CN105914473B - 提高辐射效率的漏波天线及该漏波天线的设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种提高辐射效率的漏波天线及该漏波天线的设计方法，漏波天线包括：功分器和由周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成的天线阵列，第一漏波天线与第二漏波天线不同，第一漏波天线与第二漏波天线的辐射方向相同，天线阵列中的某个第一漏波天线或第二漏波天线，馈入外部能量并进行辐射，另一端将辐射后的剩余能量通过功分器分别馈入两侧相邻的漏波天线；由馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线向两侧方向的漏波天线依次分别进行辐射并将辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线，直至辐射效率满足设计要求或天线阵列最外侧的漏波天线已进行辐射。本发明可提高漏波天线的辐射效率。

Description

提高辐射效率的漏波天线及该漏波天线的设计方法
技术领域
本发明涉及电子及通信技术领域。更具体地，涉及一种提高辐射效率的漏波天线及该漏波天线的设计方法。
背景技术
漏波天线具有频率扫描能力，很强的方向性，以及馈电结构简单等优点。然而，一般的漏波天线辐射效率都比较低，因为当能量到达天线末端时，只有一部分能量被漏泄辐射出去，剩余的能量则需要由末端的匹配负载吸收。为了提高其辐射效率，一种基本的方式是增加天线长度，然而对于典型的漏泄常数来说，想要达到90％的辐射效率，天线需要长达8-10个波长。而这样的尺寸在大多数微波无线系统中是不切实际的。
现有的可提高漏波天线辐射效率的方式有：在天线外部加入一个环形耦合器，将天线末端的能量回收利用重新馈入始端，从而提高整个系统的辐射效率；另一种方式也是采用天线阵列的形式，将末端剩余的能量重新正向馈入多个具有同样结构的天线，通过多次辐射达到提高辐射效率的效果。然而前者结构设计复杂，后者传输网络复杂，整体结构不够紧凑简洁。
因此，需要提供一种结构简单、功分方便的提高辐射效率的漏波天线及该漏波天线的设计方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种提高辐射效率的漏波天线及该漏波天线的设计方法，能够有效地提高辐射效率和增益，解决现有技术中提高辐射效率的方式结构设计复杂、实现困难等问题，同时扩大漏波天线的应用场合和实用范围。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种提高辐射效率的漏波天线，该漏波天线包括：
功分器和由周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成的天线阵列；
第一漏波天线与第二漏波天线的类型不同，第一漏波天线与第二漏波天线的辐射方向相同；
天线阵列中的某个第一漏波天线或第二漏波天线，馈入外部能量并进行辐射，另一端将辐射后的剩余能量通过功分器分别馈入两侧相邻的漏波天线；由馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线向两侧方向的漏波天线依次分别进行辐射并将辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线，直至辐射效率满足设计要求或天线阵列最外侧的漏波天线已进行辐射。
优选地，正端馈入剩余能量的漏波天线的负端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的负端，负端馈入剩余能量的漏波天线的正端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的正端。
优选地，所述天线阵列为平面天线阵列。
优选地，馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线位于天线阵列的中心。
优选地，所述周期结构的第一漏波天线和所述周期结构的第二漏波天线分别为周期结构的基波辐射漏波天线、周期结构的-1次谐波辐射漏波天线或周期结构的左右手传输线漏波天线。
一种提高辐射效率的漏波天线的设计方法，包括如下步骤：
设计周期结构的第一漏波天线的结构参数，使其波束指向角度为θ0；
设计周期结构的第二漏波天线的结构参数，使其波束指向角度为θ-1，第一漏波天线与第二漏波天线的类型不同；
调整并优化第二漏波天线的结构参数，使其波束指向角度θ-1与第一漏波天线的波束指向角度为θ0相反；
将周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成天线阵列；
在天线阵列中馈入外部能量的漏波天线的负端与天线阵列中心的漏波天线的两侧相邻的漏波天线的负端之间设置功分器，调整并优化功分器的结构参数，使天线阵列中馈入外部能量的漏波天线进行辐射后的剩余能量无损耗地反向馈入到两侧相邻的漏波天线的负端。
优选地，正端馈入剩余能量的漏波天线的负端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的负端，负端馈入剩余能量的漏波天线的正端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的正端。
优选地，周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成的天线阵列为平面天线阵列。
优选地，馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线位于天线阵列的中心。
优选地，所述周期结构的第一漏波天线和所述周期结构的第二漏波天线分别为周期结构的基波辐射漏波天线、周期结构的-1次谐波辐射漏波天线或周期结构的左右手传输线漏波天线。
本发明的有益效果如下：
本发明所述技术方案具有原理明确、设计简单的优点，可以按照具体所需的辐射效率和方向图进行天线结构参数的设计以及阵列大小的选择，从而可以显著地提高漏波天线辐射效率和增益，直到满足设计要求为止。同时，本发明所述技术方案结构紧凑、馈电简单，易于加工和批量生产，具有更好的实用性。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出提高辐射效率的漏波天线的整体设计方案示意图。
图2示出提高辐射效率的漏波天线中周期结构的基波辐射漏波天线的结构示意图。
图3示出提高辐射效率的漏波天线中周期结构的基波辐射漏波天线的增益方向图。
图4示出提高辐射效率的漏波天线中周期结构的-1次谐波辐射漏波天线的结构示意图。
图5示出提高辐射效率的漏波天线中周期结构的-1次谐波辐射漏波天线的增益方向图。
图6示出提高辐射效率的漏波天线中天线末端的功分器的结构示意图。
图7示出提高辐射效率的漏波天线中天线末端的功分器的散射参数。
图8示出提高辐射效率的漏波天线中3×1天线阵列的总体结构示意图。
图9示出提高辐射效率的漏波天线中3×1天线阵列的增益方向图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
采用基波辐射方式的传统漏波天线，其辐射主瓣方向是固定不变。然而对于周期均匀的缝隙漏波天线而言，当在适当范围内改变缝隙周期P时，除了基波辐射外，其它空间谐波也可能产生辐射，并且辐射谐波的传播常数会随周期显著改变，因而可通过改变周期实现空间谐波波束指向的变化。同时，通过合理地选择介电常数并设计天线结构尺寸，可以抑制其基波，使其处于仅有-1次谐波辐射的状态。
本实施例提供的提高辐射效率的漏波天线，将周期结构的不同漏波天线组成平面天线阵列，其中一种周期结构的漏波天线采用基波辐射方式，另一种周期结构漏波天线采用-1次谐波辐射方式(或其他可以实现负向辐射的结构，如左右手传输线漏波天线，这里均以前者为例来进行解释说明)，将这两种周期性结构相间隔地排列成平面阵列，上述周期结构包括周期横缝结构、左右手复合结构和连续缝隙周期结构等。能量从其中某一基波(或-1次谐波)辐射漏波天线(最好是位于阵列中心的，这样可以最大化的进行剩余能量的再次辐射)一端馈入，在该天线的末端将剩余能量由末端的功分器反向馈入两侧相邻的-1次谐波(或基波)辐射漏波天线，也可不用功分器，直接馈入一侧相邻的-1次谐波(或基波)辐射漏波天线，在-1次谐波(或基波)辐射漏波天线的末端，再将剩余的能量正向馈入到其相邻的未馈电的天线，以此类推，即馈入外部能量的漏波天线向两侧方向的漏波天线依次分别进行辐射并将辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线，直到辐射效率满足设计要求或天线阵列最外侧的漏波天线已进行辐射为止。通过合理选择设计相邻基波和-1次谐波辐射漏波天线的结构参数，使-1次谐波辐射漏波天线的辐射方向与基波辐射漏波天线的辐射方向相同，从而达到提高天线效率和天线增益的目的。
本实施例提供的提高辐射效率的漏波天线的设计方法为：
合理地选择并设计周期结构的第一漏波天线(本实施例中周期结构的第一漏波天线为周期结构的基波辐射漏波天线)的结构参数，使其处于仅有基波辐射状态，此时得到的增益方向图中，基波指向角度为θ0；
合理地选择并设计周期结构的第二漏波天线(本实施例中周期结构的第二漏波天线为周期结构的-1次谐波辐射漏波天线，也可用其他可以实现负向辐射的结构，如左右手传输线漏波天线，这里均以前者为例来进行解释说明)的结构参数，使其处于仅有-1次谐波辐射状态，此时得到的增益方向图中，-1次谐波指向角度为θ-1；
根据基波辐射漏波天线的基波指向角度θ0，通过调整并优化-1次谐波辐射漏波天线的结构参数，使其-1次谐波指向角度θ-1基本满足如下关系：
θ-1＝-θ0
将周期结构的基波辐射漏波天线与周期结构的-1次谐波辐射漏波天线间隔排列组成平面天线阵列；
在天线阵列中心的漏波天线的负端与天线阵列中心的漏波天线的两侧相邻的漏波天线的负端之间设置功分器，调整并优化功分器的结构参数，使天线阵列中心的漏波天线进行辐射后的剩余能量无损耗地反向馈入到两侧相邻的漏波天线的负端，从而使剩余能量能够通过相邻天线再次辐射出去，达到提高天线效率和天线增益的效果。
下面代入具体的参数值对本实施例提供的提高辐射效率的漏波天线作进一步地说明。
如图1所示，提高辐射效率的漏波天线主要包括三部分，分别是：基波辐射漏波天线，波束指向角为正向辐射；-1谐波辐射漏波天线，波束指向角为负向辐射；天线末端的功分器，将基波辐射漏波天线的末端剩余能量反向馈入两侧相邻的-1次谐波辐射漏波天线进行二次辐射。
图2示出基波辐射漏波天线结构示意图，具体实现形式是开有周期横缝的基片集成波导(SIW)漏波天线。其中，波导宽度和高度分别为a1＝6.4mm和h＝1.524mm，天线长度为L＝135mm，工作频率为f＝16GHz。介电常数为εr＝3，金属通孔的直径为d＝0.9mm，两个金属通孔的间距为s＝1.6mm。基片集成波导的上金属壁开有周期横缝，缝隙周期为P1＝1.5mm，缝隙尺寸为3mm×0.5mm。缝隙两端采用渐进的形式来减小反射。
图3示出基波辐射漏波天线增益方向图，从图3中可以看出，此时天线处于基波辐射状态。基波的波束指向θ0＝40°，天线增益Gain＝11.99dB，天线效率η＝20.66％。
图4示出-1次谐波辐射漏波天线结构示意图，具体实现形式是开有周期横缝的基片集成波导(SIW)漏波天线。其中，波导宽度和高度分别为a2＝9.6mm和h＝1.524mm，天线长度为L＝135mm，工作频率为f＝16GHz。介电常数为εr＝3，金属通孔的直径为d＝0.9mm，两个金属通孔的间距为s＝1.6mm。基片集成波导的上金属壁开有周期横缝，缝隙周期为P2＝8.7mm，缝隙尺寸为5mm×1mm。缝隙两端采用渐进的形式来减小反射。
图5示出-1次谐波辐射漏波天线增益方向图，从图5中可以看出，此时天线处于-1次谐波辐射状态。-1次谐波的波束指向θ-1＝-40°，天线增益Gain＝14.88dB，天线效率η＝60.51％。
图6示出本发明的天线末端功分器结构示意图，具体采用基片集成波导结构形式的功分器。其中SIW的基本结构参数(介电常数εr、金属通孔直径d、相邻金属通孔间距s)与图2和图4中所述保持一致。三个调谐金属通孔分别起到功率分配和直角转换的作用。中间的调谐金属通孔直径d1＝1.1mm，距末端的距离dp＝2.5mm。两侧的调谐金属通孔关于y轴完全对称，直径d2＝1mm，距两边轴线的距离dx＝7mm，dy＝3.5mm。
图7示出天线末端的功分器的散射参数，对于该功分器能量由1端口馈入，经中间的调谐金属通孔后分向两侧，再由两侧的调谐金属通孔反向馈入两侧天线中。从图7中可以看出，此时中心频率f＝16GHz处的S参数为S11＝-15.5dB，S21＝S31＝-3.4dB，满足功分器的基本要求。
图8示出3×1天线阵列总体结构示意图，该天线阵列分别由图2、图4及图6所示的基波辐射漏波天线、-1次谐波辐射漏波天线、末端功分器三部分组成，具体结构参数与上述说明保持一致。
图9示出3×1天线阵列增益方向图，从图9中可以看出，此时的天线方向图只有一个波束辐射，波束指向角θ＝θ0＝θ-1＝40°，与基波辐射漏波天线的辐射指向角保持一致。值得指出的是，此时天线增益Gain＝14.46dB，天线效率η＝41.11％。相比于能量馈入的基波辐射漏波天线，天线效率提高了约1倍，天线增益增加了2.47dB。此时中心频率f＝16GHz处的S参数为S11＝-17.84dB，S21＝S31＝-9.23dB。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.一种提高辐射效率的漏波天线，其特征在于，该漏波天线包括：
功分器和由周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成的天线阵列；
第一漏波天线与第二漏波天线辐射波束的谐波类型不同，第一漏波天线与第二漏波天线的辐射方向相同；
天线阵列中的某个第一漏波天线或第二漏波天线，馈入外部能量并进行辐射，另一端将辐射后的剩余能量通过功分器分别馈入两侧相邻的漏波天线；由馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线向两侧方向的漏波天线依次分别进行辐射并将辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线，直至辐射效率满足设计要求或天线阵列最外侧的漏波天线已进行辐射。
2.根据权利要求1所述的漏波天线，其特征在于，正端馈入剩余能量的漏波天线的负端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的负端，负端馈入剩余能量的漏波天线的正端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的正端。
3.根据权利要求1所述的漏波天线，其特征在于，所述天线阵列为平面天线阵列。
4.根据权利要求1所述的漏波天线，其特征在于，馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线位于天线阵列的中心。
5.根据权利要求1所述的漏波天线，其特征在于，所述周期结构的第一漏波天线和所述周期结构的第二漏波天线分别为周期结构的基波辐射漏波天线、周期结构的-1次谐波辐射漏波天线或周期结构的左右手传输线漏波天线。
6.一种提高辐射效率的漏波天线的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
设计周期结构的第一漏波天线的结构参数，使其波束指向角度为θ0；
设计周期结构的第二漏波天线的结构参数，使其波束指向角度为θ-1，第一漏波天线与第二漏波天线辐射波束的谐波类型不同；
调整并优化第二漏波天线的结构参数，使其波束指向角度θ-1与第一漏波天线的波束指向角度为θ0相反；
将周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成天线阵列；
在天线阵列中馈入外部能量的漏波天线的负端与天线阵列中心的漏波天线的两侧相邻的漏波天线的负端之间设置功分器，调整并优化功分器的结构参数，使天线阵列中馈入外部能量的漏波天线进行辐射后的剩余能量无损耗地反向馈入到两侧相邻的漏波天线的负端。
7.根据权利要求6所述的提高辐射效率的漏波天线的设计方法，其特征在于，正端馈入剩余能量的漏波天线的负端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的负端，负端馈入剩余能量的漏波天线的正端将该漏波天线辐射后的剩余能量馈入相邻且未馈电的漏波天线的正端。
8.根据权利要求6所述的提高辐射效率的漏波天线的设计方法，其特征在于，周期结构的第一漏波天线与周期结构的第二漏波天线间隔排列组成的天线阵列为平面天线阵列。
9.根据权利要求6所述的提高辐射效率的漏波天线的设计方法，其特征在于，馈入外部能量的第一漏波天线或第二漏波天线位于天线阵列的中心。
10.根据权利要求6所述的提高辐射效率的漏波天线的设计方法，其特征在于，所述周期结构的第一漏波天线和所述周期结构的第二漏波天线分别为周期结构的基波辐射漏波天线、周期结构的-1次谐波辐射漏波天线或周期结构的左右手传输线漏波天线。
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