CN101719597B - 一种介质加载型周期沟槽缝隙天线 - Google Patents

Abstract

一种介质加载型周期沟槽缝隙天线，首先确定天线的工作频率f；然后选择金属板材料；在金属板中央区域开一长度为sl，宽度为sw金属缝隙结构，波导结构作为激励源放在金属板下方激励该金属缝隙。接着在金属板的出射面，对称地排布若干周期沟槽结构，沟槽的周期为p，深度为d以及宽度为w，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为p1，此外在相邻金属沟槽之间加载介电常数为ε，厚度为t的介质。本发明与传统的周期沟槽缝隙天线相比，利用加载的介质减小了天线的口径尺寸，并且还能够有效地激发出更多的表面能量，增加了向自由空间辐射的能量，从而进一步提高了天线的辐射性能，尤其是E和H面的波束角都得到了大幅度的压缩，方向性显著增强。

Description

一种介质加载型周期沟槽缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种高辐射性能缝隙天线的设计方法，特别涉及一种介质加载型周期沟槽缝隙天线。

背景技术

近来，H.J.Hezec等学者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，大多数学者把上述奇异现象的物理机制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，并且把这种表面沟槽结构拓展到了太赫兹，微波波段。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。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笔直的波束，从而大幅度提高了天线的增益。然而该沟槽结构的周期近似波长，通常需要若干周期才能实现beaming效应，于是使得整个天线尺寸太大，造成了口径利用率的低下，不能满足天线日益小型化的需求。因此在不牺牲天线性能的前提下，如何减小沟槽的周期，从而缩小天线口径成为了人们需要研究的课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对传统周期沟槽缝隙天线中的沟槽结构周期近似波长，使得天线口径较大的问题，提供一种介质加载型周期沟槽缝隙天线，实现在缩小天线口径的同时，提高了缝隙天线的辐射性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种介质加载型周期沟槽缝隙天线，其特征在于步骤如下：

(1)确定缝隙天线的工作频率f；

(2)选择金属板材料，金属板的厚度为h，h的大小满足实际金属加工即可，这里h等于沟槽深度d+(1～3mm)；

(3)在所述金属板的中央开一缝隙结构，其长度为sl，宽度为sw，并在金属板下方缝隙结构的背后相应地加载波导结构作为激励源，激励缝隙；所述金属缝隙的长度0.4λ＜sl＜0.55λ，sw为1-2mm；当金属缝隙结构的长度sl＞0.55λ时，所述金属缝隙的长度sl与金属板厚度h，波长λ的三者之间关系满足 ${\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2={\left(\frac{1}{2\mathrm{sl}}\right)}^2+{\left(\frac{1}{2h}\right)}^2,$ 然后分别对sl和h进行优化，如先给出sl的一个初始值，取0.6λ～0.75λ之间比较适中，然后算出h，在仿真软件中对h进行优化，当S11在中心频率处优化到小于-10dB后，再对h或sl进行微调；

(4)在金属板的出射面，金属缝隙两端对称排布N个周期沟槽结构，沟槽的周期为P，深度为d，宽度为w，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为P1；所述沟槽周期P为0.5λ-0.8λ，沟槽深度d为0.05λ-0.2λ，沟槽宽度w为0.05λ-0.15λ，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离P1＜0.5λ；

(5)在相邻沟槽结构之间加载介电常数为ε，厚度为t的介质；一种介质加载型周期沟槽缝隙天线设计完成；

(6)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所设计的介质加载型周期沟槽缝隙天线进行制作。

步骤(2)中的金属板为铝，其形状为正方形或矩形。

所述步骤(3)中的波导结构为标准的矩形波导结构，其电场偏振方向与沟槽方向垂直。

所述步骤(4)中的沟槽周期数目N为大于1的整数，并且N越大，能够激发出的表面波就越多，从而能够调制更多的表面波并使其二次辐射出去，当N达到6时，单个天线的增益会达到饱和。

所述步骤(5)中的介质，其介电常数ε取值为6-12。

所述的介质为微波板材，其厚度t为0.5-2mm。

本发明与现有技术的相比所具有的优点在于：

(1)本发明的介质加载型周期沟槽缝隙天线与传统的周期沟槽缝隙天线相比，天线口径尺寸更小，天线性能得到进一步增强，至少没有削弱。

(2)本发明所加载的高介电常数介质在减小相邻沟槽之间的物理间隔时，还能激发出更多的表面波，从而使得更多的表面电磁能量被沟槽调制，二次辐射出去，增加天线的增益。

(3)本发明的天线仅通过一个缝隙就能得到很高的增益，相比传统阵列天线设计更为简单，相比通过加载覆层材料实现高增益的天线结构又具有低剖面的优势。

附图说明

图1为介质加载型周期沟槽缝隙天线剖面图；

图2为介质加载型周期沟槽缝隙天线俯视图；

图中：1为辐射缝隙，2为周期沟槽结构，3为金属板，4为加载的介质结构，，h为金属板的厚度，w为沟槽的宽度，P为沟槽的周期，d为沟槽的深度，P1为第一个沟槽距离辐射缝隙的距离，t为加载介质的介电常数，sl为辐射缝隙的长度，sw为辐射缝隙的宽度。

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。

下面通过实施例，进一步说明本发明的实现过程。

(1)选择缝隙天线的工作频率为14.5GHz，可以得其波长为20.69mm；

(2)选择金属板材料为铝；

(3)在金属板中央开一尺寸为10.10mm×1.5mm的金属缝隙，作为辐射源，此时金属的厚度仅需大于沟槽深度，满足实际加工要求即可。而当缝隙长度为13.5mm时，根据 ${\left(\frac{1}{\mathrm{\λ}}\right)}^2={\left(\frac{1}{2\mathrm{sl}}\right)}^2+{\left(\frac{1}{2h}\right)}^2$ 可以计算出金属板厚度的初始值h＝8.6mm，然后优化该参数为h＝13mm，同时微调sl＝13.4mm。同样可以使天线在14.5GHz谐振。在金属板的下方，加载一矩形截面的波导(尺寸为15.799mm×7.898mm)作为馈源，激励辐射缝隙。

(4)在金属板的出射面，辐射缝隙的两端排布有周期N＝5的周期沟槽结构，沟槽的深度d为2.7mm，沟槽的宽度w为2.4mm，沟槽的周期p为11.8mm，第一个沟槽距离缝隙中央的距离为P1＝9.1mm。这里可以判断金属板的厚度h可为5mm

(5)在相邻沟槽之间加载介电常数ε＝9.8，厚度为1.5mm的介质材料Rogers TMM 10i，至此，一种介质加载型周期沟槽缝隙天线设计完成。

(6)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所设计的介质加载型周期沟槽缝隙天线进行制作。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

Claims (6)

1.一种介质加载型周期沟槽缝隙天线的制作方法，其特征在于：所述缝隙天线的制作如下：

(1)确定缝隙天线的工作频率f；

(2)选择金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在所述金属板的中央开一金属缝隙，其长度为sl，宽度为sw，并在金属板下方金属缝隙的背后相应地加载波导结构作为激励源，激励金属缝隙；所述金属缝隙的长度0.4λ＜sl＜0.55入，sw为1-2mm；当金属缝隙的长度sl＞0.55λ时，所述金属缝隙的长度sl与金属板厚度h，波长λ的三者之间关系满足 

然后分别对sl和h进行优化；

(4)在金属板的出射面，金属缝隙两端对称排布N个周期沟槽，沟槽的周期为P，深度为d，宽度为w，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离为P1；所述沟槽周期P为0.5λ-0.8λ，沟槽深度d为0.05λ-0.2λ，沟槽宽度w为0.05λ-0.15λ，第一个沟槽距离金属缝隙中央的距离P1＜0.5λ；

(5)在相邻沟槽之间加载介电常数为ε，厚度为t的介质；一种介质加载型周期沟槽缝隙天线设计完成；

(6)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所设计的介质加载型周期沟槽缝隙天线进行制作。

2.根据权利要求1中所述的一种介质加载型周期沟槽缝隙天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(2)中的金属板为铝，其形状为正方形或矩形。

3.根据权利要求1中所述的一种介质加载型周期沟槽缝隙天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(3)中的波导结构为标准的矩形波导结构，其电场偏振方向与沟槽方向垂直。

4.根据权利要求1中所述的一种介质加载型周期沟槽缝隙天线的制作方法，其特征在于所述步骤(4)中的沟槽周期数目N为大于1的整数，并且N越大，能够激发出的表面波就越多，从而能够调制更多的表面波并使其二次辐射出去，当N达到6时，单个天线的增益会达到饱和。

5.根据权利要求1中所述的一种介质加载型周期沟槽缝隙天线的制作方法，其特征在于：所述步骤(5)中的介质，其介电常数ε取值为6-12。

6.根据权利要求1或5中所述的一种介质加载型周期沟槽缝隙天线的制作方法，其特 征在于：所述的介质为微波板材，其厚度t为0.5-2mm。 

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