CN110085990A - 一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，包括介质基板、设置在介质基板上的双周期辐射阵列、设置在介质基板上的基片集成波导、两个微带转基片集成波导的过渡；双周期辐射阵列在两个过渡之间，位于基片集成波导中；双周期辐射阵列由单通孔阵列、辐射槽阵列、三通孔阵列构成；辐射槽位于单通孔与三通孔之间等间隔平行排列；辐射槽由两个纵槽、中间一个横槽组成。本发明实现了漏波天线的小型化，同时提高了辐射效率，改善了辐射阻带，实现了从前向到后向的连续扫描。

Description

一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线
技术领域
本发明涉及一种漏波天线，具体涉及一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线。
背景技术
漏波天线是行波天线的一种，能够实现频率扫描特性，具有较高的辐射效率和很强的方向性。漏波天线被广泛应用于航空航天相关领域，比如高分辨雷达、飞行器表面的共形天线以及导航天线等，也可以为移动终端等提供较好的电波覆盖。基片集成波导(SIW)不但继承了封闭式波导结构的良好的传输性能，而且体积小、重量轻、容易加工、易于集成平面电路集成，被广泛应用于漏波天线的设计。
尽管漏波天线有诸多优点，但是尺寸过大一直是漏波天线的劣势。通常，为了获得更高的漏波系数，传统的漏波天线需要10个以上波长的尺寸，这给漏波天线的应用带来了一定的困难，而过长的辐射阵列也使得漏波天线的波束较窄。因此我们需要尽量缩小漏波天线的尺寸，并同时提高辐射效率。复合左右手结构的谐振频率与物理长度无关，因而基于复合左右手结构设计的漏波天线，其整体尺寸会更加紧凑。
辐射增益尤其是侧射端的辐射增益是漏波天线设计中最受关注的问题之一。工作在主模为快波的准周期漏波天线，通常只能做到从端射(endfire)到侧射(broadside)的一个象限内的扫描范围。基于周期结构的复合左右手结构漏波天线可以做到前向和后向两个象限内的扫描范围。但是当漏波天线扫描到侧射角时，由于多个周期结构造成的反射波同相叠加带来了阻带(open stopband)问题。也就在天线的侧射端辐射增益会大幅下降，这使得漏波天线无法做到前向到后向的连续扫描。采用复合左右手结构的平衡态方法设计漏波天线，可以消除阻带，天线可获得波束从后向至侧射至前向的连续波束扫描的能力。
发明内容
发明目的：本发明提供一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，整体尺寸小，辐射增益高，可实现从后向至前向无阻带的连续波束扫描，且在侧射方向拥有较高的增益。
技术方案：本发明所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，包括介质基板、双周期辐射阵列、基片集成波导、两个微带转基片集成波导的过渡；所述介质基板的正面和背面有金属层；所述双周期辐射阵列、基片集成波导、两个微带转基片集成波导的过渡位于介质基板上；所述双周期辐射阵列在两个过渡之间，位于基片集成波导中；所述基片集成波导在两个过渡之间，由左右两排波导通孔、正面和背面金属层构成；所述波导通孔是金属化过孔，位于介质基板两侧；所述双周期辐射阵列由单通孔阵列、辐射槽阵列、三通孔阵列构成；所述单通孔与辐射槽构成一个左右手复合结构单元；三通孔与辐射槽属层通过波导通孔、单通孔和三通孔连接。
所述辐射槽位于单通孔与三通孔之间等间隔平行排列。
所述单通孔为一个金属化过孔，位于基片集成波导纵向的中轴线上。
所述三通孔为三个沿基片集成波导横向排列的金属化过孔，位于基片集成波导纵向的中轴线上。
所述辐射槽由两个纵槽和中间一个横槽组成。
所述过渡为梯形结构。
所述双周期辐射阵列以基片集成波导纵向的中轴线对称。
所述纵槽沿天线纵向位于辐射槽两边，所述横槽沿天线横向位于辐射槽中间；两个纵槽与一个横槽构成U型。
有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果：整体尺寸小，辐射增益高，可实现从后向至前向无阻带的连续波束扫描，且在侧射方向拥有较高的增益。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图；
图2为本发明的背面结构示意图；
图3为本发明的双周期辐射阵列的局部结构示意图；
图4为本发明的S11仿真与测量结果；
图5为本发明的方向图测量结果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1、图2所示，一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，包括介质基板1、设置在介质基板1上的双周期辐射阵列2、设置在介质基板1上的基片集成波导3、两个微带转基片集成波导的过渡4；介质基板1的正面有顶面金属层10、背面有底面金属层11；双周期辐射阵列2在两个过渡4之间，位于基片集成波导3中；基片集成波导3在两个过渡4之间，由左右两排波导通孔31、顶面金属层10和底面金属层11构成；波导通孔31是金属化过孔，位于介质基板两侧，由顶面金属层10连接底面金属层11；双周期辐射阵列2由单通孔21阵列、辐射槽22阵列、三通孔23阵列构成；辐射槽22位于单通孔21与三通孔23之间等间隔平行排列；单通孔21为一个金属化过孔，位于基片集成波导3纵向的中轴线上，由顶面金属层10连接底面金属层11；三通孔23为三个沿基片集成波导3横向排列的金属化过孔，位于基片集成波导3纵向的中轴线上，由顶面金属层10连接底面金属层11；辐射槽22由两个纵槽221、中间一个横槽222组成。
单通孔21与辐射槽22形成一个周期单元，构成一个左右手复合结构单元；三通孔23与辐射槽22形成另一个周期单元，构成另一个左右手复合结构单元；两种结构交替出现，构成双周期结构，如图3所示，该结构有益于漏波天线的小型化设计；调节单通孔21、辐射槽22与三通孔23的间距，进而调节天线的方向图和波束扫描角度。
纵槽221沿天线纵向位于辐射槽22两边，横槽222沿天线横向位于辐射槽22中间；两个纵槽221与一个横槽222构成U型，开口一致且朝馈源方向；调节纵槽221的尺寸，可以调节天线的驻波比和辐射增益，尤其是侧射方向的辐射增益，以解决阻带问题；调节横槽222的尺寸可以调节天线的漏波系数。
过渡4采用梯形结构，调节过渡4的宽度可以调节天线驻波比，完成阻抗匹配。
双周期辐射阵列2以基片集成波导3纵向的中轴线对称，调节单通孔21的半径、辐射槽22的宽度和三通孔23的半径，能够改变左右手复合结构单元的谐振频率。
小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线采用微带馈电，由于是漏波辐射，天线的两端各有一个端口。电磁波信号从天线的一个端口馈入后，经过一段梯形的过渡结构，进入基片集成波导，通过双周期辐射阵列，一边传播一边辐射。梯形过渡实现微带到基片集成波导的模式转化和阻抗匹配。基片集成波导两侧均匀密集分布的金属波导通孔等效为波导壁。双周期辐射阵列中，每对单通孔与临近的辐射槽形成一个周期结构，每对三通孔与临近的辐射槽形成另一个周期，调整通孔的数目可以调整天线的带宽；通孔形成并联电感，辐射缝形成串联电容，二者提供左手传输特性；基片集成波导提供右手传输特性；双周期辐射阵列与基片集成波导结合形成复合左右手传输特性。辐射缝分为三个部分，中间一个横槽和左右两个纵槽，横槽与纵槽结合的设计，提供电感与电容调节的自由度，从而有效抑制阻带，提升侧射端的辐射增益。该天线工作在主模区，具有更高的辐射增益，其中右手区域实现前向的频率扫描，左手区域实现后向的频率扫描，基于复合左右手结构的双周期辐射阵列可以进一步减小天线的尺寸，天线总长度仅需2.5个波长。
在制造上，阶跃阻抗复合左右手结构的漏波天线可以采用平面印刷电路板(PCB)工艺制作，也可以采用芯片工艺、高温共烧陶瓷(HTCC)或低温共烧陶瓷(LTCC)等工艺制作。
本发明的实施例的整体天线基于基片集成波导，两排金属化通孔与介质基板构成了基片集成波导结构，该天线所使用的介质基板材料为Taconic TLY板材，该介质基板的介电常数为2.2，板材厚度1.03mm。SIW结构的金属化通孔的直径为0.5mm，通孔的间距为1mm。介质基板宽度为14.5mm，介质基板长度为72.86mm，基片集成波导长度为53.7mm。采用微带馈电方式，波导与微带间采用渐变过渡结构。波端口阻抗为50欧姆，微带宽度为6.8mm，微带转基片集成波导的过渡长度为10mm。整个天线为双周期结构，我们将双周期作为一个单元结构，整个漏波天线共有6个这样的单元结构组合而成。周期单元长度为8.28mm，辐射槽的宽度为0.3mm，纵槽长度为1.64mm，横槽长度为12mm，金属通孔直径为0.5mm，其中三通孔中每个通孔的间隔为1mm。
本发明的实施例的回波损耗如图4所示，整个工作频带内，回波损耗均在-13dB以下，没有阻带。本发明的实施例的方向图如图5所示，其辐射方向图结果所示，该漏波天线很好地实现了随频率从后向到前向的大角度连续扫描，而增益尤其是在侧向角也就是0度位置上的增益，稳定在10dB以上。阶跃阻抗复合左右手结构的漏波天线很好地实现了小型化、高增益，并解决了侧射位置阻带的问题，实现了连续扫描。

Claims (8)

1.一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，包括介质基板(1)、双周期辐射阵列(2)、基片集成波导(3)、两个微带转基片集成波导的过渡(4)；所述介质基板(1)的正面和背面有金属层(10)；所述双周期辐射阵列(2)、基片集成波导(3)、两个微带转基片集成波导的过渡(4)位于介质基板(1)上；所述双周期辐射阵列(2)在两个过渡(4)之间，位于基片集成波导(3)中；所述基片集成波导(3)在两个过渡(4)之间，由左右两排波导通孔(31)、正面和背面金属层(10)构成；所述波导通孔(31)是金属化过孔，位于介质基板两侧；所述双周期辐射阵列(2)由单通孔(21)阵列、辐射槽(22)阵列、三通孔(23)阵列构成；所述单通孔(21)与辐射槽(22)构成一个左右手复合结构单元；三通孔(23)与辐射槽(22)形成另一个左右手复合结构单元；所述介质基板(1)的正面和背面有金属层(10)通过波导通孔(31)、单通孔(21)和三通孔(23)连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述辐射槽(22)位于单通孔(21)与三通孔(23)之间等间隔平行排列。
3.根据权利要求1所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述单通孔(21)为一个金属化过孔，位于基片集成波导(3)纵向的中轴线上。
4.根据权利要求1所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述三通孔(23)为三个沿基片集成波导(3)横向排列的金属化过孔，位于基片集成波导(3)纵向的中轴线上。
5.根据权利要求1所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述辐射槽(22)由两个纵槽(221)和中间一个横槽(222)组成。
6.根据权利要求1所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述过渡(4)为梯形结构。
7.根据权利要求1所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述双周期辐射阵列(2)以基片集成波导(3)纵向的中轴线对称。
8.根据权利要求5所述的一种小型化连续波束扫描的复合左右手漏波天线，其特征在于，所述纵槽(221)沿天线纵向位于辐射槽(22)两边，所述横槽(222)沿天线横向位于辐射槽(22)中间；两个纵槽(221)与一个横槽(222)构成U型。
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