CN109004341A - 基片集成波导正弦调制漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出的一种基片集成波导正弦调制漏波天线，旨在提供一种馈电简单，利用‑1阶谐波辐射的漏波天线。本发明通过下述技术方案予以实现：天线介质板上表面中央排布有金属辐射贴片阵列，夹装在波导介质板与天线介质板交界面上的上敷铜片，制有对应于金属辐射贴片阵列的矩形缝隙阵列，矩形缝隙阵列从波导耦合电磁能量至上方的金属辐射贴片阵列，实现线极化辐射；在矩形缝隙阵列两侧制有从上至下贯穿波导介质板的线阵金属化屏蔽过孔，同时在线阵金属化屏蔽过孔两端的缩口线阵的内侧，设有贯穿波导介质板的金属耦合探针；通过金属耦合探针和下敷铜片上开设的U形缝隙对基片集成波导进行激励，在物理上实现天线介质板平面上辐射场强值的正弦调制漏波天线。

Description

基片集成波导正弦调制漏波天线

技术领域

本发明涉及一种可以广泛应用于飞行器表面共形天线、高分辨率雷达和动中通等领域的基于基片集成波导的正弦调制类漏波天线。

背景技术

漏波天线是一种通过在导波结构的纵向方向上产生能量泄漏，从而向空间辐射的天线。最初的漏波天线由开缝矩形波导构成，主要是利用波导内的导行波来激励并在波导外建立起泄漏波，是通过对封闭波导的扰动来实现的。它通过引入某种机制，使能量沿着波导按照人们需要的方式不断地辐射出去，其实质是波导中所传播的电磁波为快波时向空间辐射部分电磁波的现象。在结构上，该天线尺寸沿着传播方向很长，而横截面尺寸跟波长差不多。漏波天线的特点是，导行波在封闭波导内沿着纵向传播时，能量不断泄漏出去，最后到达波导终端的能量几乎可以忽略不计。极大部分情况下，泄露能量相对来说都比较小，这样波导内的场分布跟封闭波导内导行波的场分布非常接近。

选用不同的波导结构可以得到不同种类的漏波天线。按照漏波结构进行分类，一般分为三类，一类是均匀漏波天线，即沿着导波结构天线横截面形状保持不变。均匀漏波天线指的是漏波天线在电磁波传播的方向上，天线结构完全均匀的天线，均匀天线一般只能向前向扫描，原则上讲，扫描工作频率越高，波束就越靠近端射，但实际上它们是不可能真正实现侧射或端射的。一类是纵向周期型漏波天线，即沿着导波结构引入周期的扰动，正是这周期的扰动带来了能量的泄漏。周期型漏波天线在导波结构中引入周期性的缝隙，产生了无数空间谐波，其中一些谐波是快波，将携带能量辐射出去。从理论上来说，纵向周期型漏波天线可以实现前向和向后的辐射。但这种形式的结构会引入无穷多个谐波，其中-1阶谐波往往是辐射模式。周期型漏波天线传播的是慢波，根据Bloch定理，其对应的空间谐波中，满足快波条件的波矢量对应的谐波就会发生辐射。另一类是准均匀漏波天线，准均匀漏波天线的辐射特性与均匀漏波天线类似。由于它引入的漏波结构周期远小于电磁波的波长，因此，对于电磁波来说，天线结构是“均匀”的。一般的准均匀结构漏波天线只能在前向象限扫描。

周期导波结构指的是物理结构或者物理参数随着空间位置变化呈周期性变化的导波结构，导波结构处于泄漏状态，传输波的能量不再被束缚在波导附近，而是一边沿着波导传输一边辐射出去。周期结构中的本征模式由无穷多次空间谐波组成，这些空间谐波分别具有从零到无穷大的相速度。周期导波结构相对于均匀结构来说，周期或者准周期结构往往具有例如带通带阻、漏波等某些特殊的性质，合理利用这些性质，就可以将周期导波结构应用于滤波器、漏波天线等微波器件。表面波是指被束缚在导波结构表面并沿着导波结构传播的电磁波，即在表面的传播方向上是行波形式，在垂直于表面的方向上则呈现指数衰减的衰减常数。表面阻抗是导波平面的固有物理属性，对于周期结构上的表面波传播特性分析也适用于周期阻抗调制漏波天线。周期结构中存在一系列的本征模式，而每一本征模式又包含一系列的空间谐波。周期结构中的波仅在一定的频带内传输，通频带和阻频带交替出现，两两相交的谐波发生耦合形成阻带。传统周期结构漏波天线，主要是其辐射方向受到约束和限制。

近些年，随着漏波天线的研究飞速发展，基于基片集成波导(SIW)技术的平面漏波天线的出现给漏波天线的研究带来了新的生机与活力。但基于基片集成波导的漏波天线由于问题的复杂性，使得采用现有横向谐振法和变分法都存在不同程度的困难，它只适合在结构扰动很小的情况下使用。基片集成波导的理论研究表明，当基片集成波导的金属通孔直径、间隔和宽度满足一定条件时，缝隙泄露的电磁能量很少，可以忽略，这时，基片集成波导可以等效于介质填充矩形波导。这种具有剖面低、加工周期短、馈电方便且利于集成的平面漏波天线，在微波毫米波通信系统中拥有巨大的优势。同时平面漏波天线依然具备传统漏波天线的波束扫描能力，在需要波束扫描的场合，漏波天线具有无可比拟的优势，拥有良好的发展前景。2013年，基于基片集成波导调制技术的全息天线和具有近场聚焦能力的全息缝隙漏波天线也出现在了人们的视野中。基片集成波导传输波的模式与矩形波导相似，是一种与矩形波导功能相似的导波结构。它将上下两层金属等同为矩形波导的上下两壁，将两排金属通孔等同为矩形波导的左右两壁，通过在双面覆盖有导电层的基板上打入两排金属通孔，将电磁波束缚在介质基板中。相邻的周期性金属通孔由于存在缝隙，电磁波在基片集成波导中传播时，会发生少量的电磁泄露，由于基片集成波导侧面是分散不连续的金属通孔，其侧面上的表面电流只有纵向分量，不能形成稳定连续的横向分量，所以基片集成波导无法传输TM模式波，只能传播TE模式波。但最近又出现了可以实现从后向到前向辐射，基于人工电磁超材料的漏波天线和阻抗调制表面天线。阻抗调制表面天线的辐射本质是因为在介质中传播的表面波，受到了表面阻抗的周期性调制，产生了一系列的漏射模式，最终形成漏波辐射。研究者发现，阻抗调制漏波天线等效折射率呈周期性变化的导波结构能够引导表面波传播，同时能够使其相位和幅度也发生周期性变化被称之为“调制”，产生高方向性的辐射波束。在漏波天线研究的早期横向谐振法是人们研究纵向均匀漏波天线的强有力工具。横向谐振法由于其精度很高而一直备受人们的厚爱，然而该方法需要知道波导不连续处的等效网络表示，因而其使用范围受到很大限制。在早期推导使用的关于纵向传播常数的变分法的波导长缝隙漏波天线，由于该方法需要关于纵向传播常数的变分表达式而在实际中这往往是很困难的。由于问题的复杂性使用横向谐振法和变分法都存在不同程度的困难。之后，ArthurA.Oliner与AlexanderHessel重新研究了正弦阻抗调制表面上的表面波传播。采用空间谐波的概念对正弦阻抗调制表面天线的表面波传播特性进行了数学推导、给出了明确的色散关系，阐明了正弦阻抗调制表面产生漏波辐射的基本原理，并总结了漏波辐射特性与阻抗调制深度、平均阻抗值以及调制周期之间的关系，这是很多其他后续研究的重要理论基础。尽管相关理论已经提出多年，但关于阻抗调制表面天线的研究在Oliner和Hessel的论文发表之后的很长一段时间之内却一直没有出现新的突破，主要瓶颈是阻抗调制的物理实现形式。这主要是因为人们并不知道如何在物理上实现阻抗调制。近年来，人工材料(Metamaterial)在电磁学领域的不断突破，使得阻抗调制表面天线焕发出新的生机。所谓人工是相对于“天然材料”而言。这些自然界不存在的、需要经过人为加工或合成材料或结构，往往具有传统材料所不具有的特殊电磁特性，极大地促进了天线以及电磁领域其他设备和器件的发展。也正是得益于人工材料的兴起，2011年美国密西根大学AmitM.Patel在IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION文献中公开了名称为“APrintedLeaky-WaveAntennaBasedonaSinusoidally-ModulatedReactanceSurface”的一维阻抗调制表面漏波天线，其结构包括地板、介质板和金属栅条；通过栅条间隙大小来实现表面阻抗的大小，从而实现所需要的表面阻抗分布。这种天线虽然具有良好的辐射特性，但需建立计算较为复杂的表面阻抗与栅条间隙的对应关系。调制参数决定了表面波的衰减速度，即漏波辐射的速度，越大，衰减越快，反之亦然。这就是说，不同的调制，便会得到不同的口径利用率，进而得到不同的天线增益。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题及其不足之处，提供一种剖面较低，馈电简单，利用-1阶谐波辐射的基片集成波导正弦调制漏波天线。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基片集成波导正弦调制漏波天线，包括：波导介质板4和层叠其上的天线介质板2，其特征在于：天线介质板2上表面中央排布有金属辐射贴片阵列1，夹装在波导介质板4与天线介质板2交界面上的上敷铜片3，制有对应于金属辐射贴片阵列1的矩形缝隙阵列8，矩形缝隙阵列8从波导耦合电磁能量至上方的金属辐射贴片阵列1，实现线极化辐射；在矩形缝隙阵列8两侧制有从上至下贯穿波导介质板4的线阵金属化屏蔽过孔6，同时在线阵金属化屏蔽过孔6两端的缩口线阵的内侧，设有贯穿波导介质板4的金属耦合探针7；从波导介质板4两端插向下敷铜片5波导面纵向U形缝隙9，并固联在下敷铜片5上的射频同轴连接器10，其中心导体指向金属耦合探针7，并通过金属耦合探针7和下敷铜片5上开设的U形缝隙9对基片集成波导进行激励，在物理上实现天线介质板平面上辐射场强值的正弦调制漏波天线。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

本发明采用下敷铜片5上的U形缝隙9,与金属耦合探针7构成了接地共面波导-基片集成波导转换器，将接地共面波导的准TEM模转换成基片集成波导中的TE10模，线阵金属化屏蔽过孔6贯穿波导介质板4，构成将电磁波束缚在介质基板中的基片集成波导结构，具有结构紧凑、馈电简单、易于加工等优点。这种用基片集成波导代替传统波导结构的基片集成波导漏波天线除了具有剖面低、重量轻、易于实现导行波的慢波特性等优点之外，还具有良好的共形能力。加上介质材料的厚度往往比较薄，其重量相对于金属材料来说也大大减轻，在实际应用中显现出许多优点，诸如结构简单，制造容易，能与载体共形，便于集成，并且可在较宽的频带范围内实现波束的频率扫描等。实验证明：可以抑制漏波天线的基波辐射，实现所需周期调制结构的-1阶谐波辐射。

本发明通过改变金属辐射贴片阵列1的尺寸，在物理上实现天线介质板平面上辐射场强值的正弦调制，可以实现一维±80°扫描角范围内任意方向单向辐射，产生很高的方向性系数，并且其远区场的极化方式设计灵活，不需要复杂的馈电网络。

本发明可以按照具体所需的辐射角度进行天线结构周期及尺寸参数的设计，具有结构紧凑、馈电简单、加工简单和优化设计简单等优点。

附图说明

图1是本发明介质基片集成波导正弦调制漏波天线的结构分解图。

图2是图1天线介质板的俯视图及其局部放大示意图。

图3是图1波导介质板上敷铜片的俯视图。

图4是图3的仰视图。

图5是图1的整体结构的左视图。

图6是本发明工作频点的辐射方向图。

图中：1金属辐射贴片阵列，2天线介质板，3上敷铜片，4波导介质板，5下敷铜片，6线阵金属化屏蔽过孔，7金属耦合探针，8矩形缝隙阵列，9U形缝隙，10射频同轴连接器。

下面结合附图实施方法对本发明作进一步说明。

具体实施方式

参阅图1-图5。在以下描述的一个实施实例中，从功能上，基于基片集成波导馈电的正弦调制漏波天线主要由接地共面波导、接地共面波导-基片集成波导转换器、矩形缝隙阵列加载基片集成波导和金属辐射贴片阵列构成，具体而言，主要包括：波导介质板4和层叠其上的天线介质板2，其特征在于：天线介质板2上表面中央排布有金属辐射贴片阵列1，夹装在波导介质板4与天线介质板2交界面上的上敷铜片3，制有对应于金属辐射贴片阵列1的矩形缝隙阵列8，矩形缝隙阵列8从波导耦合电磁能量至上方的金属辐射贴片阵列1，实现线极化辐射；在矩形缝隙阵列8两侧制有从上至下贯穿波导介质板4的线阵金属化屏蔽过孔6，同时在线阵金属化屏蔽过孔6两端的缩口线阵的内侧，设有贯穿波导介质板4的金属耦合探针7；从波导介质板4两端插向下敷铜片5波导面纵向U形缝隙9，并固联在下敷铜片5上的射频同轴连接器10，其中心导体指向金属耦合探针7，并通过金属耦合探针7和下敷铜片5上开设的U形缝隙9对基片集成波导进行激励，在物理上实现天线介质板平面上辐射场强值的正弦调制漏波天线。

从射频同轴连接器10馈入接地共面波导的输入信号，通过接地共面波导-基片集成波导转换器，将接地共面波导的准TEM模转换成基片集成波导中的TE10模，基片集成波导中的导行波通过上敷铜片3上的矩形缝隙阵列8，耦合到周期调制的金属辐射贴片阵列1，使基片集成波导中传播的导行波从传输状态转变到泄漏状态，产生一系列的漏射模式而形成漏波辐射。通过改变金属辐射贴片阵列1的调制周期，可以向一维任意指定方向辐射电磁波。未泄露完的基片集成波导中的导行波能量将通过基片集成波导-接地共面波导转换器，经接地共面波导后，由接于射频同轴连接器10同轴端口上的射频匹配负载吸收。射频同轴连接器10内导体固联在U形缝隙的中心导体带上，外壳体伸出的两个连接腿焊接在U形缝隙的两边的导体上。

金属辐射贴片阵列1、上敷铜片3上的矩形缝隙阵列8及底部金属层5上的U形缝隙9可以通过印制板蚀刻工艺加工制作。金属层厚度取0.018mm。

天线介质板2和波导介质板4均可以采用相对介电常数为3.0的TaconicTSM-DS3材料制作，天线介质板2的厚度可以取值0.13mm，波导介质板4的介质基材的厚度可以取值2.03mm。天线介质板2与波导介质板4之间可以采用高温压合的工艺制作。

天线介质板2和波导介质板4为微波介质基板，介电常数通常在2.2至3.0之间，两种介质基材可以采用同种材料，也可以为不同种材料，波导介质板4上的线阵金属化屏蔽过孔6及金属耦合探针7采用标准化PCB通孔工艺制作。金属辐射贴片阵列1中心位于两排线阵金属化屏蔽过孔6的中心线上，按五分之一工作波长间距排布在天线介质板2的上表面。矩形缝隙阵列8位于金属辐射贴片阵列1的正下方，所有矩形缝隙阵列8长宽尺寸一致。金属辐射贴片阵列1中的金属辐射贴片是宽边尺寸呈周期性变化的H形金属辐射贴片单元，其尺寸的周期性分布实现辐射口面场强的正弦调制分布。

在位于波导介质板4下面的下敷铜片5蚀刻的U形缝隙9与波导介质板4上面的上敷铜片3、波导介质板4下面的下敷铜片5、线阵金属化屏蔽过孔6和金属耦合探针7构成接地共面波导-基片集成波导转换结构，实现基片集成波导的馈电。金属耦合探针7与U形缝隙9实现接地共面波导与基片集成波导间的模式转换和阻抗匹配。

实际工作时，在下敷铜片5两端焊接有推入式射频同轴连接器10，左侧射频同轴连接器接馈线，右侧射频同轴连接器接射频负载。左侧射频同轴连接器10输入的信号从接地共面波导馈入，经接地共面波导-基片集成波导转换器传输至基片集成波导，由准TEM模转换成TE10模，信号经上敷铜片3上的矩形缝隙阵列8耦合至周期调制的金属辐射贴片阵列1，向自由空间指定方向辐射电磁波。

金属辐射贴片阵列1包含N个按等间距排布，排布周期取2.9mm～3.0mm的H形金属辐射贴片单元。金属辐射贴片阵列1的N取值50。

漏波天线的设计工作主要就是确定漏波常数与天线几何尺寸的关系，通过调整天线的几何尺寸来改变沿线漏波常数的大小进而改变天线的口径场分布，得到实际需要的图6漏波天线工作频点的辐射方向图。为实现天线介质板2上的正弦调制辐射场强分布，金属辐射贴片阵列1的尺寸呈周期性变化，通过改变其中H形金属辐射贴片单元宽度，可以使得H形金属辐射贴片单元天线的谐振频率在一定范围内调节；在物理上实现对天线介质板平面上各个点的口面场强值的控制，得到调制漏波天线。本实例取H形金属辐射贴片单元长边L＝1.8mm～2.0mm，宽边为Wn，n＝1、…、50，其上的缝隙长度LL为0.6mm～0.8mm，宽度WW为0.13mm～0.25mm，W1为1.3mm～1.5mm，W2、W3、…、Wn，n为整数，H形金属辐射贴片单元的宽度Wn取值根据辐射场强与单元边长W的拟合函数关系确定。W与场强之间的拟合函数为多项式，拟合多项式可以根据HFSS的仿真结果获得。本实施例中，Wn的取值范围为0.3mm～1.5mm，且它们的辐射场强呈正弦分布。

参阅图6。从工作频点上的辐射方向图可以看出，天线可以向指定方向实现单波束定向辐射。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，比如贴片形式、天线极化方式、波束指向方向等等。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基片集成波导正弦调制漏波天线，包括：波导介质板(4)和层叠其上的天线介质板(2)，其特征在于：天线介质板(2)上表面中央排布有金属辐射贴片阵列(1)，夹装在波导介质板(4)与天线介质板(2)交界面上的上敷铜片(3)，制有对应于金属辐射贴片阵列(1)的矩形缝隙阵列(8)，矩形缝隙阵列(8)从波导耦合电磁能量至上方的金属辐射贴片阵列(1)，实现线极化辐射；在矩形缝隙阵列(8)两侧制有从上至下贯穿波导介质板(4)的线阵金属化屏蔽过孔(6)，同时在线阵金属化屏蔽过孔(6)两端的缩口线阵的内侧，设有贯穿波导介质板(4)的金属耦合探针(7)；从波导介质板(4)两端插向下敷铜片(5)波导面纵向U形缝隙(9)，并固联在下敷铜片(5)上的射频同轴连接器(10)，其中心导体指向金属耦合探针(7)，并通过金属耦合探针(7)和下敷铜片(5)上开设的U形缝隙(9)对基片集成波导进行激励，在物理上实现天线介质板平面上辐射场强值的正弦调制漏波天线。

2.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：从射频同轴连接器(10)馈入接地共面波导的输入信号，通过接地共面波导-基片集成波导转换器，将接地共面波导的准TEM模转换成基片集成波导中的TE10模，基片集成波导中的导行波通过上敷铜片(3)上的矩形缝隙阵列(8)，耦合到周期调制的金属辐射贴片阵列(1)，使基片集成波导中传播的导行波从传输状态转变到泄漏状态，产生一系列的漏射模式而形成漏波辐射。

3.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：通过改变金属辐射贴片阵列(1)的调制周期，向一维任意指定方向辐射电磁波。

4.如权利要求2所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：未泄露完的基片集成波导中的导行波能量将通过基片集成波导-接地共面波导转换器，经接地共面波导后，由接于射频同轴连接器(10)同轴端口上的射频匹配负载吸收。

5.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：金属辐射贴片阵列(1)中心位于两排线阵金属化屏蔽过孔(6)之间的中心线上，按五分之一工作波长间距排布在天线介质板(2)的上表面。

6.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：金属辐射贴片阵列(1)中的金属辐射贴片是宽边尺寸呈周期性变化的H形金属辐射贴片单元，其尺寸的周期性分布实现辐射口面场强的正弦调制分布。

7.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：U形缝隙(9)与波导介质板(4)上面的上敷铜片(3)、波导介质板(4)下面的下敷铜片(5)、线阵金属化屏蔽过孔(6)和金属耦合探针(7)构成接地共面波导-基片集成波导转换结构，实现基片集成波导的馈电。

8.如权利要求7所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：金属耦合探针(7)与U形缝隙(9)实现接地共面波导与基片集成波导间的模式转换和阻抗匹配。

9.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：金属辐射贴片阵列(1)包含N个按等间距排布，排布周期取2.9mm～3.0mm的H形金属辐射贴片单元。

10.如权利要求1所述的基片集成波导正弦调制漏波天线，其特征在于：H形金属辐射贴片单元长边L＝1.8mm～2.0mm，宽边为Wn，n＝1、…、50，其上的缝隙长度LL为0.6mm～0.8mm，宽度WW为0.13mm～0.25mm，W1为1.3mm～1.5mm，W2、W3、…、Wn，n为整数，H形金属辐射贴片单元的宽度Wn取值根据辐射场强与单元边长W的拟合函数关系确定。