漏波天线解析

        导波结构是设计和开发射频及微波电路和系统的基础。无论它是平面的或是非平面的，周期性的或是直线型的，由金属和/或电介质复合物组件所构成的导波结构被用来支持信号的传播和处理。除了自由空间传播，开放式媒质或空间中的折射和散射以外，微波能量通常都是通过特别设计的导波结构来传播的，其模式传播行为基本上是由特定的导波模的传播常数和传输损耗来表征的。这些模式与结构和频率相关，并且还要满足导波结构的边界条件。导波结构可以被分为两种类型，开放式和封闭式。我们已经知道全封闭结构只能支持被导引到结构之中的波，而开放式结构，包括半开放式或部分开放式结构则会出现沿着传播路径的、潜在的逐渐产生的波泄漏。
      波泄漏总是和波的导引联系在一起的，它极大地取决于众多因素，包括结构的几何形状，填充材料，工作频率和导波模式。这种泄漏可以被积极地加以利用来开发一种被称为漏波天线的漏波结构，它具有一些与众不同的特性，如，通过频率来进行波束扫描。与其它天线相比，漏波辐射结构在毫米波频率上是很容易制作的。虽然漏波结构和导波结构有着类似的特性，并且可以采用共同的方法来进行设计，但是，漏波结构的仿真和设计通常会更加复杂一些。这是因为，漏波结构不是封闭式的，需要对其与泄漏相关的衰减常数加以考虑。在这篇文章中，我们专注于介绍从直线型到周期式几何结构的、具有积极意义的漏波结构（漏波天线）的基本工作原理和特点。
      漏波天线最早的例子是沿着边侧具有一个连续切缝的矩形波导[4]，[5]。一个漏波天线可以被看作是在允许能量沿其纵向方向产生泄漏的一个导波结构上直接开发的几何结构。漏波结构是一类特殊的波导，波导模式中的一种模式被用来沿着导波路径产生泄漏。对于一个封闭式导波结构来说，当这样一种封闭结构受到扰动时，微波能量有可能会泄漏出去。这样一种扰动可以是矩形波导窄壁上的一个切口，这个切口会干扰 TE10 模的表面电流（图 1），从而提供了所导引能量的泄漏。对于 一个开放式导波结构，需要采用一种特殊的安排，如调节结构的几何尺寸或者选择合适的场模式， 从而可以允许微波能量进行辐射，因为，表面波通常会在这些开放式结构中传播。

       人们对漏波天线工作原理的了解已经为时已久[1]-[3]。这种天线最早的例子便是沿着边侧具有一个连续切缝的矩形波导[4]，[5]。正如图 1 所示，微波能量从这个切口泄漏出去并且向空间辐射。为了获得更窄的波束，这个长长的切口可以被一系列相距很近的小孔所替代[6]。这些都被称为一维（1-D）均匀式或准均匀式漏波天线。一维周期性漏波天线最早的例子是一个夹心式线天线[7]。通过采用一种简单形式的不对称性，人们在文献[8]中首先提出了在开放式对称导波结构中产生漏波的这种思想。最早的二维漏波天线是通过在接地平面上采用一个周期性部分反射屏（partially reflective screen - PRS）而实现的[9]。人们已经提出了不同版本的漏波天线并且采用不同的技术和结构对其进行了广泛的研究[10]-[36]。这些例子包括各种拓扑结构的介质波导， 槽波导(groove guides)，矩形波导，微带线，共面波导（CPW），基片集成波导（SIW），以及基片集成镜像波导（substrate integrated image guide -SIIG）。近来，人们已经在漏波天线的研究中引入了超材料结构。这些不同的观点提供了非常有用的信息，但采用漏波来进行的一种简单明了的说明已经从物理的本质上解释了漏波天线的工作原理。
形成漏波的条件
由于漏波是从其导波对应物上派生出来的，因此，研究导波的基本特性以及在什么条件下这种演变会产生一个可控泄漏就非常重要了。人们可以对这样的一种可控泄漏进行探索来设计和开发漏波天线。如图 2 所示，假设一个导波沿着+z方向前行，并具有相位常数 β。如果这个导波在 x方向kx上产生了一个泄漏波，那么，在 kx 和 β 之间便存在着这样一种关系

 (1)

根据式（ 1 ），当且仅当 k x 为实数时，泄漏波才 开始出现。因此，β< k 0 便是产生一个真正的泄漏波的条件。这是一个有趣且十分重要的观察结果， 因为传播常数的值是与模式相关的。这便启发我 们，取决于运行模式，相同的结构可以被用来支持导波传播和/ 或漏波传播，也可能会有若干个数 量的模式。为了避免可能与漏波概念相混淆，有必要观察这些传播常数之间的关系。当一个漏波形成时，电磁波将会在+z 方向上减弱或被衰减，如果导波是沿着这个方向传播的话。除了相位常 数 β 以外，还应当引入衰减常数。 泄漏波沿着+z 方向按照 而行进，其中 (2)在 x 方向，也存在一个类似的方程，因此（1）可以被改写成

(3)

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其中 是泄漏波在 +x 方向上的泄漏常数。为了使 式（3）是有效且合理的, 及应当具有相反的  符号，这便会使式（3）右边的虚部为零。因此， 泄漏常数应当小于零，因为。形成泄漏波 的另一个规则是。当 时，泄漏波能量将 在+x 方向上增加（）。这个观察结果可能会与人们的直觉相反，因为，似乎泄漏波能 量在横向方向上（+x ）会增加到无穷大。这个观 察结果是符合逻辑的，因为，如图 2 所示，泄漏波的传播方向是k0   方向， +x 方向上无穷大的泄漏 波能量部分地与-z 方向上的泄漏波相关。 -z 方向 上的泄漏波能量应当是无穷大。否则，电磁波便 无法行进到 z=0 的位置上（ ），因为 。漏波结构自身在尺寸上总是有限的，并且 泄漏波总是在贴近漏波结构的空间内来定义的，它永远也无法在横向方向上达到无穷大。这种漏 波产生的机理和认识便可以让人们以一种直截了当的方式来确立漏波天线的设计原理。当式（3）中的虚部被设置为零时，式（3）便可以重新写成

(4)

因为常数 ，并且   在漏波天线的设计中均可以得到满足，式（4 ）便可以简化为式 （1 ）。 β < k0   这个条件可以被准确地用来作为漏波天线设计的一个判断准则，并且因为它的简洁性而已被广泛使用。描述这两种基本类型的漏波天线，即均匀漏波天线及周期性漏波天线的设计机理则是非常简单明了的.

均匀漏波结构

      有两种涵盖了漏波设计技术范围的不同类型的漏波结构。一种是与均匀导波结构相关的，而另一 种则是由一个大的周期性导波结构组成的。这两种漏波结构必须配备半开放式或没有边界的几何结构来产生泄漏。它们均是从特定的导波对应结构中派生出来的，并且遵循着相同的漏波形成规则。图 1 示出了一个经典的均匀漏波结构。通常,快波（β < k 0 ）是在一个封闭的导波结构如矩形 金属波导中行进的。能够干扰沿着纵向传播方向的导波的一个物理上的切口将会产生一个漏波，因为，在这种情况下，形成漏波的条件已经得以满足。对于开放式导波结构，在这些波导中的主 模可能会受到制约,即使这个几何结构是开放式的，因为慢波（β>k0 ）通常会沿着这个结构行进.在这种情况下，有必要采用特殊技术来允许生成 人们所希望得到的泄漏。这些方法包括不对称性的引入，采用其它的几何结构上的变化， 或者选择合适的行波模式。例如，准-TEM 模是沿着微带线行进的一个典型的慢波（极大一部分的导波能量是被制约在介质基片的区域内），它不能被 用来生成漏波。Ermert 首先研究了在微带线上的高阶模的辐射场[10] 。 Menzel 随后提出并介绍了 在微带线上通过馈入第一个高阶模（TE 10 ）而得到的一种行波天线，并且这第一个实用的微带线 漏波天线工作在这个高阶模截止状态的临近区域内[11]。 Oliner 对于漏波天线的认知和开发做出了 极大贡献，他和 Lee 研究并解释了微带线上高阶模所产生的泄漏的本质[19] 。由于高阶模是与快 波的行进相关联的，因此，便可以形成如图 3 所示的漏波结构。这个快波的使用再次证实了漏波 结构的基本工作原理和结构的生成。只有快波才能为行波以及从被制约的或导波区域向空气产生 辐射创造条件。注意，按照高频电路理论，慢波和快波的传播分别对应于低阻抗和高阻抗。人们 总是希望得到高阻抗以生成在漏波结构和自由空间（一般来说也是高阻抗）之间产生辐射的匹配 条件。

相位常数和波数，他们在表达的是同一件事情：即在波的传播方向上，相位随距离的变化情况，都可以视作是一种"Spatial Frequency"，但是从名称上我们就可以知道 波数 是用在平面波中的，而 相位常数则多是用在传输线中；