CN107221751A - 一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线 - Google Patents

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高榕
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    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/28—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave comprising elements constituting electric discontinuities and spaced in direction of wave propagation, e.g. dielectric elements or conductive elements forming artificial dielectric

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Abstract

本发明公开了一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，包括槽型间隙波导和垂直其上下表面的两块金属板。所述槽型间隙波导由上层金属板，中间空气层和下层槽型波导组成，其中下层槽型波导一侧为金属柱组成的二维周期性EBG结构，另一侧为一排不同高度的金属柱，形成漏波辐射特性。间隙波导上下设置的垂直其表面的两块金属板，用于减小后瓣提高天线增益。本发明具有的天线具有低副瓣、高效率、低损耗、优良的辐射特性、结构简单，加工方便等优点，可通过结构参数的缩放，适用于微波和毫米波等不同波段。

Description

一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线
技术领域
本发明属于漏波频扫天线领域，具体涉及一种基于间隙波导的低副瓣漏波频率扫描天线。
背景技术
漏波天线具有结构简单，效率高，频率扫描特性较好和方向性较强等优点，在微波以及毫米波频段具有着及为重要的作用，被广泛应用于微波通信、雷达等领域。传统的漏波天线虽具有以上优点，但也存在着各种问题，如基于封闭式波导结构的漏波天线体积庞大，加工成本高，难于集成，愈发难以满足各类电子和通信系统对天线小型化、平面化以及集成化的要求。而基于微带，共面波导等结构的漏波天线，由于微带的开放式结构，会产生表面波模式和寄生模式，影响天线性能，尤其在高频工作时，具有损耗大，效率低等问题，因此不适合现在通信系统向高频方向发展的要求。另外，还有基于基片集成波导结构的漏波天线，随着工作频率的提高，介质损耗增大，影响天线性能。
文献1(P.S.Kildal,E.Alfonso,A.Valero-Nogueira and E.Rajo-Iglesias,"LocalMetamaterial-Based Waveguides in Gaps Between Parallel Metal Plates,"inIEEEAntennas and Wireless Propagation Letters,vol.8,no.,pp.84-87,2009.)提出了间隙波导这一新型结构，和其他传输结构相比，间隙波导具有宽带，低损耗，高度集成，制造简单等优势，在微波尤其是毫米波波段等高频领域具有广阔的应用前景。将间隙波导和漏波天线相结合，不仅具有上述传统漏波天线的优势，又能克服它们的不足，不失为一种新思路。
文献2(Mladen Vukomanovic,Jose-Luis Vazquez Roy,Oscar Quevedo-Teruel,Eva Rajo-Iglesias,and Zvonimir Sipus,“Gap Waveguide LeakyWave Antenna,”IEEETrans.Antennas Propag.,vol.64,no.5,pp.2055–2060,May.2016.)通过在间隙波导一侧放置一排相同高度的金属柱，实现了漏波天线，但未提出实现低副瓣的方法。
由上可知，现有技术虽然实现了基于间隙波导的漏波天线设计，但上述文章及现有公开的文章专利中均未提及基于间隙波导的漏波天线降副瓣的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，适用于微波和毫米波波段。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，包括上层金属板、中间空气层和下层槽型波导，所述上层金属板和下层槽型波导相互平行，二者之间设置中间空气层，其中上层金属板的一侧设置与其垂直的第一金属板,下层槽型波导的一侧设置与其垂直的第二金属板，第一金属板在底面的投影与第二金属板重合；
下层槽型波导在其延伸方向上设置相互平行的二维周期性EBG结构和一排不同高度的金属柱，其中一排不同高度的金属柱靠近第二金属板，二维周期性EBG结构和一排不同高度的金属柱之间的间隙尺寸介于二分之一个波长和一个波长之间，所述二维周期性EBG结构为非辐射侧，一排不同高度的金属柱为辐射侧。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：1)本发明的基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，通过控制辐射侧的金属柱高度，可以得到较低的天线副瓣，同时天线效率高，在整个工作频段内效率可达75％以上；2)本发明的基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，为全金属结构，损耗低，性能稳定，耐压抗磨；3)本发明的基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线结构简单，成本低，易于实现，整个研发周期较短。
附图说明
图1是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线的结构图，其中图(a)为三维图，图(b)为分层结构图。
图2是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线的辐射侧金属柱侧视图。
图3是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线单个金属柱结构图。
图4是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线辐射侧金属柱高度曲线。
图5是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线仿真的反射系数和传输系数图。
图6是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线随频率变化的辐射方向图。
图7是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线随频率变化的增益曲线图。
图8是本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线随频率变化的副瓣曲线图。
具体实施方式
结合附图，本发明的一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，包括上层金属板1、中间空气层2和下层槽型波导3，所述上层金属板1和下层槽型波导3相互平行，二者之间设置中间空气层2，其中上层金属板1的一侧设置与其垂直的第一金属板6，下层槽型波导3的一侧设置与其垂直的第二金属板7，第一金属板6在底面的投影与第二金属板7重合；
下层槽型波导3在其延伸方向上设置相互平行的二维周期性EBG结构4和一排不同高度的金属柱5，其中一排不同高度的金属柱5靠近第二金属板7，二维周期性EBG结构4和一排不同高度的金属柱5之间的间隙尺寸介于二分之一个波长和一个波长之间，所述二维周期性EBG结构4为非辐射侧，一排不同高度的金属柱5为辐射侧。
所述中间空气层2的尺寸小于四分之一波长。
所述二维周期性EBG结构4中的金属柱尺寸均一致。
所述一排不同高度的金属柱5中的金属柱长、宽尺寸及排列周期与二维周期性EBG结构4中的金属柱对应的尺寸一致，一排不同高度的金属柱5的高度满足泰勒加权分布。
所述第一金属板6与第二金属板7的尺寸一致。
所述天线总长L＝291mm，间隙波导槽宽W＝13.5mm，中间空气层2的高度ah＝1mm，二维周期性EBG结构4中的金属柱边长a＝3mm，周期p＝5.8mm，高度ph＝5.5mm，辐射侧一排不同高度的金属柱5共设置50个金属柱，金属柱长、宽尺寸及排列周期与二维周期性EBG结构4中的金属柱对应的尺寸一致，一排不同高度的金属柱5的高度满足-30dB的泰勒加权，第一金属板6和第二金属板7尺寸相同，长为291mm，高Ld＝7mm，宽Wd＝2mm，距离金属板边缘0.8mm。
本发明的工作原理为：漏波天线为行波天线，在间隙波导的一端注入激励信号进行馈电，另一端接负载以吸收剩余功率。槽型间隙波导分为三层，上层金属板、中间空气层和下层槽型波导，其中，下层槽型波导一侧为金属柱组成的二维周期性EBG结构，保持禁带作用，为非辐射侧，另一侧设置一排不同高度的金属柱，形成漏波辐射特性，为辐射侧，通过对该辐射侧金属柱设置不同高度，进行幅度加权，可以实现低副瓣。随着天线工作频率的变化，天线方向图主波束指向也随之变化，使得天线具有频率扫描特性。在间隙波导上下有垂直其表面的两块金属板，充当地板，可以减小天线后瓣和提高增益。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例
结合图1～2，本发明一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，包括上层金属板、中间空气层和下层槽型波导，其中上层金属板的一侧设置与其垂直的第一金属板,下层槽型波导的一侧设置与其垂直的第二金属板，第一金属板在底面的投影与第二金属板重合。下层槽型波导一侧为金属柱组成的二维周期性EBG结构，保持禁带作用，为非辐射侧，另一侧设置一排不同高度的金属柱，形成漏波辐射特性，为辐射侧，通过对该辐射侧金属柱设置不同高度，进行幅度加权，可以实现低副瓣。天线为全金属结构，天线总长L＝291mm，间隙波导槽宽W＝13.5mm，图3中所示非辐射侧二维周期性EBG结构中的金属柱尺寸参数如下：金属柱边长a＝3mm，周期p＝5.8mm，金属柱高度ph＝5.5mm，中间空气层高度ah＝1mm，辐射侧设置50个金属柱，金属柱长、宽尺寸及排列周期与与二维周期性EBG结构中的金属柱对应的尺寸一致，对天线按照副瓣为-30dB的泰勒加权，则辐射侧金属柱高度如图4所示。第一金属板和第二金属板的尺寸相同，长为291mm，高Ld＝7mm，宽Wd＝2mm，距离金属板边缘0.8mm。
一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线仿真使用的是ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS。所得仿真反射系数曲线和传输系数如图5所示，可以看出在阻抗带宽13.5-17.5GHz内，S11均小于-10dB,随频率变化的天线扫描方向图如图6所示，工作频带内随频率变化的天线增益和副瓣如图7-8所示，可以看出，天线增益在18dBi左右，副瓣优于-21.8dB，主波束扫描角范围为23.9°-47.7°。
由上可知，本发明的基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，通过控制辐射侧的金属柱高度，可以得到较低的天线副瓣，同时天线效率高，在整个工作频段内效率可达75％以上。

Claims (6)

1.一种基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，其特征在于，包括上层金属板[1]、中间空气层[2]和下层槽型波导[3]，所述上层金属板[1]和下层槽型波导[3]相互平行，二者之间设置中间空气层[2]，其中上层金属板[1]的一侧设置与其垂直的第一金属板[6]，下层槽型波导[3]的一侧设置与其垂直的第二金属板[7]，第一金属板[6]在底面的投影与第二金属板[7]重合；
下层槽型波导[3]在其延伸方向上设置相互平行的二维周期性EBG结构[4]和一排不同高度的金属柱[5]，其中一排不同高度的金属柱[5]靠近第二金属板[7]，二维周期性EBG结构[4]和一排不同高度的金属柱[5]之间的间隙尺寸介于二分之一个波长和一个波长之间，所述二维周期性EBG结构[4]为非辐射侧，一排不同高度的金属柱[5]为辐射侧。
2.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，其特征在于，中间空气层[2]的尺寸小于四分之一波长。
3.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，其特征在于，二维周期性EBG结构[4]中的金属柱尺寸均一致。
4.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，其特征在于，一排不同高度的金属柱[5]中的金属柱长、宽尺寸及排列周期与二维周期性EBG结构[4]中的金属柱对应的尺寸一致，一排不同高度的金属柱[5]的高度满足泰勒加权分布。
5.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，其特征在于，第一金属板[6]与第二金属板[7]的尺寸一致。
6.根据权利要求1所述基于间隙波导的低副瓣漏波频扫天线，其特征在于，天线总长L＝291mm，间隙波导槽宽W＝13.5mm，中间空气层[2]的高度ah＝1mm，二维周期性EBG结构[4]中的金属柱边长a＝3mm，周期p＝5.8mm，高度ph＝5.5mm，辐射侧一排不同高度的金属柱[5]共设置50个金属柱，金属柱长、宽尺寸及排列周期与二维周期性EBG结构[4]中的金属柱对应的尺寸一致，一排不同高度的金属柱[5]的高度满足-30dB的泰勒加权，第一金属板[6]和第二金属板[7]尺寸相同，长为291mm，高Ld＝7mm，宽Wd＝2mm，距离金属板边缘0.8mm。
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