CN104241862A - 一种基于超表面的宽带低副瓣天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属板上的平面介质基板，及在其上刻蚀的金属图案。本发明通过将天线口面电场调整为锥削分布，使得天线能够在很宽频带内实现低副瓣，并且本发明的设计方法也适用于其他频带。

Description

一种基于超表面的宽带低副瓣天线

技术领域

本发明涉及一种低副瓣天线，更具体地说，涉及一种基于超表面，能够工作在较宽频带内的低副瓣天线。

背景技术

传统角锥喇叭天线是由矩形波导终端张开而成，是一种增益较高、结构简单的面天线。传统角锥喇叭天线在工程领域有着广泛的应用，可以充当反射面天线和平板透镜天线的馈源。传统角锥喇叭的E面电场分布较为平均，H面电场分布呈锥削分布，所以传统角锥喇叭的H面副瓣较低，但传统角锥喇叭天线E面副瓣较高，不能满足对馈源低副瓣的要求。

在现有技术中，出现了一些其他形式的低副瓣天线，例如波纹喇叭。波纹喇叭是通过在圆锥喇叭内部开槽，将理想电壁转换为高阻抗表面来实现低副瓣的。波纹喇叭的设计方法较为复杂，单一槽深的波纹喇叭很难实现较宽频带下的低副瓣，渐变槽深的波纹喇叭加工较为复杂，成本也比较高。同时，波纹喇叭的波纹和输入圆波导之间需要进行阻抗匹配，增加了天线的长度；另外，波纹喇叭需要通过在较厚的喇叭壁上开槽实现，这些都使得其变得较为笨重。

发明内容

有鉴于此，本发明要解决的技术问题是低副瓣天线带宽较窄、加工难度大、成本高的缺陷，提出一种结构简单、组装方便以及成本较低的基于超表面的宽带低副瓣天线。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属地板上的平面介质基板，及在其上层刻蚀的金属图案。

进一步，所述超表面的大小在不同需求下是不同的，即其起始位置不同。

进一步，所述金属图案的形状可为正方形、长方形、平行四边形。

进一步，所述非谐振单元结构的厚度与喇叭壁相同，边长取值范围为工作频带中心频率波长的十分之一到八分之一之间，具体尺寸需要根据要求优化。

进一步，所述平面介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

本发明将与口面电场垂直的部分金属壁由超表面替代，由矩形波导馈入的电磁波从超表面上掠射时，超表面相当于理想磁壁，靠近超表面部分的电场减小为零。这样E面电场也呈锥削分布，使得E面副瓣大大降低。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明中的低副瓣天线具有宽带特性，能够在较宽频带内工作于低副瓣状态。

2.本发明中的低副瓣天线与传统角锥喇叭相似，与超表面之间的组装简单，非常便于加工装配。

3.本发明中的超表面由印刷电路板构成，加工简单方便。

4.本发明中的超表面由非谐振单元结构组成，通过调节单元结构尺寸能够调整超表面的工作频带。

5.本发明中的低副瓣天线具有良好的通用性，通过设计角锥喇叭和超表面就能满足对副瓣、口面尺寸的不同要求。

附图说明

图1是本发明一实施例中基于超表面的宽带低副瓣天线的结构示意图；

图2是本发明图1中一非谐振单元结构的结构示意图；

图3是本发明中TM波掠射非谐振单元结构的反射相位曲线；

图4(a)是本发明中图1实施例15GHz下H面电场分布；

图4(b)是本发明中图1实施例15GHz下E面电场分布；

图5(a)是本发明图1实施例15GHz下H面归一化方向图；

图5(b)是本发明图1实施例15GHz下E面归一化方向图；

图6是本发明图1实施例在Ku波段(12GHz-18GHz)下的H面副瓣随频率变化曲线；

图7是本发明图1实施例在Ku波段(12GHz-18GHz)下的E面副瓣随频率变化曲线；

图8是本发明图1实施例在Ku波段(12GHz-18GHz)下的驻波比随频率变化曲线；

附图表及说明:

1、矩形波导；2、角锥喇叭；3、超表面；4、非谐振单元结构；5、金属图案。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施例做详细说明。

图1是本发明具体实施例中基于超表面的宽带低副瓣天线的结构示意图。如图1所示，本发明提供一种低副瓣天线，其包括Ku波段标准的输入段矩形波导1，方形口面的渐变段角锥喇叭2。设定所述角锥喇叭2与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导1一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭2口的所述金属壁由超表面3取代。超表面3与角锥喇叭2之间用螺丝固定，这样能够保证天线的牢固性和可靠性。

在不同需求下，超表面3的大小是不同的，即其起始位置不同。在本发明中，超表面3为两块，即与口面电场垂直的角锥喇叭2两侧的金属壁分别替换成超表面3。

矩形波导1的内部尺寸由低副瓣天线的工作频带决定。角锥喇叭2的口面尺寸、张角和轴向长度都可以根据需求进行设计；其各部分尺寸都可以根据需求进行设计。

图2是本发明中图1中的非谐振单元结构4。如图2所示，所述非谐振单元结构包括设置在金属地板上的平面介质基板，及在其上层刻蚀的金属图案。该非谐振单元结构4对于掠射的TM波具有反射相位接近零度这一特性，这使得非谐振单元结构4在较宽频带内可以被看成理想磁壁。非谐振单元结构4的厚度与喇叭壁相同，边长取值范围为工作频带中心频率波长的十分之一到八分之一之间，具体尺寸需要根据需求优化。调整非谐振单元结构4的尺寸可以改变超表面3的工作频带。

在本发明中，非谐振单元结构4为正方形，边长为2.5mm，平面介质基板厚度为3mm，介电常数为4.3，金属图案5为正方形，边长为1.2mm，并且金属图案5在非谐振单元结构5的中心。

在本发明中，非谐振单元结构4的平面介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。

在本发明中，非谐振单元结构4上的金属图案5的形状可以是正方形、长方形、平行四边形等几何图形。

图3是本发明图1中的非谐振单元结构4在TM波掠射时反射相位随频率变化曲线，其反射相位在12GHz至18GHz范围内都小于2度，可以被看作宽带理想磁壁。

超表面3作为一种新兴电磁概念，能够快速、有效地和传统电磁应用相结合，便于研究人员设计结构简单、性能优异的电磁产品。在本发明中，选用反射相位接近零度的超表面3来充当理想磁壁。在电磁波掠射到超表面3时，反射相位接近零度，这样超表面3就能被认作是理想磁壁。在很宽频带范围内，反射相位均满足这一要求，具有理想磁壁特性的超表面3即可被认作是宽带超表面。

本发明主要利用超表面3实现宽带理想磁壁，将其与传统角锥喇叭相结合，使得加载有超表面3的角锥喇叭天线具有锥削分布的口面电场，大大降低其副瓣水平。传统角锥喇叭天线的E面电场分布较为平均，使得角锥喇叭天线的E面副瓣较高。然而，因为喇叭金属壁的作用，H面电场在接近金属壁处的电场为零，H面电场分布呈现陡峭的锥削分布，使得角锥喇叭天线的H面副瓣远低于E面副瓣。为了降低天线E面的副瓣，使E面电场分布也呈现锥削分布，必须使垂直于电场方向的边界条件由理想电壁变为理想磁壁。

通过超表面3改变传统喇叭天线与电场垂直方向的边界条件，就能够改变喇叭天线的E面电场分布。与口面电场垂直的部分金属壁由超表面3替代，由矩形波导1馈入的电磁波从超表面3上掠射时，超表面3相当于理想磁壁，靠近超表面3部分的电场减小为零。这样E面电场也呈锥削分布，使得E面副瓣大大降低。

角锥喇叭2起始位置内部尺寸与矩形波导1内部尺寸相同，宽边为15.8mm，窄边为7.9mm；终止位置内部为正方形，边长65mm；中间过渡段长度为70mm。由矩形波导1宽边延伸出去的金属壁终止于距离角锥喇叭2起始位置30mm处；窄边延伸出去的金属壁延伸到喇叭口面位置。角锥喇叭2宽边缺失金属壁的部分由超表面3进行填补，以构成宽带理想磁壁。超表面3的形状为等腰梯形，上底宽度为30mm，下底宽度为70mm。超表面3由非谐振单元结构4构成，非谐振单元结构4的边长为2.5mm，金属图案的边长为1.2mm，记超表面3某一位置处宽度为L，当前位置处的非谐振单元结构4个数由L/2.5取整得到，这样使得超表面3的一面均匀排布有金属图案5，另一面留有完整的金属地。装配时，超表面3刻蚀有金属图案5的一面作为角锥喇叭2的内壁，留有金属地的一面作为角锥喇叭2的外壁。通过螺丝将超表面3和角锥喇叭2固定在一起，这样既能保证天线的牢固性和可靠性，也能有效防止电磁能量从喇叭壁处泄露出来。

电磁波在沿着角锥喇叭2的喇叭壁传播时，存在两种边界条件。对于角锥喇叭2的窄边，电场平行于金属壁。根据理想导体表面切向电场为零这一边界条件可知，电场沿H面分布肯定为锥削分布，且近喇叭壁部分电场大小接近零。图4(a)为沿角锥喇叭2的H面电场分布，其呈明显锥削分布，边缘电场大小接近零。对于角锥喇叭2的宽边，同时存在金属壁和超表面3两种材料。在靠近角锥喇叭2起始位置处，电场垂直于金属壁，电场分布较为平均。根据理想磁壁表面法向电场为零这一边界条件，在靠近角锥喇叭2口面位置处，由于理想磁壁作用，电场垂直于超表面3的分量得到明显减弱。图4(b)为沿角锥喇叭2的E面电场分布，其呈明显锥削分布，边缘电场大小相对于电场峰值而言很小。这样的口面电场分布能够保证天线方向图由较低的副瓣。

图5为15GHz下低副瓣天线E面和H面的方向图，由图可知E面和H面副瓣均低于-26dB，远低于传统角锥喇叭。

图6为低副瓣天线在12GHz至18GHz范围内H面副瓣随频率变化曲线，副瓣在整个Ku波段内都低于-28dB。图7为低副瓣天线在12GHz至18GHz范围内E面副瓣随频率变化曲线，副瓣在整个Ku波段内都低于-26dB。

角锥喇叭2起始位置处的金属壁和矩形波导1直接相连，这样可以使得角锥喇叭2与矩形波导1之间的阻抗得到匹配，降低由于加载超表面3可能带来的阻抗失配。

图8为低副瓣天线在12GHz至18GHz范围内驻波比随频率变化曲线，驻波比在整个频带范围内都低于1.35。

本发明中基于超表面的宽带低副瓣天线通过在传统角锥喇叭上加载超表面3实现的。发明人通过设计超表面3的尺寸及构成超表面3的非谐振单元结构4的形状和尺寸来获得理想磁壁。

作为一个实施例，金属图案5可以通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在平面介质基板上。

作为又一实施例，选用聚四氟乙烯来制成片状基板。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。

作为再一实施例，金属线为铜线或银线，铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

作为另一实施例，基于超表面的宽带低副瓣天线可以被设计工作于各个频段，其尺寸大小、副瓣指标都能根据具体需求进行设计。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (5)

1.一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，其特征在于，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属板上的平面介质基板，及在其上刻蚀的金属图案。

2.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带低副瓣天线，其特征在于，所述超表面的大小在不同要求下是不同的，即其起始位置不同。

3.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带低副瓣天线，其特征在于，所述金属图案的形状可为正方形、长方形、平行四边形。

4.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带低副瓣天线，其特征在于，所述非谐振单元结构的厚度与喇叭壁相同，边长取值范围为工作频带中心频率波长的十分之一到八分之一之间，具体尺寸需要根据要求优化。

5.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带低副瓣天线，其特征在于，所述平面介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料环氧树脂或聚四氟乙烯制得。