CN108321506A - 具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线 - Google Patents

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席斌
李元新
赵震宇
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Sun Yat Sen University
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Sun Yat Sen University
SYSU CMU Shunde International Joint Research Institute
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Abstract

本发明公开了具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，由周期性排列的互相平行的斜短截线与传输线组合形成金属辐射体，使天线尺寸明显小于相同工作频段的常规微带矩形漏波天线，同时，按斜短截线的长度和相邻斜短截线的间距之间的大小关系，本发明得到不同的频扫特性，即斜短截线重叠情况下实现天线主波束前向扫描，斜短截线不重叠情况下实现天线主波束前后向扫描。

Description

具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线
技术领域
本发明涉及无线通信应用领域，特别是具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线。
背景技术
在无线通信应用中，在雷达系统、移动通信方面、航空定位系统等应用场合中，往往需要可以实现主波束的波束扫描的天线，于是，电控波束可调天线技术在近年来得到了充分的发展，传统的波束可调天线大部分采用天线阵技术来实现天线的波束扫描，天线体积庞大、馈电系统和控制系统复杂，而微带漏波天线因其自身的优点、尤其是波束电控频扫特性，在相关领域得到了充分的发展与应用。
目前微带漏波天线有多种多样的设计，但是由于微带漏波天线的结构特性，多个谐振单元结构使得天线尺寸变大，并且难于制作，一般只能实现波束的前向扫描，波束扫描范围较小。
发明内容
为解决上述问题，本发明的使用斜短截线和传输线构成金属辐射体，使天线尺寸明显小于相同工作频率的传统微带矩形漏波天线，且根据金属辐射体的尺寸和结构关系，实现两种工作模式。
本发明解决其问题所采用的技术方案是：
具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，包括介质平面、金属平面、馈电接头、传输线和周期性排列的斜短截线，每条所述斜短截线互相平行，所述斜短截线的一端与所述传输线连接且分布于传输线的同一侧，从而构成金属辐射体，所述斜短截线与传输线相交形成的夹角为锐角，所述所述金属辐射体设置于所述介质平面的一侧表面，所述介质平面的另一侧表面与所述金属平面连接，所述馈电接头包括外导体和中心馈线针，所述外导体与所述金属平面连接，所述中心馈线针与金属辐射体连接。
进一步，作为所述金属辐射体的其中一种结构，所述相邻两条所述斜短截线之间的距离在传输线上的投影的长度大于斜短截线的长度。
进一步，所述介质平面的宽度与金属辐射体的结构有关，其宽度修正公式用W′表示如下：
其中εe为有效介电常数，与介质平面的相对介电常数有关，W为斜短截线4的长度，a为斜短截线的宽度，d为相邻两条斜短截线之间的间距，s为传输线的宽度，γ为斜短截线与传输线之间的锐角夹角，h为介质平面的厚度。
进一步，作为所述金属辐射体的另一种结构，相邻两条所述斜短截线之间的距离在传输线上的投影的长度小于斜短截线的长度。
进一步，所述介质平面的宽度与金属辐射体的结构有关，其宽度修正公式用W′表示如下：
其中εe为有效介电常数，与介质平面的相对介电常数有关，W为斜短截线4的长度，a为斜短截线的宽度，d为相邻两条斜短截线之间的间距，γ为斜短截线与传输线之间的锐角夹角，h为介质平面的厚度。
进一步，所述介质平面由绝缘材料构成，绝缘材料可以选择固态、液态或气态的绝缘材料。
进一步，所述金属平面与所述介质平面之间的连接方式为紧密贴合连接，从而构成承载平面。
进一步，所述金属平面和介质平面为矩形平面，所述金属平面的长度和宽度分别与所述介质平面的长度和宽度相同。
进一步，所述传输线为直线，所述传输线的长度小于或等于所述承载平面的长度。
进一步，所述承载平面的长度大于或等于所测量的主波束指向最接近法线的工作频率的波长的3倍。
本发明的有益效果是：利用了微带漏波天线的特点，使用斜短截线和传输线构成金属辐射体，结构简单，易于加工，且天线尺寸明显小于相同工作频率的传统微带矩形漏波天线，另外，由于采用完整的介质平面和金属平面，天线的前后比高，增益理想；基于斜短截线的长度和相邻斜短截线的间距之间的大小关系，本发明表现出两种不同的频扫特性，从而实现对主波束前向扫描或对主波束前后向扫描两种工作模式。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明实施例在重叠模式下的正视图；
图2是本发明实施例的不重叠模式下的正视图；
图3是本发明实施例的侧视图；
图4是本发明实施例的背面视图；
图5是本发明实施例的坐标系示意图；
图6是本发明实施例的斜短截线重叠情况下工作于5GHz、5.1GHz和5.2GHz三频点的辐射方向图；
图7是本发明实施例的斜短截线不重叠情况下工作于6.4GHz、7GHz和9.4GHz三频点的辐射方向图；
具体实施方式
参照图1、3和4，具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，包括介质平面1、金属平面2、馈电接头、传输线3和周期性排列的斜短截线4。
传输线3为直线，每条斜短截线4互相平行，斜短截线4的一端与传输线3连接且分布于传输线3的同一侧，从而构成金属辐射体，金属辐射体设置于介质平面1的一侧表面，介质平面1的另一侧表面与金属平面2连接。
介质平面1由绝缘材料构成，绝缘材料可以是固态、液态或气态，本实施例中介质平面1使用固态绝缘材料，介质平面1和金属平面2均为矩形平面，介质平面1和金属平面2的长度和宽度分别相等，相互重合且紧密贴合，从而构成承载平面，承载平面的长度大于或等于所测量的主波束指向最接近法线的工作频率的波长的3倍。相对应的，传输线3的长度小于承载平面的长度。
馈电接头包括外导体5和中心馈线针6，外导体5与金属平面2连接，中心馈线针6与金属辐射体连接。
为方便计算和表述本发明的两种工作模式，将各参数表示如下：
微带漏波天线的主波束方向角：θ
传播常数中的相位常数：βz
真空中的波数：k0
斜短截线4的长度：W
斜短截线4的宽度：a
相邻两条斜短截线4之间的间距：d
传输线3的宽度：s
斜短截线4与传输线3之间的锐角夹角：γ
介质平面1的厚度：h
本实施例的工作模式，斜短截线4的长度和相邻两条斜短截线4之间的间距满足如下关系：dcos(γ)<W，称这种工作模式为斜短截线重叠的工作模式，该工作模式为快波主模，实现主波束前向扫描。
参照图5，以介质平面1所在的平面建立xyz坐标系，其中介质平面1的短边(宽度)为x轴，长边(长度)为y轴，z轴(厚度)垂直于纸面向上。
本实施例的传播常数的计算方法如下：
微带漏波天线的主波束方向角θ由相位常数βz决定，可由下式得到：
kz＝βz-jαz
其中kz是均匀结构中基本的传播常数。
结合传统MLWA传播常数的计算方法以及Floquet理论，得到本实施例中斜短截线重叠时的天线传播常数kz的计算公式为：
其中W′为漏波天线的修正宽度，kx为传播常数kz沿x轴分量，ω为相位常数，μ为介质磁导率，yw为等效导纳，λ0为自由空间的波长。
其中，Wr＝W′/h，εe是有效介电常数，εr为相对介电常数；
则相应的漏波天线的宽度的修正公式如下：
由于斜短截线4相互重叠，斜短截线4之间存在严重的耦合影响，需进一步修正漏波天线的等效延伸长度。在漏波天线修正宽度W′的基础上，根据边缘效应，进一步得到漏波天线的等效延伸长度ΔW的修正公式如下：
根据上述得到的公式，代入上述天线传播常数kz的计算公式，结合天线的具体结构尺寸、所采用的介质平面的厚度和介电常数等即可确定本实施例的天线波束扫描角度及范围。参照图6，是本实施例在斜短截线重叠情况下工作于5GHz、5.1GHz和5.2GHz三个频点的辐射方向图，明显的看出本实施例实现前向扫描。
参照图2、3和4，作为第二实施例，与第一实施例的区别在于：斜短截线4的长度和相邻两条斜短截线4之间的间距满足如下关系：dcos(γ)>W，称这种工作模式为斜短截线不重叠的工作模式，该工作模式为慢波主模，通过周期性结构的空间谐波实现主波束前后向扫描。
参照图5，同样以介质平面1所在的平面建立xyz坐标系，其中介质平面1的短边(宽度)为x轴，长边(长度)为y轴，z轴(厚度)垂直于纸面向上。
本实施例的传播常数kzn的计算方法如下：
kzn＝kz-λ0/d
其中kzn表示周期结构中的n阶空间谐波传播常数；
同样，由
得到漏波天线宽度的修正公式如下：
在漏波天线修正宽度W′的基础上，进一步得到漏波天线的等效延伸长度ΔW的修正公式如下：
根据上述得到的公式，代入上述天线传播常数kzn的计算公式，结合天线的具体结构尺寸、所采用的介质平面的厚度和介电常数等即可确定本实施例的天线波束扫描角度及范围。参照图7，是本实施例在斜短截线不重叠情况下工作于6.4GHz、7GHz和9.4GHz三个频点的辐射方向图，明显的看出本实施例实现由后向到前向的扫描。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：包括介质平面(1)、金属平面(2)、馈电接头、传输线(3)和周期性排列的斜短截线(4)，每条所述斜短截线(4)互相平行，所述斜短截线(4)的一端与所述传输线(3)连接且分布于传输线(3)的同一侧，从而构成金属辐射体，所述金属辐射体设置于所述介质平面(1)的一侧表面，所述介质平面(1)的另一侧表面与所述金属平面(2)连接，所述馈电接头包括外导体(5)和中心馈线针(6)，所述外导体(5)与所述金属平面(2)连接，所述中心馈线针(6)与金属辐射体连接。
2.根据权利要求1所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：相邻两条所述斜短截线(4)之间的距离在传输线(3)上的投影的长度大于斜短截线(4)的长度。
3.根据权利要求2所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述介质平面(1)的宽度与金属辐射体的结构有关，其宽度修正公式用W′表示如下：
其中εe为有效介电常数，与介质平面(1)的相对介电常数有关，W为斜短截线4的长度，a为斜短截线(4)的宽度，d为相邻两条斜短截线(4)之间的间距，s为传输线(3)的宽度，γ为斜短截线(4)与传输线(3)之间的锐角夹角，h为介质平面(1)的厚度。
4.根据权利要求1所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：相邻两条所述斜短截线(4)之间的距离在传输线(3)上的投影的长度小于斜短截线(4)的长度。
5.根据权利要求4所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述介质平面(1)的宽度与金属辐射体的结构有关，其宽度修正公式用W′表示如下：
其中εe为有效介电常数，与介质平面(1)的相对介电常数有关，W为斜短截线4的长度，a为斜短截线(4)的宽度，d为相邻两条斜短截线(4)之间的间距，γ为斜短截线(4)与传输线(3)之间的锐角夹角，h为介质平面(1)的厚度。
6.根据权利要求1所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述介质平面(1)由绝缘材料构成。
7.根据权利要求1所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述金属平面(2)与所述介质平面(1)之间的连接方式为紧密贴合连接，从而构成承载平面。
8.根据权利要求7所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述金属平面(2)和介质平面(1)为矩形平面，所述金属平面(2)的长度和宽度分别与所述介质平面(1)的长度和宽度相同。
9.根据权利要求8所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述传输线(3)为直线，所述传输线(3)的长度小于或等于所述承载平面的长度。
10.根据权利要求9所述的具有双工作模式的周期性斜短截线微带漏波天线，其特征在于：所述承载平面的长度大于或等于所测量的主波束指向最接近法线的工作频率的波长的3倍。
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