基于耦合線左右手復合傳輸線的頻掃天線陣設計

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