0 引 言
随着通信技术的快速发展，制造工艺精度越来越高，尺寸越来越小，对天线的设计要求也越来越高。太赫兹波段在微波与红外光之间，相比于其他波段的波，有着自己独特的优点［1］，在气象卫星、生物医学、环境监测等领域有着广泛的应用。
近几年，人们对于表面等离子体激元（Surface Plasmon Polaritons, SPP）的研究越来越多，由于其在太赫兹和微波频段，金属表面不能有效地激发SPP，所以为了解决这一问题，提出了人工表面等离子体激元（Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPP）。SSPP 是通过在金属表面周期性地挖孔或者开槽的方式，实现了在太赫兹以及微波频段内激发SPP，因为其独特的色散特性以及较强的场限制能力，在太赫兹通信等领域被广泛地研究。
漏波天线（Leaky-Wave Antenna, LWA）作为一种行波天线，由于其具有独特的辐射特性以及出色的波束扫描特性，成为天线研究的热点［2］。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）是一种性能出色的平面导波结构，有着体积小、成本低和易于集成等特点［3-4］。因此SIW 结构是实现低成本、低剖面漏波天线的优秀解决方案，在太赫兹无线通信系统领域备受关注［5-6］。目前频谱资源短缺，节省资源可以有效地减少资源浪费以及降低通信成本，而且还能防止同一频段内信号间的干扰。因此在漏波天线上实现窄带宽大角度扫描成为目前研究热点［7］。对于扫描波束的应用，往往需要高扫描率，扫描率（ΔR）表示在每1%的相对带宽内扫描角度变化的能力。其定义为波束的扫描角度范围（Δθ）与相对带宽（BW%）的比值（ΔR= Δθ/BW%）。高扫描率的天线可以在很窄的带宽内实现大角度测量。从系统的角度上简化收发器架构和信号处理器，在汽车雷达领域有着广泛的应用。
传统漏波天线存在的一个重要问题是扫描率低［8］，这是因为传统漏波天线的相位常数对于频率不敏感［9］。近年来，大部分漏波天线的研究工作主要集中在单波束漏波天线的研究，对于双波束漏波天线的研究相对较少［10-12］，双波束天线能在同一频点上辐射双波束，对于多目标检测以及跟踪有着重要的作用，为了方便评估双波束漏波天线的扫描性能，双波束的扫描率定义为每个波束的扫描率之和，因此设计一款太赫兹高扫描率双波束漏波天线在实际工程应用等方面都有一定意义。文献［13］提出了通过在天线中间馈电以及在两边设置多个端口，产生了双波束，天线实现了13.8 的扫描率，但是天线馈电结构复杂。文献［14］提出了将不同周期的结构单元蚀刻在SIW 表面上设计双波束天线，但是扫描率小于5。文献［15］提出了基于正弦调制电抗叠加表面的非对称双波束漏波天线，通过两种不同周期的表面电抗叠加产生了双波束辐射，实现了12.9 的扫描率，但是天线尺寸较大。因此设计一种高扫描率、紧凑型双波束漏波天线具有重要意义。
本文提出了一种基于太赫兹频段半模集成波导（Half Mode Substrate Integrated Waveguide, HMSIW）结构的高扫描率对称双波束漏波天线，该天线具有SIW 和SSPP 的传播特性，通过半模集成波导与正弦调制电抗表面原理相结合，引入功率回收结构，实现了紧凑型高扫描率双波束天线，所设计的天线在太赫兹领域表现出令人满意的性能。
1 天线设计原理及结构
1.1 单元结构
本文提出的双波束漏波天线是基于混合SIWSSPP 特性而设计的，首先利用CST 的本征模求解器模拟了HMSIW-SSPP 单元结构的色散特性。图1（a）和图1（b）是基于HMSIW 结构的SSPP 单元结构正、背面图，介质基板采用的是介电常数为2.65、厚度为5 μm 的聚四氯乙烯（F4B），金属层采用的PEC 材质，厚度为0.18 μm；图1（c）为所提出基于HMSIW 结构SSPP 单元色散曲线，从图中可以看出，当频率逐渐接近截止频率时，表面波群速度急剧下降，曲线变得平坦，相位常数随频率的变化更加显著。因此可以通过适当的调制方式将色散曲线接近截止频率的区域转移到快波区间，从而实现高扫描率的漏波天线。
图1 单元结构和色散曲线
1.2 漏波天线辐射原理
漏波天线使用快波向外界空间辐射电磁波，一般SSPP 中的导波工作在慢波区，不能直接产生辐射，需要引入周期性结构，周期性调制引入无限空间谐波，其相位常数可以表示为
式中，βn 表示n 次空间谐波的相位常数，β0为基模的相位常数，p 为调制周期，n 为空间谐波常数，k0为真空中的相位常数。漏波辐射仅在满足周期性结构辐射条件下的谐波中产生，当βn ＜k0 时，工作在快波模式，当βn ＞k0 时，工作在慢波模式。我们通常选择空间谐波n=-1，其波数可表示为
因此通过对周期p 进行调整，可以满足条件β-1＜ k0，从而向外辐射电磁波。
1.3 HMSIW 漏波天线结构
图2 为HMSIW 漏波天线结构正面图，天线整体尺寸L×W，左右两端是馈电结构。天线介质基板采用的是F4B 基板制成（介电常数为2.65，损耗角正切为0.001，厚度为5 μm），SIW 是通过在介质基板上挖金属通孔形成的。金属通孔直径为s，间隔为s1。基板上表面金属蚀刻周期性的凹槽，凹槽宽度为s，周期为s1，深度为h2。凹槽正弦调制周期为p。天线两端有一段宽度渐变的阻抗匹配段，馈线宽度从W1渐变到W2，长度为L2，该天线一共有17 个周期的槽缝，长度从h1变化到h2，经CST 仿真软件优化后，天线参数配置如表1所示。
表1 天线结构尺寸 μm
参数L W L1 W1 L2参数值2 200 200 92.5 12 100参数W2 h1 h2 d参数值30 18 40 56.5参数s1 s a p参数值10 5 56.5 100
图2 HMSIW漏波天线结构
1.4 双波束漏波天线结构
图3 显示了半模集成波导双波束漏波天线结构，该天线结构由两个具有相同正弦调制结构的HMSIW 漏波天线和一个半圆功率回收结构组成。该结构是上下对称的，输入功率被馈送到第一个HMSIW 漏波天线辐射波束1，然后经过半圆功率回收结构被反向馈送到第二个HMSIW 漏波天线辐射波束2，功率在两个漏波天线结构中沿着不同的方向进行馈送。图4（a）是HMSIW 的半圆功率回收结构，图4（b）给出了半圆功率回收结构模拟电场分布，功率回收结构的主要作用是减少功率的损耗以及改变功率从不同方向的馈送，从图中可以看出功率从上端口到下端口是可以通过的。
图3 双波束天线结构图
图4 半圆功率回收结构图和电场分布图
2 天线仿真结果及分析
对所设计的天线进行仿真分析，图5给出了在其他参数不变的情况下，参数a 对S11、S21 的影响。图5（a）为半圆半径a 不同取值时的S11 图，可以看出在频带1.25～1.31 THz 范围内，随着a 增大，S11 值逐渐变大，这是因为当半圆结构的半径a 变大，会导致输入功率经过回收结构时，被反转到第二个HMSIW 漏波天线功率减小，很大一部分功率被返回到输入端口，从而影响着S11数值。当a=56.5 μm时，S11最低，天线性能较好。图5（b）显示了a不同取值时的S21图，可看出S21低于-10 dB，这意味着能量能有效地馈入天线，大部分能量被辐射出去。
图5 天线仿真的S参数
图6 显示了天线在1.26 THz 和1.29 THz 处的远场辐射3D 方向图，该天线激发了对称双波束，与前文理论分析相符，并且天线具有较好的方向性，同时天线的波束角度随频率的改变而变化，说明漏波天线具有频扫特性。
图6 12.6和12.9 THz频率下3D方向图
图7 显示了天线在1.25、1.28 和1.31 THz 3 个频点处的E 面方向图，结果表明，在1.25～1.31 THz频带内（4.6%的相对带宽），波束1的扫描范围11°～51°，波束2 的扫描范围-51°～-11°，扫描总角度80°，此天线达到了17.4的高扫描率。
图7 双波束天线的E面方向图
图8 显示了天线的增益图，在1.25～1.31 THz的频段内，辐射波束1的最小增益为13.9 dBi，最大增益为14.4 dBi。辐射波束2 的最小增益为7 dBi，最大增益为10.7 dBi。在相同频率下，波束1 的增益高于波束2的增益，这是因为大部分功率先从端口1 馈入第一天线辐射波束1，很少的剩余功率则通过功率回收结构反向馈送到第二天线辐射波束2。结果表明该天线在工作频带内有较高的增益。
图8 天线的仿真增益图
表2 为本文所提出天线与部分参考文献中天线性能的比较。通过对比可见，本文所提出天线具有结构紧凑、带宽小、扫描率高、增益大等优点。
表2 天线性能比较
文献［13］［14］［15］本文带宽10.7～11.7 GHz（8.9%）12.5～15.5 GHz（21.4%）8.65～9.5 GHz（9.3%）1.25～1.31 THz（4.6%）天线尺寸300 mm×70 mm（11.54λ0×2.69λ0）220 mm×20 mm（10.52λ0×0.95λ0）221 mm×32 mm（6.72λ0×0.97λ0）2 300 μm×200 μm（9.58λ0×0.83λ0）单个波束扫描率Beam 1:6.9（-16°～+78°）Beam 2:6.9（+14°～+76°）Beam 1:2.66（-55°～+2°）Beam 2:1.82（+15°～+54°）Beam 1:6.77（-65°～-2°）Beam 2:6.13（-6°～+51°）Beam 1:8.7（+11°～+51°）Beam 2:8.7（-51°～-11°）双波束扫描率13.8 4.48 12.9 17.4最大增益12.6 dBi 11.5 dBi 8.2 dBi 14.4 dBi
3 结束语
本文提出了一种工作在太赫兹频段的紧凑型高扫描率HMSIW-SSPP 双波束漏波天线，该天线由两个相同的HMSIW-SSPP 漏波天线和半圆功率回收结构组成，所提出的天线在1.25～1.31 THz 带宽内，最大增益达到了14.4 dBi,实现了80°的扫描，达到了17.4的高扫描率,与其他双波束漏波天线相比，该天线具有结构紧凑、增益高、扫描率高的特性，在多目标探测和跟踪雷达方面具有潜在的应用前景。
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