CN101174726B - 一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其具体特征如下：首先确定天线激励源的工作波长λ；然后选择金属板材料，金属板的厚度为h；在金属板中间开串行的金属缝隙结构，所开的金属缝隙的个数为M，宽度为w₁，长度为L；激励源从金属板下方垂直于金属表面入射，从金属板上方金属表面出射；在金属板的出射面，金属缝隙结构的两侧并行排布N个对称的有限沟槽，沟槽的周期为P，深度为d，宽度为w₂；本发明将一维周期沟槽结构应用到波导缝隙阵列天线中，极大的提高了天线的方向性，同时，该天线的增益也得到了极大的提高。

Description

一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法

技术领域

本发明涉及一种高增益微波天线的设计方法，特别涉及一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法。

背景技术

近几年，根据Bethe所描述的经典衍射理论，一束波长为λ的光，通过半径为r(r＜λ)的亚波长孔径时，透过率非常小，近似为(r/λ)⁴，并且透过小孔的光将沿各个方向传播；然而，当光通过环绕着周期沟槽结构的亚波长孔径或亚波长金属孔阵列时，将会表现出非常奇异的光学效应：即透过率异常增强和远场的beaming效应，这引起了人们极大的兴趣，关于这种奇特现象的物理起源，H.J.Lezec等人利用金属表面等离子体的共振激发来解释沟槽结构的异常透射现象；接着L.Martin-Moreno等人基于同样的观点利用衍射理论和电磁场理想边界条件建立了一维周期沟槽结构的理论模型；后来大量的相关理论和实验结果都证明是表面等离子体的共振导致了亚波长孔径光的异常透射和beaming效应。

近来，人们利用光波段亚波长孔径的异常透射机制将沟槽结构放大到微波波段，S.SenaAkarca-Biyiki等人通过实验验证了微波通过周围有一维光栅结构的亚波长狭缝时也存在异常透射特性；M.J.Lockyear等人对微波通过环绕着环形周期沟槽结构的亚波长圆形孔径的异常透射现象和远场定向辐射特性进行了研究，并仔细分析了透过率的增强机制认为：由于近场衍射，在出射面形成的近似驻波特性的表面波主导着透过率的大小；M.Bertete等人基于这种周期沟槽结构能产生的异常透射和beaming现象的特点，设计了一种低剖面牛眼馈电天线，将平板缝隙天线的增益提高了约15dB，这是他们第一次将环形沟槽结构应用到天线领域。由于环形沟槽结构局限于单个缝隙馈电阵元，无法应用到缝隙阵列天线中。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，通过对沟槽结构的形状进行重新设计，并且对其各参数进行重新确定，提供了一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的设计方法。

本发明解决其技术解决问题所采用的技术方案：一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定天线激励源的工作波长λ；

(2)选择金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在金属板中间开串行的金属缝隙结构，所开的金属缝隙的个数为M，宽度为w₁，长度为L，缝隙之间的间隔为L₁；

(4)激励源从金属板下方垂直于金属表面入射，从金属板上方金属表面出射；

(5)在金属板的出射面，金属缝隙结构的两侧并行嵌入N个对称的有限沟槽，沟槽的周期为P，深度为d，宽度为w₂；一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线设计完成；

(6)利用现有加工技术对所设计的高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线进行制作。

所述步骤(2)中的金属板材料为可以激发表面电磁波的金属铝。

所述步骤(2)中的金属层的厚度h为5～10mm。

所述步骤(3)中的宽度w₁应该远远小于工作波长λ，长度L为λ/3到λ/1.5，缝隙间隔L₁应小于入射波长λ。

所述步骤(3)中的金属缝隙的个数M越大，所获得的增益越大，并且出射的波束宽度越窄。

所述步骤(5)中的沟槽深度d取值为0.1λ到0.2λ，沟槽宽度w₂为0.05λ到0.15λ。

所述步骤(5)中的周期数目N为大于等于1的整数，并且N越大，出射波获得的增益越大，但是当N＞6时，天线的增益达到饱和，所以取N＝6。

所述步骤(5)中的沟槽周期确定过程如下所示：

在公式(1)和公式(2)中给出了表面等离子体的色散关系和光栅方程：

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(1\right)$

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sin \mathrm{\θ}\±N_0\frac{2\mathrm{\π}}{P}---\left(2\right)$

其中k_sp和k₀分别为表面等离子体和入射波的波矢，ε_m和ε₀分别为金属和介质的介电常数，θ为入射方向跟法线的夹角，N₀代表衍射级次，由于工作波长是在微波波段，金属的介电常数非常大，而空气的介电常数为1，因此ε_m＞＞ε₀，可以得到k_sp≈k₀，又因为在自由空间中，表面等离子体的波矢大于入射波的波矢，故k_sp大于k₀，由于出射方向集中在法线附近，根据互易定理，可以取θ≈0，取N₀＝1，于是有

所以由k_sp大于k₀，可以得到P小于λ，即沟槽周期应该小于入射波长，然后再通过采用HFSS软件对P进行最优化处理。

本发明与现有技术相比所具有的优点是：

1、本发明通过将一维周期沟槽结构应用到波导缝隙阵列天线中，使得该沟槽结构可以激发表面波的产生，并且表面波的激发共振和缝隙辐射出的能量会在远场相干叠加，因此使得半功率波束宽度明显减小，极大的提高了天线的方向性，同时，该天线的增益也得到了极大的提高；

2、本发明设计出的微波波段的周期沟槽结构，可以采用传统的金属波导对其进行馈电，取代了光波段的平面波激励；

3、跟环形沟槽结构相比：环形沟槽结构只能局限于单个缝隙馈电阵元，而本发明采用的一维周期沟槽结构，可以应用到波导缝隙阵列天线中；

4、本发明设计所得的天线结构可以在一个平面上进行制作成形，避免了高剖面天线在制作中带来的困难。

附图说明

图1为该波导阵列天线剖面图；

图2为该波导阵列天线俯视图；

图中：1为金属板材料，2为周期沟槽结构，3为缝隙阵列，4为馈源，w₁为馈源缝隙宽度，w₂为所开的金属槽的宽度，h为金属板的厚度，p为沟槽周期，d为槽的深度，L₁为馈源缝隙之间的间隔，L为馈源缝隙长度。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。

本发明实施例的具体过程如下：

(1)选取工作频率为13GHz的天线激励源，可以得知其波长λ为23mm。；

(2)选择金属板材料为铝，其厚度h为6mm；

(3)在金属板中间开串行排布的四个缝隙结构，缝隙宽度w₁为1mm，长度L为11.5mm，缝隙之间的间隔L₁为20mm，如图1和图2所示；

(4)激励源从金属板下方垂直于金属表面入射，从金属板上方金属表面出射；

(5)在金属板的出射面，金属缝隙结构的两侧串行嵌入6个有限沟槽结构，取沟槽深度d为3.6mm，沟槽宽度w₂为2.8mm；

沟槽周期P确定过程如下所示：

在公式(1)和公式(2)中给出了表面等离子体的色散关系和光栅方程：

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sqrt{\frac{{\mathrm{\ϵ}}_m{\mathrm{\ϵ}}_0}{{\mathrm{\ϵ}}_m+{\mathrm{\ϵ}}_0}}---\left(1\right)$

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sin \mathrm{\θ}\±N_0\frac{2\mathrm{\π}}{P}---\left(2\right)$

其中k_sp和k₀分别为表面等离子体和入射波的波矢，ε_m和ε₀分别为金属的介电常数和介质的介电常数，θ为入射方向跟法线的夹角，N₀代表衍射级次，由于工作波长是在微波波段，金属的介电常数非常大，而空气的介电常数为1，因此ε_m＞＞ε₀，可以得到k_sp≈k₀，又因为在自由空间中，表面等离子体的波矢大于入射波的波矢，故k_ep大于k₀，由于出射方向集中在法线附近，根据互易定理，可以取θ≈0，取N₀＝1，于是

所以由k_sp大于k₀，即

可以得到P小于λ，即沟槽周期P应该小于23mm，再通过采用HFSS软件进行模拟计算，此时沟槽周期P为20mm时效果最佳；一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线设计完成，如图1和图2所示；

(6)利用现有加工技术对所设计的高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线进行制作。

Claims (8)

1.一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于以下步骤：

(1)确定天线激励源的工作波长λ；

(2)选择金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在金属板中间开串行的金属缝隙结构，所开的金属缝隙的个数为M，宽度为w₁，长度为L，缝隙之间的间隔为L₁；

(4)激励源从金属板下方垂直于金属表面入射，从金属板上方金属表面出射；

(5)在金属板的出射面，金属缝隙结构的两侧并行嵌入N个对称的有限沟槽，沟槽的周期为P，深度为d，宽度为w₂；一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线设计完成；

(6)利用现有加工技术对所设计的高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线进行制作。

2.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(2)中的金属板材料为可以激发表面电磁波的金属铝。

3.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(2)中的金属板的厚度h为5～10mm。

4.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(3)中的宽度w₁应该远远小于工作波长λ，长度L为λ/3到λ/1.5，缝隙间隔L₁应小于入射波长λ。

5.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(3)中的金属缝隙的个数M越大，所获得的增益越大，并且出射的波束宽度越窄。

6.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(5)中的沟槽深度d取值为0.1λ到0.2λ，沟槽宽度w₂为0.05λ到0.15λ。

7.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(5)中的周期数目N为大于等于1的整数，并且N越大，出射波获得的增益越大，但是当N＞6时，天线的增益达到饱和，所以取N＝6。

8.根据权利要求1所述的一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的制作方法，其特征在于，步骤(5)中的沟槽周期确定过程如下所示：

在公式(1)和公式(2)中给出了表面等离子体的色散关系和光栅方程：

其中k_sp和k₀分别为表面等离子体和入射波的波矢，ε_m和ε₀分别为金属的介电常数和介质的介电常数，θ为入射方向跟法线的夹角，N₀代表衍射级次，由于工作波长是在微波波段，金属的介电常数非常大，而空气的介电常数为1，因此ε_m＞＞ε₀，可以得到k_sp≈k₀，又因为在自由空间中，表面等离子体的波矢大于入射波的波矢，故k_sp大于k₀，由于出射方向集中在法线附近，根据互易定理，可以取θ≈0，取N₀＝1，于是有 所以由k_sp大于k₀，可以得到P小于λ，即沟槽周期应该小于入射波长，然后再通过采用HFSS软件对P进行最优化处理。