CN101359775B - 一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法 - Google Patents

Abstract

一种二维沟槽定向微带贴片天线，其特征：首先确定贴片天线的工作频率f；然后选择金属板材料，金属板的厚度为h；在金属板中央区域放一微带贴片天线，利用同轴线对其进行馈电；接着在金属板的出射面，周期性地排布N1个环形“牛眼”沟槽，周期为P1，深度为d1，宽度为w1；最后紧接着在“牛眼”沟槽外，周期性地排布N2个环形传统沟槽，周期为P2，深度为d2，宽度为w2，制作完成；本发明结合“牛眼”沟槽结构对表面波的调制来提高天线的辐射性能和传统沟槽结构对金属板边沿表面波的抑制来减小后向辐射的原理，将两者集成并利用到微带贴片天线中，提高了天线辐射能量的前后比，并获得了显著增强的辐射增益，同时天线的波束宽度也得到了大幅度的压缩。

Description

一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法

技术领域

本发明涉及一种高辐射性能微带贴片天线的设计方法，特别涉及一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法。

背景技术

微带贴片天线由于具有成本低，重量轻，低剖面等特点在军用和民用领域都有很大的发展前景，但是这类天线也存在一些缺点，如由于表面波的损耗，天线的辐射效率很低，并且频率带宽极窄，又限制了它的发展。如何减小表面波的损耗，提高贴片天线的辐射性能成为天线领域研究的一个重点方向，常用的有以下两种方法：一是人工电磁波软表面，即传统周期沟槽结构，在软表面上任意极化的电场强度均为零，即沿着表面没有电磁波的辐射，所以使用传统周期沟槽结构可以抑制表面波的传播来提高天线的性能。另外一种方法则是近年来出现了一种新型结构——电磁禁带结构，它是一种周期性分布的人工结构，在特定的频率范围内能够有效地禁止电磁波的传播。如果贴片天线的工作频率在这种结构的禁带范围内，则可抑制表面波的传播，提高天线的辐射性能。这两种方法都是通过对表面波的抑制来提高天线的辐射性能，但是天线的增益增加的很小，一般为2dB左右。

近些年来在光波段又取得了一些令人振奋的结果：即当光通过环绕着环形沟槽结构(称作“牛眼”沟槽)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。这些新现象引起了许多研究人员的兴趣，H.J.Lezec等人利用金属表面等离子体的共振激发来解释这种沟槽产生的异常透射现象，即当使用周期沟槽结构的金属表面时，入射光能够获得额外来自光栅结构的倒晶格矢量而激发表面等离子体共振，于是在入射波长处可以增强透过率；在出射面上，由于表面等离子体能量耦合成出射光向自由空间辐射，在法线方向相干叠加，在离轴方向相消减弱，于是就出现了beaming效应。在光波段，表面波就是表面等离子体；而在微波和太赫兹波段，即使是金属为理想金属(PEC)，表面波由于在沟槽间的相互作用也是存在的。最近，光波段的周期沟槽结构已被放大到微波波段，并且相关实验已经证明：这种周期沟槽结构在微波波段也存在异常透射和beaming效应的现象。M.Bertete等人基于这一理论，利用“牛眼”沟槽结构设计了一种新型的低剖面缝隙馈电天线，可以大幅度提高天线的增益，但经过分析发现金属板边沿表面波的绕射比较严重，导致天线的后向辐射增强，降低了天线辐射能量的前后比。

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，提出了一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，利用“牛眼”沟槽结构调制表面波的能量分布，并使之二次辐射出去，可以大幅度提高微带贴片天线增益，同时在在“牛眼”沟槽结构外圈集成传统沟槽结构抑制表面波传播，减小后向辐射，从而提高天线辐射能量的前后比。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于步骤如下：

(1)确定贴片天线激励源的工作波长λ；

(2)选择一种金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在金属板上放上微带贴片天线作为辐射源，其中微带贴片天线和金属板之间用介质基底隔开。

(4)利用同轴线对微带贴片天线进行馈电；

(5)在金属板的出射面，微带贴片天线周围周期性排布N1个环形“牛眼”沟槽结构，沟槽的周期为P1，深度为d1，宽度为w1；

(6)在“牛眼”沟槽结构外紧接着周期性排布N2个传统沟槽结构，沟槽的周期为P2，深度为d2，宽度为w2；一种二维沟槽定向微带贴片天线设计完成。

所述步骤(2)中的金属板材料在微波波段选择为金属铝，其形状可以为正方形，矩形或圆形。

所述步骤(5)中的沟槽深度d1取值为0.18λ～0.22λ，沟槽宽度w1为0.5λ～0.7λ。

所述步骤(5)中的周期数目N1为大于等于1的整数，并且N1越大，微带贴片天线辐射产生的表面波受到“牛眼”沟槽调制地更充分，表面波能量大部分都二次辐射出去，因此该天线的增益也越大，但是N1增加到一定值，天线的增益会达到饱和，同时考虑到整个天线系统小型化的要求，这里根据具体需要来设置“牛眼”沟槽结构的周期数目N1。

所述步骤(5)中的“牛眼”沟槽结构沟槽周期确定过程如下所示：

根据以下公式(1)表面等离子体的色散关系和公式(2)光栅方程：

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

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sin \mathrm{\θ}\±N\frac{2\mathrm{\π}}{P1}---\left(2\right)$

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(空气)的介电常数，θ为入射方向跟法线的夹角，N代表衍射级次。由于在微波波段，金属的介电常数非常大(近似为10e6)，而空气的介电常数为1，根据公式(1)，近似得到k_sp≈k₀。但是在自由空间中，表面等离子体的波矢大于入射光的波矢，故k_sp略大于k₀，由于“牛眼”沟槽结构的微带贴片天线的辐射方向图呈beaming效应，即出射的能量局限在法线附近。根据互易原理，θ很小，取N＝1，于是根据公式(2)有耦合的表面等离子体波矢得到P1小于工作波长λ，即沟槽周期要小于工作波长。最后在整个天线系统仿真计算时，再对P1进行优化处理，获得最佳辐射性能的天线。

所述步骤(6)中的沟槽周期P2取值为0.1λ～0.3λ，沟槽深度d2取值为0.25λ，沟槽宽度w2取值为P2/4～P2/2和沟槽个数N2取为4～6个。

本发明与现有技术的相比所具有的优点在于：

1、本发明通过将“牛眼”沟槽应用到微带贴片天线中，该沟槽结构可以激发表面波的共振，并调制微带贴片天线的表面波能量分布，使其主要集中在沟槽附近，那么表面波能量的二次空间辐射与微带贴片天线向自由空间辐射的能量相干叠加，从而实现了高方向性，大幅度提高了微带贴片天线的增益，并且半功率波束宽度也得到了显著减小；

2、本发明通过在“牛眼”沟槽外延排布传统沟槽有助于抑制金属板边沿剩余表面波的绕射，从而可以来减小后向辐射，提高天线辐射能量的前后比；

3、本发明设计出的微波波段集成“牛眼”沟槽和传统沟槽结构，可以采用同轴馈电的微带贴片天线作为辐射源，从而取代光波段的平面波激励；

4、本发明设计所得的天线结构可以获得很高的增益，并且便于设计，而传统实现高增益辐射性能的方法则需采用微带阵列贴片天线，这样设计中馈电网络带来的欧姆损耗以及复杂的设计过程是不可避免的。

附图说明

图1为二维新型沟槽定向微带贴片天线剖面图；

图2为二维新型沟槽定向微带贴片天线俯视图；

图中：1为金属板材料，2为微带贴片天线，3为“牛眼”沟槽结构，4为传统沟槽结构，h为金属板的厚度，w1为“牛眼”沟槽的宽度，P1为“牛眼”沟槽的周期，d1为“牛眼”沟槽的深度，w2为传统沟槽的宽度，P2为传统沟槽的周期，d2为传统沟槽的深度。

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。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

本发明实施例的具体过程如下：

(1)选择微带贴片天线的工作频率为12.8GHz，可以得其波长为23.4mm；

(2)选择金属板材料为铝，其形状为正方形，厚度h为7mm；

(3)在金属板表面中央处放上一尺寸为6.6×6.6mm²微带贴片天线作为辐射源，金属板与天线间的介质基底为Rogers 5880(介电常数为2.2，半径为9.5mm，厚度为1.575mm)，并采用50欧的同轴线对微带贴片天线进行馈电，即在金属板中央附近打一小孔便于同轴线穿过，保证其内导体与微带贴片天线焊接在一起；

(4)在金属板的出射面，微带贴片天线周围排布有周期N1＝3的“牛眼”沟槽结构，沟槽的深度d1为4.6mm，沟槽宽度w1为15.5mm；

“牛眼”沟槽周期P1的确定过程如下所示：

根据以下公式(1)表面等离子体的色散关系和公式(2)光栅方程：

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

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sin \mathrm{\θ}\±N\frac{2\mathrm{\π}}{P1}---\left(2\right)$

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分别为金属和空气介质的介电常数，θ为入射方向跟法线的夹角，N代表衍射级次；由于在微波波段，金属的介电常数非常大(近似为10e6)，而空气的介电常数为1，根据公式(1)，可以近似得到k_sp≈k₀；但是在自由空间中，表面等离子体的波矢大于入射光的波矢，故k_sp略大于k₀，由于“牛眼”沟槽结构的微带贴片天线的辐射方向图呈beaming效应，即出射的能量局限在法线附近；根据互易原理，可以取θ≈0，取N＝1，于是根据公式(2)有耦合的SP波矢

可以得到P1小于λ，即沟槽周期要小于23.4mm；最后在整个天线系统仿真计算时，通过时域有限差分法(FDTD)对P1进行优化发现P1取为20mm时，天线辐射性能最佳；

(5)在“牛眼”沟槽结构外紧接着周期性排布N2＝5的传统沟槽结构，沟槽的周期P2为2.34mm，深度d2为5.86mm，宽度w2为1.17mm；一种二维沟槽定向微带贴片天线设计完成，其剖视图如图1所示，俯视图如图2所示；

(6)利用现有的数控加工及其它现有技术对所设计的二维沟槽定向微带贴片天线进行制作。

Claims (6)

1.一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)确定微带贴片天线的工作波长λ；

(2)选择一种金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在金属板表面中央处放上微带贴片天线作为辐射源，其中微带贴片天线和金属板之间用介质基底隔开；

(4)利用同轴线对微带贴片天线进行馈电；

(5)在金属板的出射面，微带贴片天线周围周期性排布N1个环形“牛眼”沟槽结构，沟槽的周期为P1，深度为d1，宽度为w1；

(6)在“牛眼”沟槽结构外紧接着周期性排布N2个传统沟槽结构，沟槽的周期为P2，深度为d2，宽度为w2；一种二维沟槽定向微带贴片天线设计完成。

2.根据权利要求1所述的一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于所述步骤(2)中的金属板材料在微波波段选择为金属铝，其形状为正方形，矩形或圆形。

3.根据权利要求1所述的一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于所述步骤(5)中的“牛眼”沟槽深度d1取值为0.18λ～0.22λ，沟槽宽度w1为0.5λ～0.7λ。

4.根据权利要求1所述的一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于所述步骤(5)中的“牛眼”沟槽周期数目N1为大于等于1的整数，并且N1越大，微带贴片天线辐射产生的表面波受到“牛眼”沟槽调制地更充分，表面波能量大部分都二次辐射出去，因此该天线的增益也越大，但是N1增加到一定值，天线的增益会达到饱和，同时考虑到整个天线系统小型化的要求，这里根据具体需要来设置“牛眼”沟槽结构的周期数目N1。

5.根据权利要求1所述的一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于所述步骤(5)中的“牛眼”沟槽结构沟槽周期P1确定过程如下所示：

根据以下公式(1)表面等离子体的色散关系和公式(2)光栅方程：

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

$k_{\mathrm{sp}}=k_0\sin \mathrm{\θ}\±N\frac{2\mathrm{\π}}{P1}---\left(2\right)$

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分别为金属和空气介质的介电常数，θ为入射方向跟法线的夹角，N代表衍射级次；由于在微波波段，金属的介电常数非常大，近似为10e6，而空气的介电常数为1，根据公式(1)，近似得到k_sp≈k₀，但是在自由空间中，表面等离子体的波矢大于入射光的波矢，故k_sp略大于k₀，由于“牛眼”沟槽结构的微带贴片天线的辐射方向图呈beaming效应，即出射的能量局限在法线附近；根据互易原理，θ很小，取N＝1，于是根据公式(2)有耦合的表面等离子体波矢

得到P1小于工作波长λ，即“牛眼”沟槽周期P1要小于工作波长λ；最后在整个天线系统仿真计算时，再对P1进行优化处理，获得最佳辐射性能的天线。

6.根据权利要求1所述的一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方法，其特征在于所述步骤(6)中的沟槽周期P2取值为0.1λ～0.3λ，沟槽深度d2取值为0.25λ，沟槽宽度w2取值为P2/4～P2/2和沟槽个数N2取为4～6个。

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