CN107146943A - 栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法，该波导缝隙天线包括具有辐射缝隙的金属波导管，用于使得工作频段电磁波在天线内传输，并抑制低频段阻带电磁波在天线内传输；金属波导管内底面上分布多个金属柱，各金属柱的上端面构成不连续金属面，用于阻止高频段阻带电磁波在天线内传输。本发明通过融合设计，将滤波器和天线这两个本各自独立的微波部件，巧妙的融合在一起，令天线具有在工作频段正常辐射、同时实现工作频带外双频段抑制能力，而且这种融合方式降低了系统抗干扰设计难度、减少设备量。

Description

栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及一种栅格槽超材料波导缝隙天线及其设计方法。

背景技术

随着应用与需求的快速发展，对电磁频谱的利用已得到极大的拓展和充分应用，并且越来越显的拥挤不堪。一方面，工作于各个频率的电子设备越来越多；另一方面，一些平台如舰船、飞机和卫星等空间受到限制。在这种高密度频谱情况下，使各电子设备的电磁环境非常恶劣，因此在设计各个电子系统时都要考虑干扰和抗干扰等电磁兼容性问题。

对于电子系统之间电磁兼容性问题的解决，常规的方法是外加滤波器，或者增加两种设备之间的空间距离从而增加空间隔离度。

目前，在各类电子系统中针对带外电磁干扰通常采用外加滤波器的方法。这种方法简单有效，但是设备量增加，尤其是在一些大型相控阵天线中，天线单元数成千上万。外加滤波器时增加了馈线损耗，特别是滤波器加在T/R组件与天线之间的情况下，对系统指标影响大。

对于增加电子设备之间的空间距离的方法，将造成整个系统结构、体积、重量等方面的牺牲，在实际应用中受限条件非常大，特别是安装平台狭小的情况，如在星载合成孔径雷达(SAR)中，为了解决数传天线对SAR系统的干扰，将数传天线通过展开结构伸出卫星平台近3米左右(M.斯坦厄，R.沃宁豪斯，R.扎恩，X波段地面观测合成孔径雷达有源相控阵天线，2003年国际相控阵系统与技术会议，美国，波士顿，2003年10月，pp:70-75/M.Stangle,R.Werninghaus,and R.Zahn,The TerrSAR-X Active Phased Array Antenna,IEEEInternational Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003,Boston,USA,Oct.,2003,pp:70-75)，这样不仅造成重量的增加，也增加了设计难度和系统故障点，降低了系统的可靠性。

汪伟、李磊、张洪涛等人发明的“频率选择性宽带波导缝隙天线阵”(CN10557040B)利用宽带缝隙波导天线阵中的馈电波导段，集成了波导滤波器，实现了天线频率选择性工作能力，抑制了带外射频信号干扰。但是，这种抗干扰是实施在拥有波导功分器可利用直波导段的宽带缝隙波导天线上，对于无波导功分器直波导段的单层波导缝隙天线而言，则无集成滤波器空间。

近几年出现的滤波天线则采用天线与滤波器级联一体化设计方法(余晨、洪伟、周健义，基片集成波导全向滤波天线多天线阵列，电波科学学报，Vol.27(2)，2012，pp:301-306)，在物理上仍然是独立的。

以单面栅格槽构成的平面波导在不同频段表现出完美电导体(PEC)和完美磁导体(PMC)特性，可以作为金属壁使用，替代完整封闭的金属波导壁，降低加工难度(S.M.基勒，A.V.努古让，H.I.H.赫如祖，M.B.埃斯库德若，间断槽波导窄边非倾斜缝隙激励寄生偶极子天线，第七届欧洲天线与传播会议，4月，2013，pp：3082-3085/S.M.Giner,A.V.-Nogueira,H.I.H.Herruzo,M.B.Escudero,Excitation of untilted narrow-wall slot in groovegap waveguide by using a parasitic dipole,2013 7th European Conference onAntennas and Propagation,April，2013,pp:3082-3085)，就目前文献资料，仅限于替代波导壁使用。

本发明主要解决上述抗干扰功能的滤波器和电磁波定向辐射的天线两个微波部件物理上各自独立的问题，使两者完全融合。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种栅格槽超材料波导缝隙天线，通过融合设计，将滤波器和天线这两个本各自独立的微波部件，巧妙的融合在一起，天线具有在工作频段正常辐射的能力，同时实现工作频带外双频段抑制能力，而且这种融合方式降低了系统抗干扰设计难度、减少设备量。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种栅格槽超材料波导缝隙天线，包括具有辐射缝隙的金属波导管，其特征在于，金属波导管内底面上分布多个金属柱，各金属柱的上端面构成不连续金属面，不连续金属面在工作频段和低频段阻带表现为近似完美电导体，允许天线工作频段电磁波传输，抑制低频段阻带的电磁波的传输；所述不连续金属面在高频段阻带表现为近似完美磁导体，抑制高频段阻带电磁波使之不传输。

优选地，金属波导管内分布多个等尺寸的金属柱。

优选地，等尺寸的金属柱均匀分布。

优选地，金属波导管内各金属柱的横截面为矩形，相邻金属柱的横向间距相等，相邻金属柱的纵向间距相等。

优选地，金属柱的横截面为圆形、六边形、矩形或正方形。

优选地，当本波导缝隙天线为驻波阵时，所述金属波导管两端中一端作为信号输入端口，另一端封闭；当本波导缝隙天线为行波阵时，所述金属波导管一端作为信号输入端口，另一端连接匹配负载。

优选地，所述金属波导管为矩形截面管，辐射缝隙开设在所述金属波导管的上壁面。

优选地，所述金属波导管为具有金属极的脊波导，金属柱分布在金属脊的两侧。

本发明还提供了一种栅格槽超材料波导缝隙天线的设计方法，设计出的波导缝隙天线将滤波器融合到天线中，令天线具有在工作频段正常辐射的能力，同时实现工作频带外双频段抑制能力。

该方法用于设计上述任意一种栅格槽超材料波导缝隙天线，该天线具有低频段阻带和高频段阻带，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据天线正常传输的工作频段和需要滤波抑制的低频段阻带，设计无金属柱的金属波导管，使之在工作频段传输，而在低频段阻带抑制不传输；

步骤2、在步骤1获得的金属波导管中加入金属柱；通过三维电磁仿真优化，确定金属柱尺寸和间隔，使带有金属柱的金属波导管阻止高频段阻带电磁波在金属波导管内传输；

步骤3、所述金属柱上端面构成的不连续金属面将金属波导管分割为上下两部分，上部分为传统意义的波导；在该传统意义的波导上设计辐射缝隙，完成所述栅格槽超材料波导缝隙天线的设计。

优选地，步骤2在进行优化时，对于金属柱的高度h以高频段阻带的中心点波长的1/4作为优化初始值。

有益效果：

(1)本发明通过设置金属柱，使得天线波导管内出现不连续金属面，不连续金属面相当于滤波器，而不连续金属面之上连通的空间相当于传统的波导，那么通过内置于金属波导管的不连续金属面可以将滤波器和天线这两个本各自独立的微波部件，巧妙的融合在一起，令天线具有在工作频段正常辐射的能力，同时实现工作频带外双频段抑制，表现为低频抑制频带的高通滤波和高频抑制频带的带阻滤波，兼具两个滤波器功能，而且无附加设备。因此这种一体的设计方式能够降低系统抗干扰设计难度、减少设备量。

(2)通过本发明的设计，使得栅格槽超材料波导缝隙天线在工作频段可以实现低损耗辐射，天线效率高。

(3)本发明栅格槽超材料波导缝隙天线采用完全金属结构，损耗低，相对于传统缝隙波导天线外加滤波器而言，工作频带无附加损失。

(4)本发明栅格槽超材料波导缝隙天线中具备滤波功能的超材料金属波导管和辐射缝隙可以独立设计，设计难度低。

(5)本发明采用纯金属材料加工，可靠性高，应用环境范围广。

附图说明

图1为本发明立体结构示意图；

图2为图1除去辐射面的俯视图；

图3为本发明横截面图；

图4为本发明纵向剖面图；

图5为本发明栅格槽金属波导管的电磁波传输特性曲线；

图6为本发明栅格槽超材料波导缝隙天线传输特性曲线；

图7为本发明栅格槽超材料波导缝隙天线工作频带电压驻波比曲线；

图8为本发明栅格槽超材料波导缝隙天线工作5.2GHz辐射方向图；

图9为本发明栅格槽超材料波导缝隙天线工作5.4GHz辐射方向图；

图10为本发明栅格槽超材料波导缝隙天线工作5.6GHz辐射方向图；

图11为本发明金属柱的一种可选方案。

图12为本发明金属柱的另一种可选方案。

上图中序号：金属波导管1、金属柱2、辐射缝隙3、金属柱上端面4。

具体实施方式

本发明提供了一种栅格槽超材料波导缝隙天线，其核心思想是，在金属波导管内底面上分布有多个金属柱，各金属柱的上端面构成形似栅格的不连续金属面；通过金属波导管的设计可以实现工作频段电磁波在天线内传输，并抑制低频段阻带电磁波在天线内传输；通过不连续金属面的设计可以阻止高频段阻带电磁波在天线内传输。不连续金属面在天线工作频带和低频抑制频带表现为近似完美电导体，使得工作频段电磁波可在波导腔体内传输，而低频抑制频段处于波导截至频率以下，故该频段电磁波被抑制。不连续金属面在高频抑制频段表现为近似完美磁导体，进而可以抑制高频抑制频段的电磁波在波导腔体内传输。其中，不连续金属面的特性可以通过金属柱尺寸和间隔的设计实现改变。

可见，本发明通过设置金属柱，使得天线波导管内出现不连续金属面，不连续金属面相当于滤波器，而不连续金属面之上连通的空间相当于传统的波导，那么通过内置于金属波导管的不连续金属面可以将滤波器和天线这两个本各自独立的微波部件，巧妙的融合在一起，令天线具有在工作频段正常辐射、同时抑制工作频带外的电磁干扰的能力，而且这种一体的设计方式能够降低系统抗干扰设计难度、减少设备量。

本发明可以应用于包括脊波导的各种波导，当应用于脊波导时，上述金属柱分布在金属脊的两侧的空间内。

下面结合附图对本发明的实施例进行详细描述。

参见图1，本实施例中，栅格槽超材料波导缝隙天线应用于C波段的5.3～5.5GHz，在该频带范围内作为天线正常辐射，在X波段7.9～8.6GHz范围和S波段3.5GHz以下为干扰频段，抑制度大于40dB。本实施例的栅格槽超材料波导缝隙天线包括矩形截面空心的金属波导管1，内含有众多金属柱2；金属波导管1上部金属壁开的辐射缝隙3；本实施例中波导缝隙天线为驻波阵，因此所述金属波导管两端中一端封闭短路，另一端作为信号输入端口。

参见图2、图3和图4，金属波导管1是一个横截面长a、宽b的长管，由宽度相同的上下金属壁、高度相同的左右窄边金属壁环绕包围而成。在金属波导管1的下宽边金属壁内表面上凸出众多金属柱2。本实施例中，各金属柱2采用同尺寸金属柱，其截面长Sa、宽Sb，高度为h，金属柱以矩阵的方式均匀分布在金属波导管1下表面，相邻金属柱在两个方向的间距分别为d1和d2，d1和d2可以相等或不等。本实施例是为了方便加工和便于进行参数的统一设计，所以采用的等尺寸的金属柱和均匀分布方式，这种设计结果所带来的产品性能未必最佳，因此在实际中，可以根据需要对金属柱采用不用尺寸和间隔的设计，但通常变量越多，设计难度就越大。

金属波导管1的尺寸与工作频率和低频段阻带相关。与常规波导管相同，通常选择a>b，a选择与工作频段和低频阻带相关，即截止导波长为2a；内部金属柱2尺寸与高频段阻带相关；辐射缝隙与工作频段相关。

具体设计时，给出一定技术指标，通常为正常传输的工作频段和需要滤波抑制的干扰频段，以及抑制度要求，先根据工作频段和低频段阻带设计金属波导管，使之在工作频带传输，而在低频段阻带抑制不传输；然后根据高频段阻带设计金属柱；最后，以金属波导管内金属柱上部空间为传统意义的缝隙波导天线，在该缝隙波导天线上设计辐射缝隙，完成所述栅格槽超材料波导缝隙天线的设计。

下面说明如何根据具体指标要求来设计具有两个阻带的天线。

假设给定低频段阻带最高频f_Stop1H、工作频带f_L～f_H、高频段阻带f_stop2L～f_stop2H，抑制度大于40dB。

具体设计步骤确定如下：

步骤1：根据天线的工作频段和需要滤波抑制的低频段阻带，设计无金属柱的金属波导管1，使之在工作频段传输，而在低频段阻带抑制不传输。

本步骤中，根据工作频带f_L～f_H和低频段阻带的最高频f_Stop1H确定金属波导管1的截面宽度a。通常，考虑到高次模、损耗和传输功率，金属波导管1尺寸选择范围为：0.5λ≤a≤λ，0<b≤0.5λ，其中λ是工作频率波长，按最大波长计算，a取值在30～60mm之间，b在0～30mm之间选取。考虑到低频段阻带，保证阻带最高频率f_Stop1H抑制度，要求a≤0.5λ_stop1H，即a取值小于42mm附近。结合两者要求，a优选为32mm，b选择为14.6mm。

步骤2、在步骤1获得的金属波导管中加入金属柱；通过三维电磁仿真优化，确定金属柱尺寸和间隔，使带有金属柱的金属波导管阻止高频段阻带电磁波在天线内传输。

本步骤中，金属柱尺寸与高频段阻带要求相关，通过三维电磁仿真优化使带有众多金属柱的波导管在工作频段和低频段阻带表现为近似完美电导体(PEC)，而在阻带表现为近似完美磁导体(PMC)。优化时，在加工工艺等制约条件下，尝试各种参数组合，其中金属柱h的高度可以以高频段中心点波长的1/4为优化初始值。本实施例的优化结果为：金属柱长Sa和宽Sw选择相同，优选为5.2mm，金属柱2的高度h选择范围在0～b之间，优选为8.6mm，金属柱间距d1和d2选择相同尺寸，优选为1.2mm。

图5是上述尺寸优化后金属波导管1的传输特性仿真结果，波导管在3.8GHz以下抑制度大于40dB，在7.8～8.8GHz范围内抑制度大于40dB，在4.9～7.6GHz范围内传输，插入损耗小于0.1dB。

通过步骤1和步骤2的设计，不连续金属面在低频阻带和工作频带表现为近似完美电导体，使超材料波导管在相应频段分别工作于截至频段和传输频段；不连续金属面在高频阻带表现为近似完美磁导体，抑制该频段的电磁波在其内传输。综上，所述超材料金属波导管表现为一种低损耗传输线兼具低频和高频段阻带的双重特性。

步骤3、所述金属柱上端面构成的不连续金属面将金属波导管(1)分割为上下两部分，上部分为传统意义的波导；在该传统意义的波导上设计辐射缝隙，完成所述栅格槽超材料波导缝隙天线的设计。

本步骤中，在宽度为a、高度为b-h的传统意义的金属波导管上优化设计缝隙波导天线，波导管的一个终端由金属封闭短路，另一端作为信号输入端，三维电磁仿真优化计算，得到辐射缝隙的长度、偏置(细长辐射缝隙纵向中心线与波导宽边纵向中心线之间的距离)和两个相邻缝隙之间的间距，优选尺寸分别为27.6mm、3.7mm和32mm，辐射缝隙宽度以加工限制条件为依据，优选为2mm。

将上述传统意义矩形金属波导缝隙天线优化设计得到的辐射缝隙以相同的尺寸开设在超材料金属波导的上部金属壁上，如图1所示，就可以得到所述栅格槽超材料波导缝隙天线。

图6是所述栅格槽超材料波导缝隙天线与超宽带天线之间空间耦合S21曲线，天线在5.3～5.5GHz工作频段内耦合系数在-20.5～-19.7dB之间，在5.1～5.6GHz频带内耦合系数在-22～-19.7dB之间，在低频和高频干扰频段分别低于-78.5dB和-62.5dB，这说明天线对干扰频段的抑制度大于40dB。

图7是所述栅格槽超材料波导缝隙天线在5.23～5.56GHz带宽内端口电压驻波比(VSWR)，小于1.5；在5.18～5.59GHz带宽内端口电压驻波比，小于2，说明天线在工作频段匹配良好，并且具有很好的工作带宽拓展能力。

图8、图9和图10给出了所述栅格槽超材料波导缝隙天线在5.2GHz、5.4GHz和5.6GHz三个频率的辐射方向图，表现出良好的均匀分布线阵辐射特性，方向性系数分别为10.9dB、11.5dB、11.2dB。结合天线驻波特性，说明所述天线在400MHz范围内具有良好性能。

图11和图12给出了所述栅格槽超材料波导缝隙天线中的金属波导管金属柱两种可选方案，图11为六边形截面的金属柱，图12为圆形截面的金属柱，其尺寸与间隙同样可以通过三维电磁仿真按所述矩形截面金属优化设计得到。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的详细说明，不能认定本发明具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，如金属柱形状、数量和排列方式等；辐射缝形状、位置和旋转角；缩短或延长金属波导管长度，并且减少或增加辐射缝隙数量；金属波导管终端短路的驻波阵改为终端端接匹配负载的行波阵；改变尺寸使波导管工作频段、阻带等位于上述要求不同位置，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的发明保护范围。

Claims (10)

1.一种栅格槽超材料波导缝隙天线，包括具有辐射缝隙(3)的金属波导管(1)，其特征在于，金属波导管(1)内底面上分布多个金属柱(2)，各金属柱(2)的上端面构成不连续金属面，不连续金属面在工作频段和低频段阻带表现为近似完美电导体，允许天线工作频段电磁波传输，抑制低频段阻带的电磁波的传输；所述不连续金属面在高频段阻带表现为近似完美磁导体，抑制高频段阻带电磁波使之不传输。

2.如权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于，金属波导管(1)内分布多个等尺寸的金属柱(2)。

3.如权利要求2所述的波导缝隙天线，其特征在于，等尺寸的金属柱(2)均匀分布。

4.如权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于，金属波导管(1)内各金属柱(2)的横截面为矩形，相邻金属柱(2)的横向间距相等，相邻金属柱(2)的纵向间距相等。

5.如权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于，金属柱(2)的横截面为圆形、六边形、矩形或正方形。

6.如权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于，当本波导缝隙天线为驻波阵时，所述金属波导管(1)两端中一端作为信号输入端口，另一端封闭；当本波导缝隙天线为行波阵时，所述金属波导管(1)一端作为信号输入端口，另一端连接匹配负载。

7.如权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于，所述金属波导管(1)为矩形截面管，辐射缝隙(3)开设在所述金属波导管(1)的上壁面。

8.如权利要求1所述的波导缝隙天线，其特征在于，所述金属波导管(1)为具有金属极的脊波导，金属柱分布在金属脊的两侧。

9.一种如权利要求1～8任意一项所述的栅格槽超材料波导缝隙天线的设计方法，该天线具有低频段阻带和高频段阻带，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1、根据天线正常传输的工作频段和需要滤波抑制的低频段阻带，设计无金属柱的金属波导管(1)，使之在工作频段传输，而在低频段阻带抑制不传输；

步骤2、在步骤1获得的金属波导管中加入金属柱；通过三维电磁仿真优化，确定金属柱尺寸和间隔，使带有金属柱的金属波导管阻止高频段阻带电磁波在金属波导管内传输；

步骤3、所述金属柱上端面构成的不连续金属面将金属波导管(1)分割为上下两部分，上部分为传统意义的波导；在该传统意义的波导上设计辐射缝隙，完成所述栅格槽超材料波导缝隙天线的设计。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤2在进行优化时，对于金属柱的高度h以高频段阻带的中心点波长的1/4作为优化初始值。