DOI: https://doi.org/10.1109/tap.2026.3679721
تاريخ النشر: 2026-04-08
المؤلف: Beatrice Ambrogi وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الهوائيات المتقدمة والسطوح الميتا
نظرة عامة
تقدم البحث تحليلًا شاملًا للنماذج والإشعاع للهياكل المعدنية المموجة دوريًا بهدف تصميم هوائيات موجات تسرب ثنائية الأبعاد مدمجة وعالية الكسب (LWAs) محسّنة. تم تقديم تصميمين محسّنين للهوائيات، مما يظهر تحسينات كبيرة في الأداء مقارنة بالتقنيات الحالية. ركزت عملية التحسين على زيادة الكسب وعرض النطاق عند الاتجاه الجانبي، مع معالجة القيود المفروضة من نطاق التوقف المفتوح (OSB) والتغيرات المرتبطة في ثابت التوهين للوضع المتسرب. ومن الجدير بالذكر أن أشكال خلايا الوحدة غير المتماثلة قمعّت بشكل فعال الـ OSB، مما أدى إلى تحسين أداء الكسب وعرض النطاق.
حقق تصميم الهوائي الأول عرض نطاق كسب -3 ديسيبل يبلغ 6% مع كسب ذروة قدره 26.9 ديسيبل، بينما قدم التكوين الثاني، المعروف باسم نموذج CA، عرض نطاق -3 ديسيبل أوسع يبلغ 7% وكسب ذروة قدره 26.4 ديسيبل. تفوقت كلا التصميمين على نظيريهما المتماثلين. بالإضافة إلى ذلك، تم تحسين هوائي ثالث جديد باستخدام استراتيجية تقليص شعاعي لكل من الثوابت الطورية والتوهين، مما أسفر عن عرض نطاق كسب جانبي -3 ديسيبل يبلغ 6.4% وكسب ذروة قدره 28.7 ديسيبل. كما أظهر هذا التصميم المخفف كفاءة فتحة متفوقة مقارنة بالتصاميم الأكبر حجمًا، وذلك بفضل تحسين تجانس المجال الفتحة. أظهرت جميع الهوائيات مستويات استقطاب عرضي جديرة بالثناء، مع قيم قصوى حول -25 ديسيبل في المستوى المائل (φ = 45°) وحوالي -15 ديسيبل عند 2° عن الاتجاه الجانبي.
مقدمة
تناقش مقدمة هذه الورقة البحثية الاهتمام المتزايد في هوائيات موجات تسرب معدنية مسطحة (LWAs) بسبب خصائصها المفيدة مثل الشكل المنخفض، والمتانة الميكانيكية، وانخفاض خسائر المواد، خاصة للتطبيقات عالية التردد في مجال الطيران. يتم التركيز بشكل خاص على هوائيات LWAs على شكل هدف الثور، والتي تتميز بتكوينها ثنائي الأبعاد مع دورية شعاعية، والتي يمكن بناؤها باستخدام شبكات شرائط معدنية حلقية أو هياكل معدنية مموجة. أدت التقدمات الأخيرة إلى تصميمات متنوعة لهذه الهوائيات، والتي يمكن تحسينها باستخدام نظرية موجات التسرب لتعزيز ميزات الإشعاع مثل الاتجاهية والكفاءة.
تسلط الورقة الضوء على التحديات المرتبطة بالإشعاع الجانبي بسبب تردد نطاق التوقف المفتوح (OSB)، والذي يسبب عدم تطابق في المقاومة ويحد من الكسب. لمعالجة هذه القضايا، يقترح المؤلفون نهجًا جديدًا يستخدم خلايا وحدة غير متماثلة مموجة (UCs) تقمع الـ OSB وتمكن من تحسين التصميم المدفوع بالتشتت. تعزز هذه الطريقة من تبادل الكسب/عرض النطاق وتستفيد من تحليلات النماذج لموجات التسرب للتنبؤ وتحسين أداء الإشعاع. يتم التحقق من فعالية التصميمات المقترحة من خلال محاكاة الموجات الكاملة، مما يظهر أداءً متفوقًا مقارنة بنظيراتها المتماثلة والـ LWAs الحديثة الموجودة، مع الحفاظ على حجم كهربائي مدمج.
مناقشة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون مناقشة مفصلة لخمس تصميمات جديدة لهوائيات “هدف الثور” المعدنية ثنائية الأبعاد تم تحليلها من خلال نظرية موجات التسرب. تشمل التصميمات التصميم المتماثل الأساسي (PS)، التصميم غير المتماثل الأساسي (PA)، التصميم المتماثل التكميلي (CS)، التصميم غير المتماثل التكميلي (CA)، وتصميم غير متماثل أساسي مخفف (TPA). يهدف كل تصميم إلى تحسين أداء الإشعاع من خلال معالجة قضايا مثل النطاق الجانبي الشامل (OSB) وتعزيز الكسب وعرض النطاق. تظهر التكوينات PA وCA، التي تقدم عدم التماثل لقمع الـ OSB، تحسينات كبيرة في الكسب وعرض النطاق مقارنة بنموذج PS، حيث تحقق مكاسب قصوى تبلغ حوالي 27 ديسيبل و26.4 ديسيبل، على التوالي. يعزز تصميم TPA الأداء من خلال استراتيجية تقليص شعاعي، حيث يحقق كسب ذروة قدره 28.7 ديسيبل وعرض نطاق كسب -3 ديسيبل يتجاوز 6%.
يؤكد المؤلفون نتائجهم من خلال مزيج من محاكاة طريقة اللحظات (MoM) وتحليل بلوتش متعدد الأنماط، مما يؤكد أن التصميمات المقترحة تدعم كل من الأوضاع المتسربة العكسية والأمامية. تشير النتائج إلى أن التكوينات غير المتماثلة تقلل بشكل فعال من الـ OSB، مما يؤدي إلى استجابة كسب أكثر تسطحًا وعرض نطاق أوسع. يظهر تصميم TPA، بشكل خاص، كفاءة فتحة متفوقة بفضل تحسين تجانس المجال، متفوقًا على الهوائيات الأكبر حجمًا الحديثة. بشكل عام، تسلط الدراسة الضوء على فعالية تحسينات القائمة على موجات التسرب في تعزيز أداء الهوائيات مع الحفاظ على أشكال مدمجة.
DOI: https://doi.org/10.1109/tap.2026.3679721
Publication Date: 2026-04-08
Author(s): Beatrice Ambrogi et al.
Primary Topic: Advanced Antenna and Metasurface Technologies
Overview
The research presents a comprehensive modal and radiation analysis of periodically corrugated all-metal structures aimed at designing compact, high-gain optimized two-dimensional leaky wave antennas (LWAs). Two optimized antenna designs were introduced, demonstrating significant performance improvements over existing technologies. The optimization focused on maximizing gain and bandwidth at broadside, addressing limitations imposed by the open stopband (OSB) and the associated variations in the attenuation constant of the leaky mode. Notably, asymmetric unit cell geometries effectively suppressed the OSB, leading to enhanced gain and bandwidth performance.
The first antenna design achieved a -3 dB gain bandwidth of 6% with a peak gain of 26.9 dBi, while the second configuration, referred to as the CA model, provided a broader -3 dB bandwidth of 7% and a peak gain of 26.4 dBi. Both designs outperformed their symmetric counterparts. Additionally, a novel third antenna was optimized using a radial tapering strategy for both phase and attenuation constants, resulting in a -3 dB broadside gain bandwidth of 6.4% and a peak gain of 28.7 dBi. This tapered design also exhibited superior aperture efficiency compared to larger state-of-the-art designs, attributed to improved aperture field uniformity. All antennas demonstrated commendable cross-polarization levels, with maximum values around -25 dB in the slant plane (φ = 45°) and approximately -15 dB at 2° off broadside.
Introduction
The introduction of this research paper discusses the increasing interest in all-metal planar leaky-wave antennas (LWAs) due to their advantageous properties such as low profile, mechanical robustness, and low material losses, particularly for high-frequency applications in aerospace. A specific focus is placed on bull’s-eye LWAs, characterized by their 2-D configuration with radial periodicity, which can be constructed using annular metallic strip gratings or corrugated metal structures. Recent advancements have led to various designs of these antennas, which can be optimized using leaky-wave theory to enhance radiation features like directivity and efficiency.
The paper highlights the challenges associated with broadside radiation due to the open stopband (OSB) frequency, which causes impedance mismatching and limits gain. To address these issues, the authors propose a novel approach utilizing asymmetric corrugated unit cells (UCs) that suppress the OSB and enable dispersion-driven design optimization. This method enhances the gain/bandwidth tradeoff and leverages leaky-wave modal analyses to predict and improve radiation performance. The effectiveness of the proposed designs is validated through full-wave simulations, demonstrating superior performance compared to symmetric counterparts and existing state-of-the-art LWAs, while maintaining a compact electrical size.
Discussion
In this section, the authors present a detailed discussion of five novel all-metal 2-D “bull’s eye” antenna designs analyzed through leaky-wave theory. The designs include the Primary Symmetric (PS), Primary Asymmetric (PA), Complementary Symmetric (CS), Complementary Asymmetric (CA), and Tapered Primary Asymmetric (TPA) configurations. Each design aims to optimize radiation performance by addressing issues such as the omnidirectional sideband (OSB) and enhancing the gain and bandwidth. The PA and CA configurations, which introduce asymmetry to suppress the OSB, demonstrate significant improvements in gain and bandwidth compared to the PS model, achieving maximum gains of approximately 27 dBi and 26.4 dBi, respectively. The TPA design further enhances performance through a radial tapering strategy, achieving a peak gain of 28.7 dBi and a -3 dB gain bandwidth exceeding 6%.
The authors validate their findings through a combination of method of moments (MoM) simulations and multimodal Bloch analysis, confirming that the proposed designs support both backward and forward leaky modes. The results indicate that the asymmetric configurations effectively mitigate the OSB, leading to flatter gain responses and broader bandwidths. The TPA design, in particular, showcases superior aperture efficiency due to improved field uniformity, outperforming larger state-of-the-art antennas. Overall, the study highlights the effectiveness of leaky-wave-based optimizations in enhancing antenna performance while maintaining compact geometries.