漏波天線

當電磁波沿行波結構傳播時，若沿此結構不斷地產生輻射，所輻射的波稱為漏波 。這種產生漏波的結構稱為漏波天線。漏波天線是一種行波天線。所謂行波天線指的是，饋入的電磁場會呈現行波狀態分布的天線。行波天線一般都需要在終端連線匹配負載，以消除反射波，而由於行波天線中的電磁波呈行波狀態，各處反射一般很小，因此行波天線在其輸入端的輸入阻抗近似於純電阻，因而一般擁有較寬工作頻帶。漏波天線便繼承了行波天線寬頻的特點，並且具有主瓣波束隨頻率掃描的特性。

基本介紹

• 中文名：漏波天線
• 外文名：leaky-wave antenna
• 定義：產生漏波的結構
• 製作：變動的金屬或介質波導結構製成
• 套用：飛彈末段制導所用的高解析度雷達
• 特性：主瓣波束隨頻率掃描

產品介紹

漏波天線是一種行波天線，上個世紀40年代由W. W. Hansen提出以來，其獨特的輻射特性及優良的波瓣掃描特性，使得漏波天線一直是天線領域研究的熱點，廣泛套用於飛行器表面的共形天線、高解析度雷達和衛星通信動中通等各個領域。最初的漏波天線是由開縫矩形波導構成的，其實質是波導結構上所傳播的電磁波為快波時會向空間輻射部分電磁波的現象。近些年，關於漏波天線的研究飛速發展，而基於印刷電路板(PCB)技術的平面漏波天線的出現更給漏波天線的研究帶來了新的生機與活力。平面漏波天線具有天線剖面低、加工周期短、添加饋電方便等優勢，而且利於集成，在微波集成通信系統中擁有巨大的優勢。同時平面漏波天線依然具備傳統漏波天線的波束掃描能力，在需要波束掃描的場合，漏波天線具有無可比擬的優勢，擁有良好的發展前景。

原理

當電磁波沿行波結構傳播時，若沿此結構不斷地產生輻射，所輻射的波稱為漏波。這種產生漏波的結構稱為漏波天線。如將波導結構適當地開口，則在波導中傳輸的功率會漏逸到外部空間而形成漏波天線。在傳輸TE波型的矩形或圓形波導壁上開長縫，就是一種典型的漏波結構。如果用厚度小於趨膚深度的一塊金屬膜片代替矩形波導中的一個側壁，便可製成薄壁漏波天線。　在橫截面為矩形的介質棒（例如矽波導）上，周期地鍍覆上矩形金屬帶，可以構成用於毫米波積體電路的漏波天線。若已知傳播常數γ，便可確定這種漏波天線的輻射方向圖。因此，漏波可用兩個參數來表示：沿界面傳播的波長λg和漏波衰減常數α。

大多數實用的漏波天線都是由經過某種變動的金屬或介質波導結構製成。這些天線的輻射波束指向都隨頻率而變化，這實質上是由傳播常數γ的變化引起的。γ與下列因素有關：工作頻率、波導尺寸和介質的相對介電常數εr與相對導磁係數μr。頻率掃描時，掃描角受低頻端波型截止的限制，而在高頻端受激發更高次波型的限制。當頻率增加時，波束從邊射向端射方向偏轉，而波瓣寬度可維持不變。結構簡單的低成本頻率掃描毫米波漏波天線，可套用於飛彈末段制導所用的高解析度雷達。

分類

根據漏波天線的結構和工作原理，漏波天線可分為不同的種類。第一種分類是把漏波天線分為一維漏波天線和二維漏波天線。還有一種分類是按結構分為均勻、準均勻和周期性漏波天線。一維漏波天線指的是導波結構是一維的，即這個導波結構只支持一個固定方向的行波。而二維漏波天線支持從圓心徑嚮往外傳播的行波。

圖1 均勻漏波天線和周期性漏波天線

如圖1所示，其中，均勻漏波天線，指的是漏波天線在電磁波傳播的方向上，天線結構完全均勻，例如圖1(a)就是一個微帶均勻漏波天線，受結構限制，均勻天線一般只能向前向掃描。周期性漏波天線一般是在導波結構中引入周期性的縫隙或其他結構，一般來說，周期性漏波天線本身傳播的是慢波，但那些結構會在結構附近引入無窮多個諧波，其中-1階諧波往往是快波，周期性漏波天線正是依靠這個快波進行輻射的，從理論上來說，周期性漏波天線可是實現向前和向後的輻射。準均勻漏波天線的輻射特性與均勻漏波天線類似，但引入的漏波結構周期一般遠小於電磁波的波長，因此，對於電磁波來說，天線結構是“均勻”的。一般的準均勻結構漏波天線只能在前向象限掃描，但最近出現有基於人工電磁超材料的漏波天線，這些天線可以實現從後向掃描到前向的輻射。

典型結構

封閉式結構

漏波天線可以基於封閉式波導結構設計，如在矩形波導、圓波導、脊波導等基本結構上進行設計，。這類金屬波導型漏波天線具有機械強度高、損耗低等優點，因而在微波頻段高端以及毫米波頻段得到廣泛套用。但是，金屬波導型漏波天線體積大、相對笨重、加工要求高、成本高，很難與平面電路集成，因此難以套用於正在向小型化、平面化、集成化方向快速發展的各類電子和通信系統。

平面導波結構

為了適應平面集成化的需求，出現了一類基於平面導波結構（微帶、共面波導、槽線等）的漏波天線，相比於金屬波導漏波天線的立體結構，這類平面漏波結構具有低輪廓、重量輕、易與饋電網路匹配、易與平面電路集成、加工成本低、性能優越等優點，因而近年來越來越受到重視。但這種平面漏波結構由於其自身的開放性，存在表面波模式或寄生模式等問題，在高頻段損耗較大、效率低、不容易控制，因而不適應現代通信系統向高頻段的發展趨勢。

集成波導技術

為了滿足通信系統的高頻段、小型化、平面集成化要求，基片集成波導技術應運而生並得到了迅速發展和廣泛套用。基片集成波導是一種新型平面導波結構，利用低成本的工藝在介質基片上實現類似於金屬波導的結構，可以像金屬矩形波導一樣將電磁波封閉在波導內部實現低損耗傳輸，結合了傳統金屬波導和微帶線等平面傳輸結構的優點。與金屬波導漏波天線一樣，基片集成波導的出現也使得基片集成波導漏波天線應運而生，這種天線具有低損耗、低成本、易加工、易與其它平面電路集成、適應高頻工作的需求等優點，可以有效抑制開放平面漏波天線所導致的不希望的額外損耗，能夠很好地套用於高頻段。

複合結構

在福射特性方面，傳統的漏波天線存在一些不足，例如均勻結構漏波天線只能將能量福射到前向四分之一區域而通過在均勻慢波結構上引入周期性擾動形成的周期性漏波天線可以產生後向空間諧波福射，但卻很難實現側邊的福射。這些不足在一定程度上限制了漏波天線的發展。新型人工電磁材料的套用給新型漏波天線的研究帶來了希望。近年來，對於左右手複合傳輸線的研究得到了迅速發展利用左右手複合結構製成的漏波天線，可以擴大漏波天線的掃描角度範圍，實現側邊福射，從而拓展漏波天線的套用範圍。同時，新型材料的套用也為漏波天線的小型化提供了新的可能，為漏波天線技術帶來了新的發展空間。