面向5 GHz Wi-Fi的紧凑型多波束漏波天线阵列：被动二维波束扫描新突破

《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》：Multibeam Microstrip Leaky-Wave Antenna Array for Passive 2-D Scanning in the 5 GHz Wi-Fi Band

为破解sub-6 GHz频段二维被动扫描的“大尺寸、宽频带”瓶颈，西班牙团队提出半宽微带(HWM)漏波天线阵列与Butler矩阵融合架构，在仅10%相对带宽内实现120°×90°视场、32波束覆盖，增益12–18 dBi，为Wi-Fi感知与6G JCAS提供最低剖面、最低成本方案。

　　

当自动驾驶汽车穿越隧道、AR/VR头显在室内疾速移动，无线系统既需要高速数据链路，又需实时感知方位。传统相控阵虽快，却伴随高昂射频链路、功耗与散热难题；准光学透镜体积庞大，难以装进轻薄终端；超表面带宽窄、加工贵；而漏波天线(LWA)凭其“频率-角度”天然色散，被视为低成本波束扫描候选，却长期困于一维(1-D)扫描。如何把“一维频率扫”升级为“二维被动扫”，同时保持单面板、小尺寸、窄带宽，成为sub-6 GHz Wi-Fi与6G通感一体化(JCAS)亟待翻越的“栏杆”。

为回答这一难题，西班牙Murcia与Cartagena理工团队展开联合攻关。他们提出“半宽微带(HWM)漏波天线+4×4 Butler矩阵”融合架构：利用HWM-LWA在纵平面(ZY)的色散实现-60°至+60°频率扫描，再用Butler矩阵在横平面(ZX)生成±10°、±30°四波束切换，两者正交叠加，于5.18–5.72 GHz仅10% fractional bandwidth内合成32个高增益波束，覆盖120°×90°视场。论文发表于《IEEE Open Journal of Antennas and Propagation》。

关键技术方法：

1. 半宽微带(HWM)漏波线设计——激发TE_{模，通过基板介电常数ε=4.7控制色散，实现窄带大角度扫描。}
2. 4×4微带Butler矩阵——90°混合耦合器、中心交叉耦合器与180°移相器单片集成，输出等幅特定相差，形成横向四波束。
3. 镜像对称布局——上下两组Butler矩阵反向馈电，扩展负仰角覆盖。
4. 消声室二维转台测试——3 m远场，VNA单音激励，机械旋转获取φ、θ二维方向图。

研究结果：
Ⅱ-A HWM-LWA单元设计

• 采用Rogers TMM4(ε_{=4.7, h=0.762 mm)单面板，线宽6.45 mm、长350 mm；理论漏波色散与实测圆点吻合，验证-60°–+60°扫描能力；E面呈扇形波束，无横向扫描，符合单LWA特性。}

Ⅱ-B Butler矩阵波束成形网络

• 74 mm×101 mm面积(1.4λ_{×1.8λ)，较文献SIW方案缩小>70%；四输入端口在5.5 GHz生成ZX面±10°、±30°四波束，相位误差<3°。}

Ⅱ-C 集成阵列

• 总尺寸498 mm×101 mm(9.2λ_{×1.8λ)，单层微带完成，剖面<1 mm。}

Ⅲ-A S参数性能

• 5.18–5.72 GHz全带内反射<-10 dB，同侧端口隔离<-15 dB，对侧耦合<-10 dB；矩阵色散致高频略有上浮，仍满足Wi-Fi信道要求。

Ⅲ-B 波束扫描性能

• 单LWA：8波束(-60°–+60°, ZY面)。
• 阵列：32波束，ZY-60°–+60°、ZX-45°–+45°连续覆盖；相邻波束交叉电平-3 dB至-6 dB，满足定位与通信需求；无需0° Broadside即可通过幅度单脉冲、MUSIC算法实现高精度方位估计。

Ⅲ-C 增益与辐射效率

• 峰值增益12–18 dBi，中心信道f_{,f最高；辐射效率40–80%，高频端因漏波趋近表面波而下降；阵列增益较单元提升约10log(N) dB，与理论一致。}

Ⅲ-D 与现有技术对比

• 首次在5 GHz Wi-Fi频段实现2-D被动扫描；BFN面积仅1.3λ_{×1.8λ，为文献最小；扫描带宽10%，视场120°×90°，均优于SIW Rotman/Luneburg透镜方案；无需有源移相器，成本最低。}

结论与讨论：
该工作把“频率-色散”与“被动矩阵”两大机制正交融合，突破二维漏波扫描“带宽换角度”的传统桎梏，在单层面板、极窄带宽、极低剖面下完成120°×90°多波束覆盖，增益与效率满足Wi-Fi感知、JCAS、电子收费、IoT指纹定位等场景需求。其紧凑性为sub-6 GHz终端集成树立新标杆，亦预示漏波天线从1-D走向2-D平民化时代。未来通过加载可重构材料或毫米波缩放，有望拓展至更高频段与更复杂波束赋形，为6G网络提供“通信+感知+能量”三合一的低功耗前端。