圆柱形漏波超表面天线合成的综合方法

《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》：A Comprehensive Methodology for Synthesis of Cylindrical Leaky Wave Metasurface Antennas

　　

在弯曲漏波超表面（MTS）天线设计与实现中存在诸多挑战，如爬行波（CWs）的不受控辐射、受激漏波的幅度与相位校正需求，以及柔性基底上复杂MTS图案金属化的实际问题。因此，本文旨在提供一种针对圆柱基底上此类MTS天线合成的综合方法，涵盖分析工具、设计流程与制造工艺。首先，研究人员建立了CW传播的理论基础，并开发了在圆柱形MTS上提取其特性的分析方法。此外，研究人员讨论了一种检索最优MTS电抗（reactance）剖面的方法，以从弯曲结构中获得所需的辐射特性。最后，基于所提方法，研究人员开发了两款具有笔形波束（pencil-beam）辐射方向图的圆柱形漏波天线（LWA）原型。天线原型采用丝网印刷（screen-printing）方法制造，该方法对于在柔性低损耗基底上实现所设计MTS图案的金属化至关重要。研究人员对天线进行了实验表征，并将测量结果与理论预测进行比较，显示出高度一致性，验证了所提合成方法的有效性。CCBY - IEEE并非本材料的版权持有者。请通过https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/获取全文及API文档中的条款。

**论文解读：圆柱形漏波超表面天线合成的综合方法**

**研究背景与问题**

电磁超表面（MTS）在过去十五年中成为研究热点，因其能灵活调控电磁波特性，如成形辐射方向图、调整极化等，广泛应用于漏波天线（LWA）、微波透镜、极化转换器、波束分束器及高指向性反射阵列。然而，大多数研究集中于平面MTS，因其易于通过传统平面工艺（如印刷电路板）制造。但在某些应用中，受机械、气动、美学或电磁需求驱动，MTS结构需弯曲。例如，下一代通信系统（5G及新兴6G）对自适应共形天线需求增长，弯曲MTS可集成于路灯或交通信号灯杆以增强毫米波频段覆盖；此外，机器人肢体或可穿戴设备中的共形天线对机器间及人机通信至关重要。尽管需求迫切，弯曲漏波MTS天线设计仍处于起步阶段。

弯曲结构的引入改变了电磁波传播特性：平面结构上的表面波转化为爬行波（CW），其特性改变并可因曲率引入非预期辐射或能量泄漏。CW包含低衰减的Elliott模式与高衰减的Watson模式。现有基于广义分离变量法的分析框架仅适用于无MTS覆盖的接地介质圆柱，因此需要推广至含MTS层的弯曲结构。此外，弯区MTS天线的合成面临两个关键问题：确定理想表面电抗（reactance）剖面以将受激表面波转换为受控漏波，以及柔性基底上复杂MTS图案的金属化实现。本文旨在提供一套综合方法，涵盖分析工具、设计流程与制造工艺，以解决上述挑战。

**研究内容与结论**

研究人员首先开发了分析CW在圆柱形MTS上传播的理论基础，提取其特性；然后讨论了通过全息启发方法结合优化检索最优MTS电抗剖面的方法；最后基于该方法设计并制造了两款具有笔形波束辐射方向图的圆柱形LWA原型，采用丝网印刷技术实现柔性低损耗聚丙烯基底上的金属化。实验表征结果与理论预测高度一致，验证了所提合成方法的有效性。该论文发表在《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》上，其重要意义在于：提供了一种快速、基于分析框架的替代方案，避免了计算密集型全波电磁求解器，同时实现了高增益、低旁瓣的受控辐射，并解决了弯曲MTS天线从理论到制造的全链条问题。

**主要关键技术方法（不超过250字）**

研究人员采用的关键技术方法包括：1）基于广义分离变量法，推导了包含MTS覆盖的接地介质圆柱上CW传播的特征方程（式(2)），通过求解复极点获得CW的复传播常数，并利用单极点近似描述场分布（式(4)）；2）提出全息启发方法，结合表面波与期望漏波干涉，获取初始表面电抗剖面（式(6)），再通过高斯锥削函数（式(11)）调制调制比以降低旁瓣，并利用二维矩量法（MoM）快速验证；3）采用丝网印刷工艺，在聚丙烯柔性基底上沉积银基导电油墨，实现高精度金属化图案；4）设计表面波发射器（包括V形SMA-微带过渡、微带锥削到反应贴片阵列），实现从标准SMA连接器到MTS的有效激励。样本来源为自研天线原型，无队列要求。

**研究结果**

**Section II. 电磁波沿圆柱MTS结构的传播**

研究人员通过分析接地介质圆柱（无MTS）及覆盖均匀MTS的圆柱结构，发现：增加介质厚度或添加电容性MTS覆盖层可降低CW的泄漏损耗（表现为复极点虚部绝对值减小），且表面电抗趋于感性。在斜入射情况下，传播方向角ξ增大时，总传播常数实部近似恒定，但泄漏衰减随ξ增大而更快减小，因为有效曲率减小。通过比较单极点渐近解与二维MoM参考解，验证了在合适条件下（一阶与二阶极点贡献比大于0.25）单极点近似足够精确，且MTS可显著抑制曲率引起的能量泄漏。

**Section III. 弯曲MTS孔径理想电抗的合成**

研究人员引入简化二维天线模型（分为引导区、辐射区、吸收区各120°），采用全息启发方法结合高斯锥削函数调制比，确定表面电抗剖面。以24 GHz工作频率、曲率半径100 mm、介质厚度1.5 mm、介电常数2.25为例，选取平均表面电抗260 Ω（CW泄漏0.004 dB）作为高阻基线。通过比较两种设计（高平均电抗与低平均电抗），发现低平均电抗（188 Ω，CW泄漏1.38 dB）导致旁瓣升高、主瓣增益下降，验证了选择高平均电抗以抑制非受控CW辐射的必要性。所设计天线笔形波束的旁瓣低于-15 dB，转换效率达89%（0°方向）和92%（30°方向），且二维MoM与CST仿真结果高度一致。

**Section IV. 圆柱MTS天线的实验实现**

**A. 馈电结构设计**：设计了三部分表面波发射器：V形SMA-微带过渡、微带锥削到反应贴片阵列、反应贴片阵列到MTS过渡。优化后S参数表明在23–25 GHz频段匹配良好，24 GHz处每过渡相对辐射功率约1.5 dB。

**B. 单元设计**：选用蛇形（meander）单元形状增加电容，通过映射物理尺寸（l2与间隙g）获得所需电抗值，单元尺寸2 mm，最小间隙0.2 mm。

**C. 柔性介质的金属化**：采用丝网印刷工艺，在聚丙烯基底上沉积银基导电油墨，120目/cm网版，印刷后60°C固化60分钟。高分辨率图像显示所得尺寸与设计吻合良好。

**D. 测量结果**：两款天线（笔形波束方向0°和30°）在24 GHz下测量S₁₁、方向图与增益，与CST仿真结果高度一致。阻抗带宽超过2 GHz（>8.3%），?3 dB增益带宽分别为980 MHz（4.1%，0°）和1180 MHz（4.9%，30°）。测量旁瓣低于?12 dB，方向图主瓣指向正确。增益曲线吻合良好，验证了忽略基底与金属损耗的合理性。

**总结与讨论部分**

**结论翻译**：本文提出了一套用于圆柱形漏波MTS天线设计与实现的综合方法，解决了弯曲引起的电磁波传播显著挑战。通过开发并应用分析工具精确提取圆柱MTS上CW的特性，研究人员建立了一个稳健框架，最小化曲率对天线性能的影响。所得合成步骤能够确定表面电抗分布，既防止非受控CW辐射，又同时实现高增益、低旁瓣辐射方向图。重要的是，所提方法不依赖计算密集型全波电磁求解器，提供了一种快速、基于分析框架的替代方案，兼具准确性与适应性。MTS原型的制造也得到了解决，因为所选柔性基底（聚丙烯）在商业上无预金属化表面。为克服此限制，研究人员开发了丝网印刷技术，实现了高质量金属化。通过合成与制造两款具有笔形波束辐射方向图的圆柱MTS天线原型，完整的设计与生产过程得到验证。这些天线的实验表征确认了该方法的有效性，测量结果与理论预测之间表现出极好的一致性。