CN101170217A - 180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线 - Google Patents

Abstract

180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线，本发明涉及波导漏波天线，它解决了现有天线扫描范围小、不完全具备稳定的传输特性、结构复杂、难加工、损耗高的缺点。它的矩形波导(1)的上表面纵向开有一组周期长度为p并与矩形波导(1)的腔体连通的矩形槽型波纹结构(4)，波纹结构(4)的长边(A)为l₂，厚度(B)为w，高度(C)为d，其长边(A)与矩形波导(1)宽边(E)平行，矩形波导(1)的窄边(F)为b，宽边(E)为l₁，矩形波导(1)的腔体内填充有介质(3)，电介质(2)填充于波纹结构(4)内，电介质(2)和介质(3)满足如下关系：μ₁＝μ₂＝1，ε₁＞ε₂，l₁＞b，l₁≥l₂，

，f_c2＜f_c1，其中c＝3.0×10⁸m/s为电磁波在真空中的传播速度。本发明具有扫描范围大，传输稳定、结构简单的特点。

Description

180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线

技术领域

本发明涉及一种波导漏波天线。

背景技术

漏波天线作为一种常规天线人们在数十年前就对它进行了深入的研究。通常来说，它是一种快波传输结构，由于辐射特性其行波具有连续的辐射能量损耗。经典的漏波天线是在沿着波导传播方向上开槽，这种漏波天线具有频率扫描特性，其空间扫描角度随着频率变化，但是传统的漏波天线只支持前向空间0～90°扫描，只具有右手传输模式，如图1所示。

最近，左手介质由于具有负介电常数和负磁导率，展现了一系列反常电磁特性，如负折射、后向波、逆多普勒效应等，在电磁学、物理学、光学领域受到了越来越多的关注。人们已经对基于波导结构的左手介质进行了一些理论和实验研究。最早的研究是填充开口谐振环(SRRs)的小型化波导，该波导工作在主模(TE模)的截止频率以下，具有左手传输特性，但是填充开口谐振环(SRRs)的谐振结构不可避免的会导致工作带宽窄，损耗大等缺点。后来，人们还提出了利用消逝TM模式构造左手波导的设计思想。但是这些研究成果都存在左手传输频率区间和右手传输频率区间难以衔接，进而平衡复合左右手传输线特性不易实现的缺点，因而无法设计180°空间连续扫描能力的波导漏波天线。值得注意的是，Eshrah等人提出了波纹矩形波导构造的复合左右手传输线性的波导传输线左手介质，从而有效的避免填充开口谐振环(SRRs)的谐振特性，有利于宽带、低损耗复合左右手波导的实现。然而，利用该左手波导设计这种复合左右手波导漏波天线时也存在不可避免的缺陷，其需要在波导宽边E或者窄边再次开槽，增加设计难度，甚至会破坏波导固有的传输特性，从而不能有效实现后向到前向的连续漏波辐射。

发明内容

本发明为了解决现有漏波天线中空间扫描范围小，不完全具备稳定的传输特性、辐射特性和无盲区的连续扫描能力，以及结构复杂、难加工、损耗高的缺点，而提出了180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线。

本发明由矩形波导1、电介质2和介质3组成；矩形波导1的上表面纵向开有一组周期长度为p并与矩形波导1的腔体连通的矩形槽型波纹结构4，波纹结构4的长边A的长度为l₂，波纹结构4的厚度B为w，波纹结构4的高度C为d，波纹结构4长边A与矩形波导1宽边E平行，矩形波导1的腔体的宽边E的宽度为l₁，矩形波导1的腔体的窄边F的长度为b，矩形波导1的腔体内填充有介质3，介质3的相对介电常数为ε₂、相对磁导率为μ₂，电介质2填充于波纹结构4内，电介质2的相对介电常数为ε₁、相对磁导率为μ₁，电介质2和介质3满足如下关系：μ₁＝μ₂＝1，ε₁＞ε₂，l₁＞b，l₁≥l₂， $f_{c1}=\frac{c}{2l_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\μ}}_1}},$ $f_{c2}=\frac{c}{2l_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\μ}}_2}},$ f_c2＜f_c1，其中c＝3.0×10⁸m/s为电磁波在真空中的传播速度。

本发明利用左手介质的基本理论，通过串联电容效应和并联电感效应获得负介电常数和负磁导率，从而实现左手介质，它通常具有较宽的频带和较低的损耗。本发明的矩形波导在截止频率以下表现出并联负电感效应，而终端开口的电介质填充波纹表现出串联负电容效应(不同于相同长度终端短路的电介质填充波纹的串联负电感效应)，从而在波导截止频率以下实现了左手传输特性(相位常数为负)，同时这种特殊设计方式并不影响矩形波导截止频率以上的右手传播特性(相位常数为正)。加载在矩形波导上的周期性波纹结构由于终端开口，本身就具有漏波辐射特性，因此合理设计结构尺寸参数，能够实现左手区域和右手区域无缝链接的180°连续空间扫描，扫描范围是传统漏波天线的两倍。支持左手和右手模式的复合左右手传输线在天线当中展现了较高的应用价值。

附图说明

图1是传统漏波天线辐射示意图；图2是本发明的结构示意图；图3是图2的A-A剖视图；图4是图3的B-B剖视图；图5是图3的B-B剖视图；图6是本发明的180°连续空间扫描示意图；图7是具体实施方式五的漏波天线色散关系图；图8是具体实施方式五的漏波天线方向性示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式由矩形波导1、电介质2和介质3组成；矩形波导1的上表面纵向开有一组周期长度为p并与矩形波导1的腔体连通的矩形槽型波纹结构4，波纹结构4的长边A的长度为l₂，波纹结构4的厚度B为w，波纹结构4的高度C为d，波纹结构4长边A与矩形波导1宽边E平行，矩形波导1的腔体的宽边E的宽度为l₁，矩形波导1的腔体的窄边F的长度为b，矩形波导1的腔体内填充有介质3，介质3的相对介电常数为ε₂、相对磁导率为μ₂，电介质2填充于波纹结构4内，电介质2的相对介电常数为ε₁、相对磁导率为μ₁，电介质2和介质3满足如下关系：μ₁＝μ₂＝1，ε₁＞ε₂，l₁＞b，l₁≥l₂， $f_{c1}=\frac{c}{2l_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\μ}}_1}},$ $f_{c2}=\frac{c}{2l_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\μ}}_2}},$ f_c2＜f_c1，其中c＝3.0×10⁸m/s为电磁波在真空中的传播速度。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于介质3的相对介电常数为1＜ε₂＜15，相对磁导率为μ₂＝1，介质3包括空气。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：  本实施方式与具体实施方式一不同点在于0.2f_c1＜f_c2＜0.6f_c1，其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2、图3、图4和图5说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于电介质2的相对介电常数ε₁为1.008，介质3的相对介电常数ε₂为2.32，在工作频段为2～12GHz的范围内，矩形波导1上表面开设波纹结构4的周期长度p为0.2mm～2mm，波纹结构4的长边A的长度l₂为12.5～75mm，波纹结构4的厚度B的长度w为0.1mm～2mm，波纹结构4的高度C的长度d与矩形波导1上表面壁厚为0.4mm～6mm，矩形波导1的腔体的宽边E的宽度l₁为12.5～75mm，矩形波导1的腔体的窄边F的长度b为0.8mm～37mm；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图2、图3、图4、图5、图6和图7说明本实施方式，本实施方式中的介质2的相对介电常数ε₁为1.008，介质3的相对介电常数ε₂为2.32，矩形波导1上表面开设波纹结构4的周期长度p为1mm，波纹结构4的长边A的长度l₁与矩形波导1的腔体的宽边E的宽度l₁为16mm，波纹结构4的宽边E的宽度为w为0.2mm，波纹结构4的高度C为d与矩形波导管1上表面壁厚为2.1mm，矩形波导1的腔体的窄边F的长度b为2mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。本实施方式的效果：本实施方式的漏波天线能在7.45GHz以上的快波区域实现前后向连续空间扫描(-90°～90°)，且左手区间和右手区间的交点在f＝9.36GHz处，如图6。以三个频点举例(7.70GHz，9.36GHz和11.90GHz)，如图7，从图中可以明显的看到该新型漏波天线从左手到右手频率区域，具有随着频率变化的后向到前向的空间波束扫描能力，这完全不同于传统漏波天线只能支持前向扫描的特性。同时，我们得到其在f＝9.36GHz处的零角度辐射特性，其刚好在左手和右手区域的交界处。计算结果还表明，随着频率从7.50GHz上升到11.90GHz，其波束扫描角会相应的从-52°到28°连续变化。

Claims (3)

1.180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线，其特征在于它由矩形波导(1)、电介质(2)和介质(3)组成；矩形波导(1)的上表面纵向开有一组周期长度为p并与矩形波导(1)的腔体连通的矩形槽型波纹结构(4)，波纹结构(4)的长边(A)的长度为l₂，波纹结构(4)的厚度(B)为w，波纹结构(4)的高度(C)为d，波纹结构(4)长边(A)与矩形波导(1)宽边(E)平行，矩形波导(1)的腔体的宽边(E)的宽度为l₁，矩形波导(1)的腔体的窄边(F)的长度为b，矩形波导(1)的腔体内填充有介质(3)，介质(3)的相对介电常数为ε₂、相对磁导率为μ₂，电介质(2)填充于波纹结构(4)内，电介质(2)的相对介电常数为ε₁、相对磁导率为μ₁，电介质(2)和介质(3)满足如下关系：μ₁＝μ₂＝1，ε₁＞ε₂，l₁＞b，l₁≥l₂， $f_{c1}=\frac{c}{2l_1\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_1{\mathrm{\μ}}_1}},$ $f_{c2}=\frac{c}{2l_2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_2{\mathrm{\μ}}_2}},$ f_c2＜f_c1，其中c＝3.0×10⁸m/s为电磁波在真空中的传播速度。

2.根据权利要求1所述的180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线，其特征在于介质(3)的相对介电常数为1＜ε₂＜15，相对磁导率为μ₂＝1。

3.根据权利要求1所述的180°连续空间扫描的复合左右手波导漏波天线，其特征在于0.2f_c1＜f_c2＜0.6f_c1。

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