CN101719596A - 一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线。该天线由接地板和缝隙馈源两侧加载的若干周期排布沟槽结构组成，且缝隙与邻近沟槽间的距离小于沟槽周期。与传统的周期沟槽结构辐射机理不同，沟槽处的电场与缝隙处的电场相位相反，不能再把沟槽处看作为二次辐射源。此时，天线表面产生了另一种新颖的电磁振荡模式-两个相邻沟槽整体作为一个次级辐射源，向空间辐射能量。该新型天线不仅具有结构更加紧凑，设计更灵活的特点，与沟槽数相同的传统沟槽缝隙天线相比，本发明的H面压缩角更小，天线增益也有一定提高。

Description

一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线
技术领域
本发明涉及一种缝隙天线，特别是一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线。
背景技术
近来，H.J.Hezec et al.(文献：Science，297，820-820(2002))实验报道了在亚波长孔径周围加载一维或环形沟槽结构可以产生异常透射和波束角很窄的定向波束，引起了研究人员的广泛兴趣。随后有关其理论和应用不断出现，并且这种表面沟槽结构被拓展到更高波长处。在微波波段人们首先验证了加载沟槽结构后的异常透射和Beaming效应现象的存在，并把这种现象归结于表面等离子体的共振激发增强，以及表面等离子体波的远场衍射造成的。Beaming效应是一种非常有趣的现象，在许多领域都有潜在的应用，如激光准直，生物探测，以及高方向性天线等领域。
在天线领域，一维和环形沟槽结构已经应用到缝隙阵列和微带天线中，在电场极化方向上都能实现了笔直的波束，从而大幅度提高了天线的增益。然而，传统沟槽天线的沟槽结构周期近似波长，通常需要若干周期才能实现显著的beaming效应，使得整个天线尺寸太大，造成了口径利用率的低下，不能满足天线领域日益小型化的需求。
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，提供一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线，该天线改变原有沟槽缝隙天线的结构参数，使缝隙与邻近沟槽的间距小于沟槽周期，不仅具有结构更加紧凑，设计更灵活的特点，与沟槽数相同的传统沟槽缝隙天线相比，H面压缩角更小，提高了天线增益。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种提高口径效率的沟单馈源周期沟槽缝隙平板天线，所述沟槽缝隙平板天线由接地板和缝隙馈源两侧加载的若干周期排布沟槽结构组成，且缝隙与邻近沟槽间的距离小于沟槽周期，所述沟槽缝隙平板天线制作步骤如下：
(1)根据需要选择缝隙平板天线的工作频率和尺寸，包括接地板的长度、宽度和高度；
(2)缝隙馈源的长度在0.4λ-0.5λ范围内取初始值，宽度在0.1λ-0.005λ范围内取初始值，根据采用的波导形式确定缝隙馈源的长度L的初始值和宽度W1的初始值，λ为槽缝隙平板天线的工作波长；
(3)在缝隙馈源两端加载N个周期沟槽G，N为大于1的自然数；所述沟槽的深度H2小于0.25λ，沟槽的宽度W2小于0.2λ，沟槽的长度等于接地板的尺寸，沟槽与缝隙的中心间距P1小于0.5λ，沟槽周期P2在0.5λ和λ之间；
(4)利用商用CST电磁仿真软件建立天线模型，通过调节步骤(2)中的缝隙馈源的参数和步骤(3)中的沟槽参数进行扫描仿真，确定出一组结构参数，使天线增益达到最大，再仿真计算该组结构参数下的天线模型的回波损耗，观察加载的沟槽结构是否对天线性能有影响，如果沟槽结构影响了天线的中心谐振频率，则需调节缝隙的尺寸，使得天线的性能指标满足工程需求；
(5)利用现有的数控线切割或数控铣床加工及印刷电路板制版技术对沟槽进行制作，最后得到加载有周期沟槽的天线。
所述步骤(5)中的沟槽直接在金属板上铣出；
所述步骤(3)中沟槽的长度方向与缝隙馈源的电场谐振方向垂直。
本发明与现有技术的相比所具有的优点在于：不同于传统周期沟槽缝隙天线，本发明的天线缝隙与邻近沟槽的间距小于沟槽周期，这使得在天线表面产生了另一种新颖的电磁振荡模式。该模式促使天线不仅具有了结构更加紧凑，设计更灵活的特点，与沟槽数相同的传统沟槽缝隙天线相比，本发明的H面压缩角更小，天线增益也有一定提高。
附图说明
图1为本发明的沟槽缝隙平板天线的侧视图；
图2为本发明的沟槽缝隙平板天线的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例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实施例即可实现权利要求中的全部内容。
如图1、2所示，首先根据工程需要选定波导缝隙平板天线的工作频率为14.5GHz，即工作波长约为20.7mm；确定接地板J的高度H1为5mm，接地板J的长度W为179mm，接地板宽度L为60mm。
本实施例采用缝隙偶极子谐振模式，天线缝隙S的长度在0.4λ-0.5λ范围内取初始值，宽度在0.1λ-0.005λ范围内取初始值，根据采用的波导形式确定缝隙长度L1初始值为10mm，缝隙宽度W1初始值为1.5mm，缝隙到邻近沟槽G1的中心间距P1初始值为9mm；沟槽G的数目N确定为5，沟槽的宽度W2初始值为2.0mm，沟槽的深度H2初始值为3mm，沟槽的周期P2初始值为14mm，沟槽的长度等于接地板的长度L为60mm，沟槽的长度方向与阵列单元电场谐振方向垂直。
首先针对天线增益，利用商用CST电磁仿真软件对天线模型进行优化仿真，改变沟槽结构包括邻近沟槽到缝隙的中心间距P1、沟槽宽度W1、沟槽深度H2和沟槽周期P2等以上共计四个参数进行扫描仿真。仿真结果发现，当P1＝7.1mm、W2＝2.7mm、H2＝3.3mm、P2＝19mm时，天线增益达到最高值。然后针对以上最优沟槽参数，仿真计算阵列天线的回波损耗，发现加载的沟槽结构影响了天线的中心谐振频率，需调节缝隙的尺寸，使得阵列天线的性能指标满足工程需求。最后的仿真结果显示，缝隙长度L1为10.1mm、缝隙宽度W1为2.0mm时，天线的中心频率回到了14.5GHz，且天线增益显著提高，达到了16.51dB。与沟槽数相同的传统沟槽缝隙天线相比，本发明的H面压缩角由33.3°降至22.8°，天线增益也提高了1.4dB。
最后，利用现有的数控线切割或数控铣床加工技术对所设计的沟槽进行制作，沟槽直接在金属板上铣出，最后得到加载有沟槽结构和介质的缝隙阵列天线。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (3)

1.一种单馈源周期沟槽缝隙平板天线，其特征在于：所述沟槽缝隙平板天线由接地板和缝隙馈源两侧加载的若干周期排布沟槽结构组成，且缝隙与邻近沟槽间的距离小于沟槽周期，所述沟槽缝隙平板天线制作步骤如下：
(1)根据需要选择缝隙平板天线的工作频率和尺寸，包括接地板的长度、宽度和高度；
(2)缝隙馈源的长度在0.4λ-0.5λ范围内取初始值，宽度在0.1λ-0.005λ范围内取初始值，根据采用的波导形式确定缝隙馈源的长度L的初始值和宽度W1的初始值，λ为槽缝隙平板天线的工作波长；
(3)在缝隙馈源两端加载N个周期沟槽，N为大于1的自然数；所述沟槽的深度H2小于0.25λ，沟槽的宽度W2小于0.2λ，沟槽的长度等于接地板的长度，沟槽与缝隙的中心间距P1小于0.5λ，沟槽周期P2在0.5λ和λ之间；
(4)利用商用CST电磁仿真软件建立天线模型，通过调节步骤(2)中的缝隙馈源的参数和步骤(3)中的沟槽参数进行扫描仿真，确定出一组结构参数，使天线增益达到最大，再仿真计算该组结构参数下的天线模型的回波损耗，观察加载的沟槽结构是否对天线性能有影响，如果沟槽结构影响了天线的中心谐振频率，则需调节缝隙的尺寸，使得天线的性能指标满足工程需求；
(5)利用现有的数控线切割或数控铣床加工及印刷电路板制版技术对沟槽进行制作，最后得到加载有周期沟槽的天线。
2.根据权利要求1中所述的一种单馈源阵列沟槽缝隙平板天线，其特征在于：所述步骤(5)中的沟槽直接在金属板上铣出。
3.根据权利要求1中所述的一种单馈源阵列沟槽缝隙平板天线，其特征在于：所述步骤(3)沟槽长度方向与缝隙馈源电场谐振方向垂直。
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