CN107069227A - 一种复合左右手漏波天线及其综合方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复合左右手漏波天线；所述天线由N个复合左右手波导单元沿直线级联而成，每个复合左右手波导单元的上表面沿纵向设置长缝隙，所述长缝隙与复合左右手波导单元的宽边中心线的缝隙偏置为x_d。本发明的CRLH漏波天线与现有的平面型CRLH漏波天线相比，具有低损耗、高辐射效率、高功率容量等优点；本发明的CRLH漏波天线与现有的波导型CRLH漏波天线相比，能够灵活地对天线方向图进行综合，优化方向图副瓣电平，提高方向图性能。此外，本发明还提供了一种复合左右手漏波天线综合方法。

Description

一种复合左右手漏波天线及其综合方法

技术领域

本发明涉及电磁微波天线领域，特别涉及一种复合左右手漏波天线及其综合方法。

背景技术

复合左右手(Composite Right/Left-Handed，CRLH)漏波天线由于其能够很容易地实现从后向到前向的连续波束扫描能力而得到广泛地关注与研究。迄今为止，已经提出了许多CRLH漏波天线，它们均基于平面传输线结构或者三维波导结构。

平面传输线结构的CRLH漏波天线具有重量轻，剖面低，易加工等优点，但是其损耗大，功率容量低的缺点限制了它们在实际系统中的应用，而且它们通常是通过周期性地级联CRLH辐射单元来构成，由于辐射单元均相同，因此沿天线泄漏的电磁波功率是呈指数衰减的，这就势必会引起天线方向图的高副瓣，平面结构的CRLH漏波天线很难实现激励幅度的加权来降低副瓣。虽然一种基于CRLH基片集成脊波导的缝隙阵实现了方向图副瓣的优化，比一般平面CRLH漏波天线副瓣低5dB(见参考文献[1]:Q.Yang,X.Zhao,and Y.Zhang,"Composite Right/Left-Handed Ridge Substrate Integrated Waveguide Slot ArrayAntennas,"IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.62,pp.2311-2316,2014.)，但是高介质和导体损耗使得该天线的性能降低，仍然不太适用于实际系统。

相比于平面结构的CRLH漏波天线，基于三维波导结构的CRLH漏波天线具有更高功率容量。然而，目前提出的CRLH波导漏波天线是基于加载介质波纹的CRLH波导结构，介质填充的波纹会引入很强的介质损耗，导致天线的辐射效率很低(见参考文献[2]:I.A.Eshrah,A.A.Kishk,A.B.Yakovlev,and A.W.Glisson,"Rectangular waveguide withdielectric-filled corrugations supporting backward waves,"IEEE Transactionson Microwave Theory and Techniques,vol.53,pp.3298-3304,2005.参考文献[3]:M.Navarro-Tapia,J.Esteban,and C."Initial assessment of awaveguide with dielectric-filled corrugations as a technology for slotantennas with backward-to-forward scanning capabilities,"Metamaterials,vol.3,pp.174-184,2009.以及参考文献[4]:M.Navarro-Tapia,J.Esteban,and C.Camacho-Penalosa,"On the Actual Possibilities of Applying the Composite Right/Left-Handed Waveguide Technology to Slot Array Antennas,"IEEE Transactions onAntennas and Propagation,vol.60,pp.2183-2193,2012.)。虽然也有CRLH漏波天线基于空气填充的CRLH波导(见参考文献[5]:K.Dong-Jin and L.Jeong-Hae,"Beam ScanningLeaky-Wave Slot Antenna Using Balanced CRLH Waveguide Operating Above theCutoff Frequency,"IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.61,pp.2432-2440,2013.)，但是这种天线的辐射缝隙被限制在CRLH单元内，天线也如同平面结构那样，通过直接级联CRLH波导辐射单元构成，因此该天线激励分布也是呈指数衰减分布，同样会导致方向图高副瓣，降低天线的性能。

发明内容

本发明的目的在于克服目前CRLH漏波天线存在的难以进行方向图综合设计，损耗大，辐射效率低以及方向图副瓣电平高等缺点；提供了一种CRLH漏波天线综合设计方法，该方法能够设计出高性能的CRLH漏波天线，该漏波天线具有损耗小，辐射效率高，低副瓣电平等优点。

为了实现上述目的，一种复合左右手漏波天线；所述漏波天线由N个复合左右手波导单元沿直线级联而成，其特征在于，每个复合左右手波导单元的上表面沿纵向设置长缝隙，所述长缝隙与复合左右手波导单元的宽边中心线的缝隙偏置为x_d。

上述技术方案中，所述每个复合左右手波导单元的缝隙偏置x_d相同或不相同，当x_d相同时，所有复合左右手波导单元的长缝隙形成一条直线，即漏波天线的上表面上有一条直线的长缝隙；当x_d不相同时，所有复合左右手波导单元的长缝隙组成一条蜿蜒线，即漏波天线的上表面上有一条蜿蜒线的长缝隙。

上述技术方案中，所述复合左右手波导单元的个数N≥2。

上述技术方案中，所述复合左右手波导单元的腔体内部为空气或者真空。

本发明还提供了一种复合左右手漏波天线综合方法，用于设计生成上述的复合左右手漏波天线，所述方法具体包括：

步骤1)根据设计要求确定天线口径大小L，将连续线源L离散化成M个天线阵元，阵元间隔为d，其中(M-1)×d≤L；

步骤2)根据每个天线阵元位置计算每个天线阵元n的漏波因子α(n)；

步骤3)根据每个天线阵元n的漏波因子α(n)计算每个天线阵元n的缝隙偏置x_dn；

步骤4)沿复合左右手波导在每个天线阵元n对应的复合左右手波导单元的上表面开x_dn的长缝隙，即设计出复合左右手波导漏波天线。

上述技术方案中，天线阵元的个数M小于复合左右手波导单元的个数N，即一个天线阵元可包含一个或多个复合左右手波导单元。

上述技术方案中，所述步骤2)的具体实现过程为：

根据标准方向图综合技术，得到天线阵元激励A(n)，n＝1,2,…,M.，其中标签n是从复合左右手波导的馈电端开始编号，则阵元位置p(n)＝0.5×[L-(M-1)d]+(n-1)d，对应的漏波因子α(n)由(2)得到：

其中η是辐射效率，η>90％。

上述技术方案中，所述步骤3)的具体实现过程为：

在天线阵元n对应的复合左右手波导单元的上表面沿复合左右手波导开直线长缝隙，缝隙长度为l_slotn，缝隙偏置为x_dn，则该偏置下对应的漏波因子α(n)为：

α(n)＝-ln|S₂₁|/l_slotn (4)

其中S₂₁为复合左右手波导的馈电端到负载端的传输系数，由电磁仿真工具直接得到，S₂₁随x_dn的改变而改变，x_dn增大，对应的S₂₁减小；x_dn减小，对应的S₂₁增大；

改变缝隙偏置x_dn，利用(3)即可得到对应的漏波因子α(n)，使之等于(2)中α(n)，由此根据漏波因子确定每个天线阵元的缝隙偏置x_dn。

本发明的优点在于：

1、本发明的高性能CRLH漏波天线与现有的平面型CRLH漏波天线相比，具有低损耗、高辐射效率、高功率容量等优点；

2、本发明的高性能CRLH漏波天线与现有的波导型CRLH漏波天线相比，能够灵活地对天线方向图进行综合，优化方向图副瓣电平，提高方向图性能；

3、本发明的高性能CRLH漏波天线综合方法能够指导CRLH漏波天线的综合，优化指定的方向图性能。

附图说明

图1a为本发明的CRLH波导单元结构的正视图；

图1b为本发明的CRLH波导单元结构的斜视图；

图1c为本发明的CRLH波导单元结构中上半部分主波导与下半部分波纹波导的分界面正视图；

图1d为本发明的CRLH波导单元级联而成的波导结构图(两端用波导阶梯过渡，以便与标准波导连接)；

图2a为本发明的一个CRLH漏波天线实施例结构示意图；

图2b为截取一个波导单元的CRLH漏波天线正视图；

图2c为截取一个波导单元的CRLH漏波天线斜视图；

图3为本发明的CRLH漏波天线的一个实施例的示意图；

图4为天线方向图副瓣电平为-30dB的泰勒方向图时，其50阵元的归一化激励幅度；

图5为天线阵元位置与漏波因子的关系曲线；

图6为天线缝隙偏置与漏波因子的关系曲线；

图7为天线阵元位置与缝隙偏置的关系曲线；

图8为本发明的CRLH漏波天线实施例的增益方向图。

具体实施方式

在对本发明的实施方式做详细说明之前，首先对相关的原理进行说明。

本发明的高性能CRLH漏波天线综合方法是基于一个高性能的CRLH波导实现的，高性能CRLH漏波天线是由具有CRLH特性的波导单元构成。对于传统矩形波导，其等效传输线单位长度串联电感和并联电容值分别为

η是空气的波阻抗，f_cw是波导主模截止频率，Z₀是常数，为矩形波导特性阻抗。从(1)式很明显可以看出，当工作频率在截止频率以下，即f<f_cw，C′<0，因此对于倏逝TE模，波导固有并联电感特性。为了实现左手特性，还需要一个能工作在主波导截止频率以下的容性的串联枝节，因此在波导宽边加载能工作在主波导截止频率以下的横向短路枝节，调节其长度使得该短路枝节呈容性即可满足。

作为高性能CRLH波导技术的一种实现手段，以CRLH双脊波纹波导为例对本发明方案加以说明。单元结构如图1a-1c所示，单元级联即可得到复合左右手双脊波纹波导，在实际应用中，两端通过一段阶梯波导与标准矩形波导进行匹配，如图1d所示。因为同样宽度的条件下，双脊波导的截止频率要小于矩形波导的截止频率。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图2a-2c所示，一种CRLH漏波天线；所述漏波天线由一种高性能的CRLH波导为基础构成；所述天线由N个CRLH波导单元沿直线级联而成，每个CRLH波导单元的上表面沿纵向设置长缝隙，所述长缝隙与CRLH波导单元的宽边中心线的缝隙偏置为x_d；每个CRLH波导单元的x_d可以相同也可以不相同，当x_d相同时，所有CRLH波导单元的长缝隙形成一条直线，即漏波天线的上表面上有一条直线的长缝隙；当x_d不相同时，所有CRLH波导单元的长缝隙组成一条蜿蜒线，即漏波天线的上表面上有一条蜿蜒线的长缝隙，蜿蜒线的长缝隙可以用来控制激励幅度，优化天线方向图性能。

所述N≥2。所述CRLH波导单元的腔体内部为空气或者真空。

此外，本发明还提供了一种CRLH漏波天线综合方法，综合方法是CRLH漏波天线的设计方法，具体包括：

步骤1)根据设计要求确定天线口径大小L，为了便于综合设计，将连续线源L离散化成M个天线阵元，阵元间隔为d，其中(M-1)×d≤L；

M<N，即一个天线阵元可包含一个或多个CRLH波导单元。

步骤2)根据每个天线阵元位置计算每个天线阵元的漏波因子；

根据标准方向图综合技术，得到天线阵元激励A(n)，n＝1,2,…,M.，其中标签n是从CRLH波导的馈电端开始编号，则阵元位置p(n)＝0.5×[L-(M-1)d]+(n-1)d，对应的漏波因子α(n)可由(2)得到：

其中η是辐射效率，一般选择η>90％。

步骤3)根据每个天线阵元的漏波因子计算每个天线阵元的缝隙偏置；

利用电磁仿真工具建立N个如附图1所示单元级联的CRLH波导，设置波导壁材料为理想导体，在天线阵元n对应的CRLH波导单元的上表面沿CRLH波导开直线长缝隙，缝隙长度为l_slotn，缝隙偏置为x_dn，则该偏置下对应的漏波因子α(n)为：

α(n)＝-ln|S₂₁|/l_slotn (7)

其中S₂₁为的CRLH波导馈电端(1端口)到负载端(2端口)的传输系数，可由电磁仿真工具直接得到，S₂₁随x_dn的改变而改变，x_dn增大，对应的S₂₁减小；x_dn减小，对应的S₂₁增大。

改变缝隙偏置x_dn，利用(3)即可得到对应的漏波因子α(n)，使之等于(2)中α(n)，根据漏波因子确定每个天线阵元的缝隙偏置。

步骤4)沿CRLH波导在每个天线阵元n对应的CRLH波导单元的上表面开x_dn的长缝隙，即设计出CRLH波导漏波天线。

如图3所示，作为所述CRLH漏波天线的一个实施例，所述CRLH漏波天线由100个CRLH波导单元直线级联构成，单元尺寸为a＝4.37mm,b＝2.8mm,d＝1mm,l＝1.585mm,p＝2.8mm,s＝1.2mm,w＝1.8mm；所述参数含义见图1c标注；所述CRLH漏波天线在CRLH波导上宽边开长缝隙构成，长缝隙的宽度为0.6mm；所述的长缝隙离宽边中心线的偏置x_d随位置改变；按照上述综合方法，该实施例的详细综合步骤如下：

1)将天线离散成M＝50阵元的天线阵，阵元间隔d＝2×p＝5.6mm，拟综合的方向图为副瓣电平为-30dB的泰勒方向图，根据标准天线综合技术，则其归一化的激励幅度如附图4所示。设定天线的辐射效率为95％，则根据式(2)，即可得到对应的漏波因子曲线，如附图5所示；

2)利用电磁仿真工具建立M＝5单元的CRLH波导，设置波导壁材料为理想导体，在波导的上宽边沿CRLH波导开直线长缝隙，缝隙长度为l_slot＝4×p＝11.2mm，偏置为x_d从0.01mm到1mm以0.01mm的步长改变，根据式(3)计算得到每个偏置x_d对应的漏波因子α，如附图6所示。为了建立漏波因子α和偏置x_d之间的解析关系，我们采用曲线拟合，得到二者之间的关系，

该曲线同样也在附图6画出，可以看出两条曲线拟合得很好。

3)根据以上两步的结果，即可得到阵元位置与缝隙偏置的关系曲线，如附图7所示。

至此，即完成了如附图3所示的CRLH漏波天线的综合。

利用电磁仿真工具CST Microwave Studio仿真设计的高性能CRLH漏波天线，得到其增益方向图，如附图8所示，方向图从左到右对应的频率依次为：32.3GHz，32.6GHz，33.0GHz，33.5GHz，33.9GHz，34.5GHz，35.0GHz，35.5GHz，36.0GHz，38.0GHz，40.0GHz。可以看出该CRLH漏波天线的主波束具有随频率从后向到前向连续扫描的能力，在33.9GHz时具有正侧视波束。该天线具有高增益，约为20dBi，在设计频点33.9GHz处的副瓣电平优于-24dB，在其他频点处的副瓣电平也基本由于-20dB，这要比没有利用本方法设计的CRLH漏波天线的副瓣电平低约9～10dB，验证了所述高性能CRLH漏波天线综合方法的有效性。

在采取不同的工作频率和单元尺寸的情况下，经过多次实验同样可以证明本方法的有效性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种复合左右手漏波天线；所述漏波天线由N个复合左右手波导单元沿直线级联而成，其特征在于，每个复合左右手波导单元的上表面沿纵向设置长缝隙，所述长缝隙与复合左右手波导单元的宽边中心线的缝隙偏置为x_d。

2.根据权利要求1所述的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述每个复合左右手波导单元的缝隙偏置x_d相同或不相同，当x_d相同时，所有复合左右手波导单元的长缝隙形成一条直线，即漏波天线的上表面上有一条直线的长缝隙；当x_d不相同时，所有复合左右手波导单元的长缝隙组成一条蜿蜒线，即漏波天线的上表面上有一条蜿蜒线的长缝隙。

3.根据权利要求1所述的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述复合左右手波导单元的个数N≥2。

4.根据权利要求1所述的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述复合左右手波导单元的腔体内部为空气或者真空。

5.一种复合左右手漏波天线综合方法，用于设计权利要求1-4之一所述的复合左右手漏波天线，所述方法具体包括：

步骤1)根据设计要求确定天线口径大小L，将连续线源L离散化成M个天线阵元，阵元间隔为d，其中(M-1)×d≤L；

步骤2)根据每个天线阵元位置计算每个天线阵元n的漏波因子α(n)；

步骤3)根据每个天线阵元n的漏波因子α(n)计算每个天线阵元n的缝隙偏置x_dn；

步骤4)沿复合左右手波导在每个天线阵元n对应的复合左右手波导单元的上表面开x_dn的长缝隙，即设计出复合左右手波导漏波天线。

6.根据权利要求5所述的复合左右手漏波天线综合方法，其特征在于，天线阵元的个数M小于复合左右手波导单元的个数N，即一个天线阵元可包含一个或多个复合左右手波导单元。

7.根据权利要求5所述的复合左右手漏波天线综合方法，其特征在于，所述步骤2)的具体实现过程为：

根据标准方向图综合技术，得到天线阵元激励A(n)，n＝1,2,…,M.，其中标签n是从复合左右手波导的馈电端开始编号，则阵元位置p(n)＝0.5×[L-(M-1)d]+(n-1)d，对应的漏波因子α(n)由(2)得到：

<mrow> <mn>2</mn> <mi>&amp;alpha;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>/</mo> <mrow> <mo>(</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>M</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>-</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>n</mi> </munderover> <msup> <mrow> <mo>|</mo> <mi>A</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>|</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中η是辐射效率，η>90％。

8.根据权利要求7所述的复合左右手漏波天线综合方法，其特征在于，所述步骤3)的具体实现过程为：

在天线阵元n对应的复合左右手波导单元的上表面沿复合左右手波导开直线长缝隙，缝隙长度为l_slotn，缝隙偏置为x_dn，则该偏置下对应的漏波因子α(n)为：

α(n)＝-ln|S₂₁|/l_slotn (2)

其中S₂₁为复合左右手波导的馈电端到负载端的传输系数，由电磁仿真工具直接得到，S₂₁随x_dn的改变而改变，x_dn增大，对应的S₂₁减小；x_dn减小，对应的S₂₁增大；

改变缝隙偏置x_dn，利用(3)即可得到对应的漏波因子α(n)，使之等于(2)中α(n)，由此根据漏波因子确定每个天线阵元的缝隙偏置x_dn。