CN110661104A - 一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线 - Google Patents

一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，属于微波天线工程技术领域，可以广泛应用到现代卫星通信动中通以及雷达系统中。本发明中的漏波天线利用波在负折射材料中传播时的后向波特性，可实现在一定频率范围内，天线辐射主瓣方向随频率改变而变化，实现由后向‑过零‑前向的连续平滑扫描。除此之外，该天线还具有辐射效率高、结构简单、便于加工和价格低廉等优点，在卫星通信动中通、雷达等领域有着良好的应用前景。

Description

一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线
技术领域
本发明涉及一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，属于微波天线工程技术领域，可以广泛应用到现代卫星通信动中通以及雷达系统中。
背景技术
漏波天线最早由W.W.Hansen于上个世纪40年代提出，因具有优良的波束扫描特性，一直是天线领域研究的热点。最初的漏波天线是在矩形波导上开一条长缝，其实质是波导结构上传播的电磁波为快波时向空间辐射部分电磁波的现象。近些年，漏波天线的研究得到飞速发展，特别是平面漏波天线得到了广泛研究，因为平面漏波天线可以直接加工在印刷电路板(PCB)上，具有低剖面、易加工、结构简单、馈电容易、高方向性等优点，以及波束扫描特性。因此，漏波天线在微波和微波以上的频段得到广泛的关注，特别是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。
漏波天线辐射示意图如图1和图2所示，电磁波在沿天线方向传播的过程中，逐渐向自由空间泄露。现假设电磁波沿z方向传播，在漏波口面(y＝0)处，电场表达式为
Figure BDA0002225657670000011
其中E0为电场幅度，kz为沿波导z方向的复传播常数，有
kz＝βz-jαz
式中，βz为沿z方向的相位常数，αz为沿着z方向的衰减常数。则漏波天线中电场为
Figure BDA0002225657670000012
其中为沿y方向的波数。图中，自由空间中的波数
Figure BDA0002225657670000014
由图1和上述公式可知，若相位常数β>k0，则天线中传播慢波，ky为虚数，电磁波沿y方向衰减，无法形成空间波辐射；若相位常数β<k0，则天线中传播快波，ky为实数，电磁波可沿y方向不断向外辐射，实现漏波辐射。这就是漏波天线的快慢波辐射机制。
复传播常数kz包括漏波结构的两个基本参数，波导内电磁波的相位常数β决定了主波束的辐射角
θMB＝arcsin(β/k0)
漏波天线的波束扫描特性指的是当馈入天线的电磁波频率的变化时，天线中电磁波的相位常数β会随着变化，这时天线主瓣波束方向也会变化的特性，这又称为漏波天线的频率扫描特性。传统漏波天线中传播的电磁波相位常数β只能是正值，根据辐射角公式，波束只能在电磁波传播方向的前向进行扫描，这意味着传统漏波天线波束最大只能在0-90°之间进行扫描，而无法实现由前向到后向的过零扫描，这极大地限制了漏波天线的应用。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线。
本发明的技术解决方案是：
一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，该平面漏波天线为一长方形平板，长方形平板的下表面镀有一层铜层，下表面镀有的铜层称为底层，长方形平板的上表面镀有一层铜层，上表面镀有的铜层称为顶层；
所述的顶层上通过印制电路板开有N个漏波单元，每个漏波单元包括短截线、横缝、纵缝和梳状结构；相邻的两个漏波单元中心对称；
该平面漏波天线上带有通孔，通孔半径小于1mm；
定义电磁波馈入平面漏波天线的方向为Z向，Y方向垂直平面漏波天线的平面向上，按照右手定则确定X向；
短截线与X向平行，且短截线的一端与通孔连通，短截线的另一端与梳状结构的末端连通；
横缝与X向平行，纵缝与Z向平行；
横缝的中心与纵缝的中心连线与X轴平行；
距离平面漏波天线的波导端口最近的纵缝的一端与平面漏波天线的波导端口的距离不小于5mm；
长方形平板的材料的相对介电常数εr满足3.5<εr<4，损耗角正切tanδ<0.01，长方形平板的厚度d＝0.8-1.6mm；
顶层厚度小于0.05mm，底层厚度小于0.05mm；
所述的梳状结构的梳齿长度l1＝7.5-8.5mm，宽度d1＝0.8-1.2mm，相邻两梳齿间距为0.8-1.2mm；
横缝在X向的长度l2＝3-5mm，横缝在Z向宽度d2＝0.8-1.5mm；横缝的中心与纵缝的中心距离为dslot＝5-7mm；纵缝在Z向长度l3＝26-30mm，纵缝在X向宽度d3＝0.8-1.5mm；
短截线在X向的长度l4＝16-20mm，短截线在Z向宽度d4＝0.8-1.2mm；
相邻两个横缝的中心距离为duint＝20-24mm；
为了天线辐射效率和天线增益较大，漏波单元个数N应不小于10个。
有益效果
(1)本发明所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的漏波天线中，横缝、纵缝和短截线一起构成了具有负折射性质的结构。根据波导相关理论，波导宽边横缝可等效为一个串联阻抗，宽边纵缝可等效成一个并联导纳。因此横缝1-2可以等效成串联阻抗，设波导结构中电磁波工作波长为λg，当纵缝长度l2<λg/2时，等效的并联导纳呈容性，即串联电容；纵缝可以等效成并联导纳，当纵缝长度l3>λg/2时，等效的并联导纳成感性，即并联电感；短截线也可以等效成并联电感，其存在增大了导波结构并联部分的感性分量；某些频率上，当横缝、纵缝和短截线等效的串联电容和并联电感在波导结构中不起主要作用时，波导结构仍然体现出传统的正折射特性，电磁波前向传输，此时的漏波天线的辐射方向依然是正向；某些频率上，当横缝、纵缝和短截线等效的串联电容和并联电感起主要作用时，波导结构显现出负折射特性，电磁波群速度的传播方向与波矢的方向相反，相位常数β<0，漏波天线后向辐射；在某频率上，横缝、纵缝和短截线等效的串联电容和并联电感可以让β＝0，此时漏波天线过零辐射。因此本发明通过构造基于负折射材料的周期性漏波结构，使得发明中的漏波天线可以后向-过零-前向辐射，解决了传统漏波天线波束方向难以过零扫描的问题。
(2)本发明所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的漏波天线工作与3.6GHz-4.8GHz的频带上，随着馈入电磁波频率从3.6GHz增加到4.8GHz，天线辐射主瓣方向从-27°平滑扫描到+22°，其中4.2GHz时天线过零辐射。较之传统的漏波天线，本发明所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的漏波天线具有过零和后向扫描的特性，大大提高了天线扫描角度。同时，本发明还具有低插入损耗、低剖面、成本低和易集成等优点，适用于卫星通信、动中通、小型雷达等领域。
(3)一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，属于微波天线工程技术领域。本发明是为了突破传统漏波频率扫描天线只能沿波传播方向前向辐射局限，实现天线波束前后向的过零扫描，增加天线的扫描角度。本发明所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线主要由四部分组成：顶层基于负折射材料的周期性漏波结构、中间层介质板、底层金属地和连接顶层与顶层的金属化过孔。
(4)本发明中的漏波天线利用波在负折射材料中传播时的后向波特性，可实现在一定频率范围内，天线辐射主瓣方向随频率改变而变化，实现由后向-过零-前向的连续平滑扫描。除此之外，该天线还具有辐射效率高、结构简单、便于加工和价格低廉等优点，在卫星通信动中通、雷达等领域有着良好的应用前景。
(5)将负折射材料的设计思想引入漏波天线的设计中，在导波结构上周期性地做出具有负折射特性的漏波结构，这些周期性的漏波结构可以改变漏波天线的相位常数β，使得相位常数β在一些频率上实现等于或小于0，从而使得基于负折射材料的漏波天线能够实现波束方向由前向到后向的过零扫描，这极大的扩展了漏波天线的应用领域。
(6)将基于负折射材料的漏波天线使用印制电路板技术(PCB)进行设计实现就形成了基于负折射材料的平面漏波天线。基于负折射材料的平面漏波天线除了波束扫描角度大之外，还拥有低插入损耗、低剖面、成本低和易集成等众多良好性质，很适合用于各类高集成度射频电路场合。
附图说明
图1为漏波天线辐射原理示意图；
图2为漏波天线过零扫描示意图；
图3为实施例中平面漏波天线的结构示意图；
图4为平面漏波天线顶层结构示意图；
图5为平面漏波天线顶层基于负折射材料的周期性漏波结构的等效电路图；
图6为漏波单元个数N＝10时，天线的S参数曲线图，其中实线为S11曲线，虚线为S21曲线；
图7为漏波单元个数N＝10时，天线主瓣方向随频率变化曲线；
图8为漏波单元个数N＝10，不同频率上的天线的E面方向图，其中实线无标记为输入信号频率3.6GHz时，天线的E面方向图；实线伴有’+’标记为输入信号频率4.2GHz时，天线的E面方向图；实线伴有’o’标记为输入信号频率4.8GHz时，天线的E面方向图。
具体实施方式
实施例1
如图3和图4所示，一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的漏波天线，包括顶层的基于负折射材料的周期性漏波结构1、中间层介质板2、底层金属地3、连接顶层与顶层的金属化过孔4；
顶层的基于负折射材料的周期性漏波结构1包括：梳状结构1-1，在此平面波导结构的基础上周期性印制由横缝1-2和纵缝1-3混合而成的漏波结构；通过金属化过孔地的短截线1-4，天线利用波段端口在两端进行馈电，A端口馈电时，B端口连接匹配负载，反之，B端口馈电时，A端口连接匹配负载。为保证馈入电磁波传播良好，在A端口和B端口处均设置一定距离长的导带，导带长度lcs应不小于5mm；
梳状结构1-1的梳齿长度l1＝8mm，宽度d1＝1mm，相邻两梳齿间距为1mm；横缝1-2开在梳状结构1-1的X方向中心位置，其X方向长度l2＝4mm，z方向宽度d2＝1mm；纵缝1-3交替性位于横缝左右两侧，距离横缝中心距离为dslot＝5.5mm，其z方向长度l3＝28mm，x方向宽度d3＝1mm；短截线1-4长度l4＝18mm，宽度d4＝1mm；一条横缝、一条纵缝和一根短截线组成一个漏波单位，相邻两个漏波单元之间距离duint＝22mm，为了天线辐射效率和天线增益足够大，漏波单元个数N＝10个；
所述中间层介质板2为微波介质板，其相对介电常数εr应满足3.5<εr<4，损耗角正切tanδ<0.01，在天线有效工作频段内相对介电常数和损耗角正切保持稳定，介质板厚度d＝1mm。
所述底层金属地3为介质板的底面敷铜，铜层厚度小于0.05mm。
所述连接顶层与顶层的金属化过孔4位于短截线结构1-4的末端，与底层金属地3相连，材料为铜，过孔半径为0.8mm。
所述中间层介质板2为长方体，其宽度D＝40mm，长度L与漏波单位个数N、单元间距lunit和前后的导带长度lcs有关。
所述漏波天线工作频段为3.6GHz至4.8GHz，。
顶层基于负折射材料的周期性漏波结构1是具有负折射性质的结构，具体而言，其中的横缝1-2、纵缝1-3和短截线1-4可等效为波导结构中的串联电容和并联电感，在一定频率下，串联电容和并联电感在传输线中起主要作用时，梳状结构1-1显现出负折射特性，电磁波群速度的传播方向与波矢的方向相反，相位常数β<0，漏波天线实现后向辐射，天线顶层结构1的等效电路如图5所示。
以顶层基于负折射材料的周期性漏波结构1中漏波单元个数N＝10为例，利用高频三维电磁场仿真软件对模型进行仿真，可以得到天线的S参数曲线如图6所示；天线主瓣方向随频率变化曲线如图7所示；3.6GHz天线后向辐射时，天线的E面方向图、4.2GHz天线过零辐射时，天线的E面方向图以及4.8GHz天线前向辐射时，天线的E面方向图如图8所示。
根据图6可以看到在天线的整个工作频率范围3.6GHz至4.8GHz内，S11基本上小于-10dB，回波损耗很小。根据图7可以看到随着输入信号频率从3.6GHz增大到4.8GHz，天线主瓣方向从-27°平滑变化到+23°，实现了由后向-过零-前向的扫描。根据图8可以看到，天线在后向、过零和前向辐射式，方向图主瓣较大、副瓣旁瓣较小、增益良好。

Claims (10)

1.一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：该平面漏波天线为一长方形平板，长方形平板的下表面镀有一层铜层，下表面镀有的铜层称为底层，长方形平板的上表面镀有一层铜层，上表面镀有的铜层称为顶层；
所述的顶层上通过印制电路板开有N个漏波单元，每个漏波单元包括短截线、横缝、纵缝和梳状结构；相邻的两个漏波单元中心对称；
定义电磁波馈入平面漏波天线的方向为Z向，Y方向垂直平面漏波天线的平面向上，按照右手定则确定X向；
该平面漏波天线上带有通孔；
所述的短截线与X向平行，且短截线的一端与通孔连通，短截线的另一端与梳状结构的末端连通；
横缝与X向平行，纵缝与Z向平行；
横缝的中心与纵缝的中心连线与X轴平行。
2.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：该平面漏波天线上带有的通孔半径小于1mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：距离平面漏波天线的波导端口最近的纵缝的一端与平面漏波天线的波导端口的距离不小于5mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：长方形平板的材料的相对介电常数εr满足3.5<εr<4，损耗角正切tanδ<0.01，长方形平板的厚度d＝0.8-1.6mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：顶层厚度小于0.05mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：底层厚度小于0.05mm。
7.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：所述的梳状结构的梳齿长度l1＝7.5-8.5mm，宽度d1＝0.8-1.2mm，相邻两梳齿间距为0.8-1.2mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：横缝在X向的长度l2＝3-5mm，横缝在Z向宽度d2＝0.8-1.5mm；横缝的中心与纵缝的中心距离为dslot＝5-7mm；纵缝在Z向长度l3＝26-30mm，纵缝在X向宽度d3＝0.8-1.5mm。
9.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：短截线在X向的长度l4＝16-20mm，短截线在Z向宽度d4＝0.8-1.2mm，相邻两个横缝的中心距离为duint＝20-24mm。
10.根据权利要求1所述的一种基于负折射材料实现波束方向过零扫描的平面漏波天线，其特征在于：漏波单元个数N应不小于10。
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