[发明专利]一种复合左右手传输线型窄带大范围频率扫描天线

说明书

技术领域

本发明涉及电磁领域，特别涉及一种复合左右手传输线型窄带大范围频率扫描天线。

背景技术

当电磁波沿行波结构传播时，若沿此结构不断地产生辐射，所辐射的波称为漏波，这种产生漏波的结构称为漏波天线。漏波天线在雷达领域中有着广泛的应用，如通过改变频率来进行扫描，因此也被称为频率扫描天线。现有技术中，有着多种类型的漏波天线，如矩形波导均匀漏波天线、微带漏波天线等。

随着电磁超材料(Metamaterials)的迅速发展，作为电磁超材料中的一种，基于复合左右手(Composite Right/Left-Handed，CRLH)结构的传输线在漏波天线中得到了应用。电磁超材料是一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质，它被定义为等效均匀的结构，具有不同于普通材料的特性，如负折射、平板聚焦、后向波等。作为一种电磁超材料，CRLH传输线也具有上述特性。CRLH传输线有多种实现方式，作为一种优选的技术方案，CRLH传输线采用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)实现。SIW是近年来兴起的平面导波结构，由平面基板加上两排周期排列的金属过孔组成，具有低成本、易与平面电路集成同时保持传统矩形波导高品质因数、低损耗等优点(请参见参考文献1：D.Deslandes and K.Wu，″Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form，″Microwave and Wireless Components Letters，IEEE，vol.11，pp.68-70，2001)。基于SIW结构的CRLH传输线集合了SIW的优点，相比于微带结构的CRLH传输线，能工作在更高的频段，如X波段(请参见参考文献2：D.Yuandan and T.Itoh，″Composite Right/Left-Handed Substrate Integrated Waveguide and Half Mode Substrate Integrated Waveguide Leaky-Wave Structures，″Antennas and Propagation，IEEE Transactions on，vol.59，pp.767-775，2011.)、Ku波段甚至毫米波波段。

漏波天线一般为均匀或者周期的导波结构，当其工作在快波区域时，能够向空间辐射能量，其主波束的辐射角的表示方式如下：

θ(ω)＝sin^-1[β(ω)/k₀]    (1)

其中，θ(ω)表示主波束方向，β(ω)表示传播常数，ω表示频率，k₀表示自由空间中的波数。由这一公式可以看出，当传播常数β(ω)随频率ω变化时，主波束方向θ(ω)也在变化，从而实现频率扫描。对于传统的矩形波导均匀漏波天线，其传播常数β(ω)＞0，因此只能在前向的一部分区域内进行扫描。而微带构成的周期性漏波天线，当其工作在高阶模式下时，可以实现后向区域和前向区域的扫描，然而还是不能在边射方向上进行扫描，而且这种结构由于其主模是慢波，不能对外产生辐射，因此必须工作在高阶模式下，其馈电往往比较复杂。而基于CRLH传输线的漏波天线在主模状态下就可以对外产生辐射，因此其馈电简单，并且由于左手效应的关系，其传播常数β(ω)可以随频率从-k₀到+k₀变化，理论上可以达到[-90°，+90°]的连续扫描范围。由此可见，较传统的漏波天线，基于CRLH传输线的漏波天线能够在主模状态下实现从后向到前向的连续频率扫描。而采用基于SIW结构的CRLH传输线的漏波天线除了具有上述优点外，还能够工作在很高的频段。

基于CRLH传输线的漏波天线在实际应用中也有一定的缺陷。