CN106848581A - 用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，包括径向波导，径向波导内部设置圆形金属板，金属板将径向波导分隔为上、下两介质层，天线通过馈电同轴接头馈电，馈电同轴接头的内芯支撑着所述金属板，内芯的顶部不超过所述金属板的下表面，圆形金属板边缘与径向波导内壁之间设置有间隙，间隙沿径向波导周向形成一环形缝隙，径向波导上层介质表面设有阻抗表面结构；本发明利用环形缝隙耦合，成功地从零阶Bessel驻波中获得了向内传播的零阶Hankel波，并且采用漏波模式进行辐射，所设计的Hankel漏波天线尺寸小，可实现任意径向波数kρ<k0的设计，还具有频率可调等特性，即可以通过频率的调节，改变天线的特性。
Description
技术领域
本发明属于漏波天线技术领域，尤其是一种用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线。
背景技术
Bessel波束具有良好的横向分辨率和非衍射传播距离特性，得到了人们的广泛关注。1987年，Durnin通过求解麦克斯韦方程，理论上验证了Bessel函数具有非衍射波束特性，即在波束传播方向，主波束在瑞丽距离之前不会发生衍射现象。至今为止，在光学，THz和微波领域中，许多Bessel发射器结构已被提出，并成功地产生了Bessel非衍射波束。
众所周知，Bessel波是由向外传播的Hankel波和向内传播的Hankel波共同叠加而产生的驻波。但是，为了产生Bessel非衍射波束需要满足一定的边界条件。2014年，M.Ettorre团队采用几何光学和空间波法，理论上验证了Bessel波束的非衍射特性，主要是由向内传播的Hankel波作用而得到的，而向外传播的Hankel波对非衍射特性贡献非常小。近年来，许多向内传播的Hankel天线被提出，用来实现Bessel非衍射波束。但是，这些Hankel天线是基于标量波动理论设计而成。然而，基于标量波动理论设计的天线不但具有尺寸大的特点，而且其产生的波束宽度较宽。并且，该理论只能用于较小径向波数(kρ<0.3k0)的设计。
2012年，M.Ettorre团队采用漏波模式，对Bessel波束的产生作了详细的理论分析，并且设计了TM模式Bessel天线，为设计Bessel天线提供了新的方法。研究发现，将漏波模式运用到Bessel天线的设计中，所设计的天线具有尺寸小，波束宽度窄等优点。此外，该理论适用于任意径向波数kρ<k0的设计。基于漏波模式，所设计的漏波天线具有频率调控的特点，即通过改变频率，从而改变天线的特性。目前，漏波模式的设计方法还没有应用到Hankel天线的设计中。
然而，向内传播的Hankel函数也是Helmholtz公式的一个解。通过分析向内传播的零阶Hankel函数H0 (1)特性，发现该函数不仅可以实现Bessel非衍射波束，还可以实现近场聚焦。
近场聚焦，即在近场范围内，电磁波在目标点处聚集，可用于近场辐射测量，无线能量传输，光学镊子，医疗成像和隐秘通信等各个领域。通常，采用天线阵列和光学透镜来实现近场聚焦。目前，采用Hankel天线实现近场聚焦的报道还是一片空白。对于采用H0 (1)函数实现近场聚焦，可基于标量波动理论和矢量波动理论来分析，可广泛应用于光学，THz以及微波频率各个领域。但是，H0 (1)函数在原点处，有一固有奇点。为了获得良好的聚焦特性，需要移除函数在原点处的固有奇点。所以，天线在中心处需要一吸收结构，来消除天线中心处残留的向内传播的零阶Hankel余波。1988年，M.Ando团队采用匹配缝隙使波在传播的过程中向外辐射，耗散其能量，从而消除残留在天线中心处的余波。2012年，Fei Ding采用超材料结构来设计吸收结构，阻止电磁波的传播。
(1)与本发明相关的现有技术一
M.Ettorre,S.C.Pavone,M.Casaletti,and M.Albani,“Experimentalvalidation of Bessel beam generation using an inward Hankel aperturedistribution,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.63,no.6,pp.2539–2544,2015。本技术基于几何光学和空间波理论分析了场分布，验证了向内传播的Hankel波能很好地实现Bessel非衍射波束。为了验证这一理论，设计了一个向内传播的Hankel天线，如图1所示。整个天线基于径向线缝隙阵列设计而成。通过全息技术，天线上的小槽位置和大小被合理地设计。该天线通过在径向波导上的线缝隙阵列，很好地激励起向内传播的Hankel波，从而实现了Bessel波束，其缺点在于：1)该天线基于标量波动理论设计而成。该天线尺寸较大，其产生的Bessel波束宽度较宽。并且，该理论只能产生径向波数kρ较小的Bessel波束。2)没有频率调控的特点。
(2)与本发明有关的现有技术二
F.Tofigh,J.Nourinia,M.N.Azarmanesh,and K.M.Khazaei，“Near-FieldFocused Array Microstrip Planar Antenna for Medical Applications,”IEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,vol.13,2014。本技术提出了用于近场聚焦的天线阵列结构，如图2所示。天线阵列为4×4排列，通过控制每个天线单元的馈电相位，来实现波束的聚焦。此天线阵列采用二次相位分布同幅度激励来获得较小的聚焦点。并且，此天线阵列需要根据激励分布，运用传输线理论，设计合适的馈电网络。其缺点在于：1)整个天线阵列需要设计合适的馈电网络。2)需要考虑天线单元之间互耦。3)没有频率调控的特点。
(3)与本发明有关的现有技术三
M.Ettorre,S.M.Rudolph,and A.Grbic,“Generation of propagating Besselbeams using leaky-wave modes:experimental validation,”IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.60,no.6,pp.2645–2653,2012。此技术采用漏波模式理论，设计了TM模式Bessel天线，实现了非衍射波束的传播。该天线基于径向波导设计而成，其结构如图3所示。在径向波导上表面覆盖一容性阻抗表面结构，由相互错开排列的周期性容形贴片构成。此天线由同轴馈电，通过合理设计容性贴片的尺寸，激励起合适的漏波模式，从而实现Bessel非衍射波束。其缺点在于：1)该天线激励出来的是Bessel波，实现的是非衍射波束，不是形成聚焦点。2)天线的设计必须满足一定的边界条件。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，本发明技术方案如下：
一种用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，包括径向波导，所述径向波导内部沿径向设置一平行于所述径向波导底板的圆形金属板，所述金属板将所述径向波导分隔为上、下两介质层，所述天线通过馈电同轴接头馈电，在天线的下层介质中激励出零阶Bessel驻波。馈电同轴接头的内芯支撑着所述金属板，所述内芯的顶部不超过所述金属板的下表面，所述圆形金属板边缘与径向波导内壁之间设置有间隙，所述间隙沿径向波导周向形成一环形缝隙，环形缝隙用来耦合获得向内传播的零阶Hankel波。径向波导上层介质表面设有用来激励起漏波模式的阻抗表面结构。
所述内芯的顶部不超过所述金属板的下表面是为了确保下层介质激励起零阶Bessel波，而上层介质只有向内传播的零阶Hankel波，保证上层介质内向零阶Hankel波的纯度。
作为优选方式，上介质层的中心处设有用来消除天线中心处残留余波的吸收结构。吸收结构用来消除天线中心处残留的余波，从而获得良好的聚焦特性。
作为优选方式，所述阻抗表面结构为容性表面结构或感性表面结构。
作为优选方式，所述吸收结构为高阻抗表面结构、电磁带隙结构或超材料结构。
作为优选方式，所述吸收结构为宽带平面周期性结构。
作为优选方式，宽带平面周期性结构包括多行多列排列的单元，每个单元包括方形贴片，每个方形贴片的四边分别设有内部有L型槽的L型枝节，所有单元的四个L型枝节都沿顺时针旋转或都沿逆时针旋转，每个单元通过其四周的的L型枝节与相邻的方形贴片连接起来构成周期性结构，L型枝节和L型槽在两个方形贴片之间形成分布式电容电感网络，用来引入多个谐振频率点，从而展宽频带。通过改变单元结构的尺寸，该周期结构可在需要的频段内形成阻带，阻止余波在上层介质的中心处传播，从而达到消除H0 (1)函数在原点处的固有奇点的效果。该宽带平面周期性结构具有频带宽，结构简单，容易加工等特点。
本发明的工作原理为：首先，径向波导由馈电同轴接头在径向波导的下介质层中激励出向外传播的零阶Hankel波，然后，向外传播的零阶Hankel波传播到波导壁处，由于波导边缘的反射作用，向外传播的零阶Hankel波变成了向内传播的零阶Hankel波，一部分继续留在径向波导的下层介质里传播，而另一部分通过环形缝隙耦合到了波导的上介质层中。此时，在波导的下介质层中，由于同轴馈电激励出来的向外传播的零阶Hankel波和由于波导壁反射而引起的向内传播的零阶Hankel波相互叠加，形成了零阶Bessel驻波。此外，由于环形缝隙耦合作用和中间金属板的隔离作用，向内传播的零阶Hankel波成功地保留在波导的上层介质中，而且零阶Bessel波和向内传播的零阶Hankel波相互分隔，互不影响。
在上介质层中，向内传播的零阶Hankel波在传播过程中，通过阻抗表面结构，有一部分波被辐射，形成Hankel漏波。若阻抗表面为容性表面结构，则产生TM模式的漏波；若阻抗表面为感性表面结构，则产生TE模式的漏波。通过设计不同的阻抗表面结构，可以激励起不同波数的漏波，从而可以产生不同波数的Hankel漏波。
本发明通过耦合作用，将向内传播的零阶Hankel波从零阶Bessel波中分离出来。并且，为了实现良好的聚焦特性，天线中心设置吸收结构用来消除天线中心处残余的电磁波，达到移除H0 (1)函数在原点处固有奇点的效果。
通过馈电同轴接头在下层介质中激励起零阶Bessel驻波，即向外传播的零阶Hankel波和向内传播的零阶Hankel波共同叠加而成。此时，由于环形缝隙的耦合作用，由波导金属壁反射回来的向内传播的零阶Hankel波通过缝隙一部分耦合到上介质层中，另一部分保留到下介质层中，与由馈电同轴接头激励的向外传播的零阶Hankel波共同作用形成零阶Bessel驻波。并且，中间的金属板将下介质层中的零阶Bessel波和上介质层中的向内传播的零阶Hankel波分隔开，确保两个波相互不影响。
该天线的上介质层表面覆盖一阻抗表面结构，用来激励起想要的漏波模式。当由耦合获得的Hankel波在上介质层中向内传播时，一部分波通过阻抗表面结构辐射到自由空间中，形成Hankel漏波。由于上介质层中激励起的漏波模式，所以该结构也确保了上介质层中只有向内传播的零阶Hankel漏波，而不能出现驻波。此外，为了消除在中心处残留的向内传播的零阶Hankel波，在天线上层介质的中心处设置一吸收结构来得到良好的聚焦特性。
本发明利用环形缝隙的耦合作用和金属板的隔离作用，巧妙地从零阶Bessel波中分离出了向内传播的零阶Hankel波。并且，采用阻抗表面结构确保上层介质中激励出漏波，而不能形成驻波。这样确保向内传播的零阶Hankel波很好地在保留在了径向波导的上介质层中。
本发明采用宽带平面周期性结构来实现宽带电磁带隙，阻止电磁波在某一频段的传播，来消除天线中心处的余波。
本发明的阻抗表面结构可以采用不同结构的容性阻抗表面和感性阻抗表面，分别激励出不同波数的TM模式和TE模式Hankel漏波。
本发明采用漏波模式，具有尺寸小，频率可调等特点。通过设计不同的阻抗表面，可以激励出任何波数kρ<k0的向内传播的零阶Hankel漏波，不需要满足任何边界条件。
本发明的有益效果为：目前，设计的向内传播的Hankel天线都以标量波动理论为基础，所设计的Hankel天线具有尺寸大的特点。并且，标量波动理论只对径向波数较小kρ<0.3k0时有效。本发明采用向内传播的零阶Hankel函数来实现近场聚焦，为了消除天线中心处的余波，采用宽带平面周期性结构实现了宽带电磁带隙。与其他的吸收器结构相比具有频带宽，结构简单、容易加工等优点。本发明利用环形缝隙耦合，成功地从零阶Bessel驻波中获得了向内传播的零阶Hankel波，并且采用阻抗表面结构，激励出漏波模式，所设计的Hankel漏波天线尺寸小，可实现任意径向波数kρ<k0的设计，还具有频率可调等特性，即可以通过频率的调节，改变天线的特性。本发明也为基于矢量波动理论来设计Hankel天线，从而实现Bessel非衍射波束提供了思路。
附图说明
图1是现有技术一中的Hankel天线结构图；
图2是现有技术二中的近场聚焦天线阵列示意图；
图3是现有技术三中的TM模式Bessel天线结构；
图4-1是本发明提出的Hankel漏波天线结构的主视图；
图4-2是本发明提出的Hankel漏波天线结构的俯视立体图(其中一部分被截取以观察天线的内部结构)；
图5本发明提出的宽带平面电磁带隙结构的单元结构图。
图6为本发明提出的宽带平面周期性结构的排列示意图。(本图以2×3个单元的周期排列结构为例)。
图7本发明提出的宽带平面周期性结构实现的阻带。
图8本发明提出的内向零阶Hankel漏波天线的S参数曲线。
图9(a)-图9(c)为内向零阶Hankel漏波天线的归一化Ez分布图，其中(a)9.5GHz；(b)10GHz；(c)10.5GHz。
其中，1为径向波导，2为金属板，3为环形缝隙，4为阻抗表面结构，5为吸收结构，6为馈电同轴接头，7为L型槽，8为L型枝节。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
一种用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，包括径向波导1，所述径向波导内部沿径向设置一平行于所述径向波导底板的圆形金属板2，所述金属板2将所述径向波导分隔为上、下两介质层，所述天线通过馈电同轴接头6馈电，在天线的下层介质中激励出零阶Bessel驻波。馈电同轴接头的内芯支撑着所述金属板，所述内芯的顶部不超过所述金属板的下表面，所述圆形金属板边缘与径向波导内壁之间设置有间隙，所述间隙沿径向波导周向形成一环形缝隙3，环形缝隙用来耦合获得向内传播的零阶Hankel波。径向波导上层介质表面设有用来激励起漏波模式的阻抗表面结构4。阻抗表面结构可表征出特定的阻抗值。
所述内芯的顶部不超过所述金属板的下表面是为了确保下层介质激励起零阶Bessel波，而上层介质只有向内传播的零阶Hankel波，保证上层介质Hankel波的纯度。
上介质层的中心处设有用来消除天线中心处残留余波的吸收结构5。吸收结构用来消除天线中心处残留的余波，从而获得良好的聚焦特性。
优选的，所述阻抗表面结构为容性表面结构或感性表面结构。
优选的，所述吸收结构为高阻抗表面结构、电磁带隙结构或超材料结构。
优选的，所述吸收结构为宽带平面周期性结构。
优选的，宽带平面周期性结构包括多行多列排列的单元，每个单元包括方形贴片，每个方形贴片的四边分别设有内部有L型槽7的L型枝节8，所有单元的四个L型枝节8都沿顺时针旋转或都沿逆时针旋转，每个单元通过其四周的L型枝节与相邻的方形贴片连接起来构成周期性结构，L型枝节8和L型槽7在两个方形贴片之间形成分布式电容电感网络，用来引入多个谐振频率点，从而展宽频带。通过改变单元结构的尺寸，该周期结构可在需要的频段内形成阻带，阻止余波在上层介质的中心处传播。该宽带平面周期性结构具有频段宽，结构简单，容易加工等特点。
本实施例的工作原理为：首先，径向波导由馈电同轴接头在径向波导的下介质层中激励出向外传播的零阶Hankel波，然后，向外传播的零阶Hankel波传播到波导壁处，由于波导边缘的反射作用，向外传播的零阶Hankel波变成了向内传播的零阶Hankel波，一部分继续留在径向波导的下层介质里传播，而另一部分通过环形缝隙耦合到了波导的上介质层中。此时，在波导的下介质层中，由于同轴馈电激励出来的向外传播的零阶Hankel波和由于波导壁反射而引起的向内传播的零阶Hankel波相互叠加，形成了零阶Bessel驻波。此外，由于环形缝隙耦合作用和中间金属板的隔离作用，向内传播的零阶Hankel波成功地保留在波导的上层介质中，而且零阶Bessel波和向内传播的零阶Hankel波相互分隔，互不影响。
在上介质层中，向内传播的零阶Hankel波在传播过程中，通过阻抗表面结构，有一部分波被辐射，形成Hankel漏波。若阻抗表面为容性表面结构，则产生TM模式的漏波；若阻抗表面为感性表面结构，则产生TE模式的漏波。通过设计不同的阻抗表面结构，可以激励起不同波数的漏波，从而可以产生不同波数的Hankel漏波。
本发明通过耦合作用，将向内传播的零阶Hankel波从零阶Bessel波中分离出来。并且，为了实现良好的聚焦特性，天线中心设置吸收结构用来消除天线中心处残余的电磁波，达到移除H0 (1)函数在原点处固有奇点的效果。
通过馈电同轴接头在下层介质中激励起零阶Bessel驻波，即向外传播的零阶Hankel波和向内传播的零阶Hankel波共同叠加而成。此时，由于环形缝隙的耦合作用，由波导金属壁反射回来的向内传播的零阶Hankel波通过缝隙一部分耦合到上介质层中，另一部分保留到下介质层中，与由馈电同轴接头激励的向外传播的零阶Hankel波共同作用形成零阶Bessel驻波。并且，中间的金属板将下介质层中的Bessel波和上介质层中的Hankel波分隔开，确保两个波相互不影响。
该天线的上介质层表面覆盖一阻抗表面结构，用来激励起想要的漏波模式。当由耦合获得的Hankel波在上介质层中向内传播时，一部分波通过阻抗表面结构辐射到自由空间中，形成Hankel漏波。由于上介质层中激励起的漏波模式，所以该结构也确保了上介质层中只有向内传播的零阶Hankel漏波，而不能出现驻波。此外，为了消除残留的向内传播的零阶Hankel波，在天线上层介质的中心处设置一吸收结构来得到良好的聚焦特性。
本实施例利用环形缝隙的耦合作用和金属板的隔离作用，巧妙地从零阶Bessel波中分离出了向内传播的零阶Hankel波。并且，采用阻抗表面结构确保上层介质中激励出漏波，而不能形成驻波。这样确保向内传播的零阶Hankel波很好地在保留在了径向波导的上介质层中。
本实施例采用宽带平面周期性结构来实现宽带电磁带隙，阻止电磁波在某一频段的传播，来消除天线中心处的余波。
本实施例的阻抗表面结构可以采用不同结构的容性阻抗表面和感性阻抗表面，分别激励出不同波数的TM模式和TE模式Hankel漏波。
本实施例采用漏波模式，具有尺寸小，频率可调等特点。通过设计不同的阻抗表面，可以激励出任何波数kρ<k0的向内传播的零阶Hankel漏波，不需要满足任何边界条件。
目前，设计的Hankel天线都以标量波动理论为基础，所设计的Hankel天线具有尺寸大的特点。并且，标量波动理论只对径向波数较小kρ<0.3k0时有效。本发明采用向内传播的零阶Hankel函数来实现近场聚焦，为了消除天线中心处的余波，采用宽带平面周期性结构实现了宽带电磁带隙。与其他的吸收器结构相比具有频带宽，结构简单、容易加工等优点。本发明利用环形缝隙耦合，成功地从零阶Bessel驻波中获得了向内传播的零阶Hankel波，并且采用漏波模式，所设计的Hankel漏波天线尺寸小，可实现任意径向波数kρ<k0的设计，还具有频率可调等特性，即可以通过频率的调节，改变天线的特性。本发明也为基于矢量波动理论来设计Hankel天线，从而实现Bessel非衍射波束提供了思路。
对于图4中的向内传播的零阶Hankel漏波天线，采用HFSS对天线进行了仿真。本设计将10GHz设定为中心工作频率。天线结构参数如下：半径为100mm,上下介质层高度为1.3mm和1mm。以TM模式为例，所需要的容性阻抗表面值为-j75.3Ω，由相互错开的周期性容形方形贴片构成。采用宽带平面周期性结构，实现9GHz～11GHz的阻带，其结果如图7所示。
该天线采用同轴馈电，所设计的天线S参数曲线如图8所示，所设计的天线在9.5～10.5GHz之间S参数都低于-10dB，确保了天线可在此频段内达到良好的匹配。由于漏波模式，该天线具有频率可调特性。图9(a)、(b)、(c)分别给出了该天线在9.5GHz,10GHz和10.5GHz三个频率下产生的电场分布图。并且，表I列出了在三个频率下具体的聚焦特性数据，其中zf表示聚焦位置，即聚焦电场最大值与天线的距离；Δρ和Δz表示聚焦区域的大小，分别代表电场半强度宽度和长度。从表I和图9中可以很清楚地看到，聚焦区域随着频率变化而变化，该天线具有频率可调特性。
表I
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (6)
1.一种用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，其特征在于：包括径向波导，所述径向波导内部沿径向设置一平行于所述径向波导底板的圆形金属板，所述金属板将所述径向波导分隔为上、下两介质层，所述天线通过馈电同轴接头馈电，馈电同轴接头的内芯支撑着所述金属板，所述内芯的顶部不超过所述金属板的下表面，所述圆形金属板边缘与径向波导内壁之间设置有间隙，所述间隙沿径向波导周向形成一环形缝隙，径向波导上层介质表面设有用来激励起漏波模式的阻抗表面结构。
2.根据权利要求1所述的用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，其特征在于：上介质层的中心处设有用来消除天线中心处残留余波的吸收结构。
3.根据权利要求1所述的用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，其特征在于：所述阻抗表面结构为容性表面结构或感性表面结构。
4.根据权利要求1所述的用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，其特征在于：所述吸收结构为高阻抗表面结构、电磁带隙结构或超材料结构。
5.根据权利要求1所述的用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，其特征在于：所述吸收结构为宽带平面周期性结构。
6.根据权利要求5所述的用于近场聚焦的内向零阶Hankel漏波天线，其特征在于：宽带平面周期性结构包括多行多列排列的单元，每个单元包括方形贴片，每个方形贴片的四边分别设有内部有L型槽的L型枝节，所有单元的四个L型枝节都沿顺时针旋转或都沿逆时针旋转，每个单元通过其四周的L型枝节与相邻的方形贴片连接起来构成周期性结构，L型枝节和L型槽在两个方形贴片之间形成分布式电容电感网络。
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