2]，是现代通信和雷达系统的研究热点和技术前沿。漏波天线不仅具有常规行波天线所具有的较宽阻抗带宽和较好定向辐射特性等优越性能，还具有连续的频率扫描特性和很强的方向性等独特电磁特性，一直以来都是天线与微波技术研究领域的热点和重点[3-4]。漏波天线不仅适合通过共形设计安装在导弹、攻击型或侦察型无人机等飞行器的外壳，用于在末段制导的高分辨率雷达系统，还适用于在较为封闭的空间内作为移动终端或者其他无线通信设备，以便提供较好的无死角电磁波覆盖[5-6]。综合利用人工电磁超材料来设计具备多种功能的高性能漏波天线受到广大科研人员的深切关注，相关研究工作被不断报道出来。
2012 — 2013年，Xu等提出了双层谐振式超材料[7]和二维双层超材料[8]，并用于漏波天线的设计，不仅实现从后向到前向的连续主波束扫描，而且实现了全向辐射，但是天线的增益变化起伏较大，交叉极化性能较差。此外，基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)结构的超材料漏波天线也被大量报道：2011年，Dong等通过在SIW和半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)上加载交指结构设计了多种超材料漏波天线[9]，均能够实现了大角度范围的主波束扫描；2012 — 2013年，Nasimuddin等先后提出了多种双层SIW超材料漏波天线[10-11]，在实现大角度范围主波束扫描的同时，还能够得到较宽的3 dB增益带宽和宽带边向辐射等特性，但是这些天线的交叉极化性能需要进一步提高。此外，文献[12-13]分别基于矩形波导和加载贴片的SIW设计了具有较大主波束扫描范围的超材料漏波天线，但是工作频带内增益的变化范围很大。分析可知，这是由于这些文献中报道的超材料漏波天线在工作频带内的端射对超材料的左/右手频段的过渡平衡点十分敏感造成的。因此，设计出同时具有宽3 dB增益带宽和低交叉极化以及大扫描角度范围的超材料漏波天线是一个很大的挑战。
本文在前人工作基础上提出了一种新型双层宽带电磁超材料单元，并将其用于漏波天线的设计。对天线进行加工并测试，测试与仿真结果吻合较好，表明所设计的超材料漏波天线在7.20～12.70 GHz的工作频带内可实现从后向到前向达到158°的大范围主波束扫描，天线的增益实测值在整个工作频带内均大于10 dBi，峰值增益为 15.2 dB，3 dB增益带宽达到50.2%。同时，在整个工作频带内，天线的交叉极化始终比主极化低至少30 dB，具有很低的交叉极化。相比于新近文献中报道的同类型天线，本文所设计的漏波天线具有优势更为明显的电磁辐射特性。
1 双层电磁超材料单元的设计与分析
如图1所示，本文采用在SIW的上表面加载交指结构，中间加载金属贴片的方式提出了该双层超材料单元结构。其中的金属过孔直径为2r=0.76 mm，间距为d=1.52 mm，采用的介质板是介电常数为2.2，正切角损耗为0.000 9，厚度为 0.914 mm的Rogers Duroid 5880。
图1 双层人工超材料单元结构示意图
如图1所示，所设计的超材料单元主要由蚀刻在SIW上表面的交指结构、中间的矩形金属贴片和下表面的金属面组成。分析可知，位于交指结构正下方的矩形金属贴片可以等效为左手电容CL，而左手电感LL主要由金属过孔产生；右手电容CR和右手电感LR则主要是SIW本身具有的分布电容和分布电感。当所提出的双层超材料单元处于平衡状态，也就是其左手频段和右手频段实现完美过渡时，就要求左手电容和左手电感的乘积等于右手电容与右手电感的乘积，即
LRCL=LLCR
(1)
给定结构参数为：l=9.8 mm，w=3.5 mm，Weff=11.8 mm，l1=2.5 mm，w1=0.1 mm，w2=1.0 mm，wep=3.9 mm，lep=4.5 mm，lg=20 mm，p=10.64 mm，h1=0.66 mm，h2=0.254 mm，双层超材料单元处于平衡状态。采用HFSS对其进行仿真，得到的结果如图2所示。
(a) S参数
(b) 相位
图2 双层人工超材料单元的全波仿真结果
根据图2(a)可知，双层超材料单元在其通带内具有两个反射零点，分别位于7.95 GHz和9.52 GHz，并且由图2(b)中内容可知，双层超材料单元在其通带内具有连续变化的相位特性，其中相位为0°的频点为8.50 GHz，这表明该双层超材料单元具有宽带特性。
(a) 等效介电常数
(b) 等效磁导率
图3 双层人工超材料单元的等效电磁参数
进一步对双层SIW超材料单元进行研究，根据从全波仿真软件中得到的S参数来提取其等效介电常数和等效磁导率，如图3所示。图3(a)中，在7.10～8.50 GHz的频带内，超材料单元的等效介电常数为负值，在8.50～14.00 GHz则为正值。图3(b)中，在7.20～8.50 GHz的范围内，超材料单元的等效磁导率为负值，在8.50～14.00 GHz则为正值，而在8.50 GHz处的等效介电常数和等效磁导率均为零。这表明双层超材料单元的左手频带为7.20～8.50 GHz，右手频段为8.50～14.00 GHz，左右手频带的过渡频点为8.50 GHz。上述分析有效地验证了所提出的双层超材料单元的左手特性。
当所设计的双层超材料单元处于平衡状态时，图4和图5分别给出其色散曲线和损耗特性分析。双层超材料单元的色散和损耗可根据S参数分别通过式(2)和式(3)计算可得：
(2)
(3)
图4 双层人工超材料单元的色散曲线
图5 平衡状态超材料单元的辐射损耗
根据图4可知，平衡状态的双层超材料单元的漏波频段为7.20～12.70 GHz，其中左手漏波频段为7.20～8.50 GHz，右手漏波频段为8.50～12.70 GHz。图5中对双层超材料单元的辐射损耗分析可知，由于仿真设置中使用的介质板为理想导体，同时介质板的介质损耗很小，基本可以忽略不计，因此这里给出的损耗主要为超材料单元的辐射损耗，并且双层超材料单元在其左手漏波频带的辐射损耗要大于右手漏波频带。
2 超材料漏波天线的设计及分析
根据上述分析，将提出的双层超材料单元用于漏波天线的设计，所设计的天线由15个双层超材料单元组成，图6给出了漏波天线的结构与辐射原理示意图。分析可知，所设计的漏波天线工作于基模状态，能够实现从后向到前向的连续主波束扫描，这是由超材料单元具有从负值到正值连续变化的相位特性所决定的。天线的主波束扫描角和对应的工作频率满足如下方程[14]：
(4)
式中，k0为自由空间的传播常数。
图6 漏波天线结构与辐射原理
根据式(4)可知，当漏波天线的传播常数小于自由空间的传播常数时，也就是β<k0，此时天线工作在左手频段，能够实现后向辐射；当天线的传播常数大于自由空间的传播常数时，也就是β>k0，此时天线工作在右手频段，能够实现前向辐射。当天线工作于左手频段和右手频段的过渡频点时，β=0，天线能够实现端射。
将超材料漏波天线进行加工，实物如图7所示。采用N5230C矢量网络分析仪对加工好的天线进行测试，图8给出了天线S参数的测试与仿真结果对比示意图。
图7 所设计的超材料漏波天线的实物图
图8 超材料漏波天线S参数仿真与测试结果
图8给出了超材料漏波天线S参数的仿真与测试结果对比。从中可知，天线S参数的仿真与测试结果变化趋势基本一致，证明了超材料漏波天线设计的有效性。需要指出的是，天线的传输系数 |S21|的仿真与测试值有一定的差异，这主要是由实际加工的天线所用的非理想介质板中存在介电常数漂移，以及加工过程中会有不可避免的误差引起。
超材料漏波天线的测试传输系数|S21|在7.20～12.70 GHz的频带范围内基本都位于-10 dB以下，同时漏波天线的测试反射系数|S11|同样均小于-10 dB，这表明天线具有较好的漏波辐射特性。此外，超材料漏波天线的反射系数|S11|在其右手频段的仿真与测试结果均优于左手频段，表明天线在其右手频段的辐射效率优于左手频段。
利用远场方向图测试系统测试超材料漏波天线在不同工作频点的远场归一化方向图，并与在仿真软件中得到的结果进行对比，具体如图9、图10所示。
(a) 7.20 GHz
(b) 8.00 GHz
(c) 10.00 GHz
(d) 12.70 GHz
图9 超材料漏波天线的E面归一化方向图
(a) E面
(b) H面
图10 超材料漏波天线边向辐射的归一化方向图
根据图9(a)和图9(b)，当工作在7.20 GHz和8.00 GHz时，天线的主波束指向分别为-78°和-25°，均为后向辐射，并且这两个频点的交叉极化比主极化分别低约为53.5 dB和42.3 dB。而在图9(c)和图9(d)中，天线工作在10.00 GHz和12.70 GHz时的主波束指向分别为+30°和+80°，均为前向辐射，并且天线在这两个频点的交叉极化比主极化分别低约为34.7 dB和31.6 dB。此外，天线归一化方向图的仿真与测试结果吻合较好，但是在12.70 GHz处出现了一定程度的偏移，分析可知这可能是由于测试过程中存在的误差造成的。
根据图10可知，当超材料漏波天线工作在8.50 GHz时，天线E面和H面的主波束指向均为0°，表明漏波天线在此频段发生严格的边向辐射。此时，漏波天线E面和H面主波束的半功率波束宽度分别约为11°和92°，并且E面归一化方向图的副瓣电平比主瓣低约为13 dB，并且天线在8.50 GHz处交叉极化比主极化低约36.9 dB。
综上分析，所设计的超材料漏波天线在7.20～12.70 GHz的频率范围内能够实现主波束从后向到边向到前向的连续扫描，并且在整个工作频带内该漏波天线的交叉极化比主极化低至少30 dB，具有很低的交叉极化。
为进一步探究所设计的超材料漏波天线的辐射特性，图11和图12分别给出了超材料漏波天线相关辐射特性参数的仿真与测试结果对比。
图11 漏波天线的波束扫描角和3 dB波束宽度
图12 漏波天线的天线增益和辐射效率
在图11中，超材料漏波天线在7.20～12.70 GHz工作频带内的主波束扫描范围为从后向-78°到前向+80°，主波束扫描角的范围达到158°，并且以边射频点8.50 GHz为分界点，天线主波束扫描角在左手频带中随着频率变化的速率要大于其在右手频段中变化的速率；同时，该漏波天线的3 dB波束宽度在7.50～12.10 GHz的频带内基本保持在 11.8°±0.2°的一个恒定的范围内，这是因为天线在该频带内辐射方向图的形状基本保持一致所导致的。此外，漏波天线的主波束扫描角和3 dB波束宽度的仿真与测试结果基本一致。
在图12中，所设计的超材料漏波天线实测增益的最大值为10.70 GHz处的15.2 dBi，并且在整个工作频带内天线增益始终大于10 dBi，这表明所设计的超材料漏波天线具有比较稳定的增益。漏波天线的实测3 dB增益带宽为7.60～12.70 GHz，相对带宽达到50.2%。此外，该超材料漏波天线在其左手频段的增益低于右手频段的增益，并且在8.50 GHz附近出现了一个增益低谷，这主要是由于天线在右手频段的阻抗匹配优于左手频段所造成的。
此外，图12中同时给出超材料漏波天线辐射效率的仿真与测试结果对比，从中可以看出漏波天线在右手频段的辐射效率明显优于左手频段，而在过渡频点附近的辐射效率则是最低的。需要指出的是漏波天线增益的实测值比仿真值低约为1.5～2.0 dBi，这主要是由于天线实物所用的非理想介质板中存在介电常数漂移，以及加工过程中可能存在的误差等因素造成的。
为进一步说明所设计的超材料漏波天线的性能优势，在天线形式、扫描角范围、3 dB增益带宽、交叉极化等方面与新近文献报道的超材料漏波天线进行对比，结果如表1所示。
表1 本文与文献中超材料频扫漏波天线性能比较
对比文献天线形式扫描角范围/(°)增益带宽(最大增益)交叉极化/dB[9]SIW-70～+6031.5%(12.8dBi)20[10]多层SIW-66～+7847.0%(12.8dBi)20[11]多层SIW-60～+6640.7%(14.8dBi)12[13]多层SIW-60～+6648.9%(10.0dBi)未给出[14]脊型SIW-46～+408.7%(11.5dBi)未给出[15]多层SIW-30～+30增益起伏较大未给出本文多层SIW-78～+8050.2%(15.2dBi)30
从表1可知，本文所设计的超材料漏波天线实现了最大的扫描角范围，得到了较宽的增益带宽和很低的交叉极化电平，整体性能优于文献中报道的同类型漏波天线。
3 结束语
本文首先提出了一种基于基片集成波导的双层宽带超材料单元，分析该单元的电磁特性，验证了其左手特性。而后利用其通带内具有从负值到正值连续变化的相移特性，设计了一款超材料漏波天线，对天线进行加工测试。测试结果表明漏波天线能够在7.20～12.70 GHz的频带内实现了从后向-78°到前向+80°的连续主波束扫描。此外，漏波天线的峰值增益为15.2 dBi，3 dB增益带宽为50.2%。同时，漏波天线还具有很低的交叉极化，在整个工作频带内，交叉极化始终比主极化低至少30 dB。相比于文献报道的同类型超材料漏波天线，本文所设计的天线具有更为优越的电气性能。
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