CN110854515A - 一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，所述天线由周期性漏波天线和人工电磁结构两部分组成；其中，周期性漏波天线由辐射贴片、通孔、地、同轴馈电部分以及Rogers5880基板组成，人工电磁结构由环形贴片阵列和FR4基板组成，该周期漏波天线在4‑6Ghz内的S11均小于‑10dB,最大增益达到12.47dBi，扫描范围可达‑60～+60，通过在周期漏波天线上加载人工电磁结构，在不改变扫描范围的情况下将其增益提高了2dB左右。在雷达系统中具有很好的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，基于CRLH-TL(复合左右手材料传输线)单元结构和加载人工电磁结构形成高增益、宽波束扫描范围的波束扫描天线。
背景技术
漏波天线(LWAs)以其低轮廓、窄波束、简单馈线和固有的波束扫描能力而越来越受欢迎。周期结构的漏波天线能够辐射高次空间谐波的电磁功率并且具有一系列优点如低损耗、灵活的辐射的特征等，然而，由于开口阻带的限制，在不造成明显增益损失的情况下，实现LWA的侧向辐射是一个挑战，目前，采用人工电磁结构的研究很多，基本上是将其加载在天线辐射片上方以实现对辐射波瓣的聚束作用，从而提高天线主辐射方向的增益，然而此类天线往往破坏了天线的低剖面特性，同时得到的天线带宽也比较窄，从而影响其性能，有必要去研究一种方案来解决此种缺陷。
发明内容
鉴于上述提出的缺陷，本发明的目的在于提出一种宽频带、高增益、宽波束扫描范围的漏波天线设计思想，通过复合左右手传输线单元结构来实现天线的宽波束扫描范围、宽频带，通过加载人工电磁结构，实现其增益进一步的增高。
为了解决现有技术存在的技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，该天线包括周期性漏波天线和人工电磁结构两部分，周期性漏波天线包括 Rogers5880基板(1)以及分别设置在该基板(1)两面的第一线路层和第二线路层，所述第一线路层至少设置辐射贴片(2)和微带渐变馈电贴片，所述第二线路层至少设置地(5)，辐射贴片(2)和地(5)由通孔(3)连接；人工电磁结构包括FR4基板(7)以及设置在该基板上面的金属圆环阵列(8)。其中，
该波束扫描天线还设置同轴馈线(6)，所述同轴馈线(6)用于对周期性漏波天线进行馈电；
所述辐射贴片单元(12通过通孔(3)与地(5)进行相接，所述微带渐变贴片与辐射贴片相接，所述辐射贴片单元(2)、地(5)和通孔(3)形成复合左右手传输线单元；
所述复合左右手传输线单元中，所述辐射贴片(2)产生串联左手电容CL与串联右手电感LR，通孔(3)电感效应作为并联左手电感LL，辐射贴片(2) 和地(5)之间产生耦合电容作为并联右手电容CR。
作为进一步的改进方案，所述周期性漏波天线由十个复合左右手传输线单元组成。
作为进一步的改进方案，所述复合左右手传输线单元由辐射贴片、地和通孔组成，其中通孔个数为5个，为梅花状。
作为进一步的改进方案，所述人工电磁结构由FR4基板以及设置在该基板上面的金属圆环阵列组成，其中金属圆环个数为108个。
作为进一步的改进方案，所述复合左右手传输线结构达到平衡时，
作为进一步的改进方案，所述同轴馈线(6)的阻抗值为50欧姆。
作为进一步的改进方案，所述同轴馈线(6)的外部使用绝缘体进行绝缘，其底部采用镀头进行封闭。
作为进一步的改进方案，所述周期性漏波天线部分采用Rogers 5880基板，人工电磁结构部分采用FR4基板。
作为进一步的改进方案，所述Rogers 5880基板(1)的体积为 171.7*30*2mm3，FR4基板(7)的体积为171.7*30*2mm3，所述地(5)的面积为 171.7*30mm2，所述辐射贴片单元(2)的面积为14.5*13.7mm2。
作为进一步的改进方案，所述通孔(3)的半径为0.45mm，每个通孔间距为1.5mm，所述同轴馈线(6)的馈电探针半径为0.65mm，所述同轴馈线(6) 的半径为2.05mm。
作为进一步的改进方案，所述串联左手电容CL＝1.9pF，所述串联右手电感LR＝1.51nH，所述并联左手电感LL＝0.52nH，所述并联右手电容CR＝0.65pF。
与现有技术相比较，本发明通过加载辐射贴片、通孔、地构成复合左右手传输线单元，利用此种结构，在不影响或提高天线性能的情况下，实现整体结构的简化，易于制作，同时实现了波束扫描范围为-60～+60，此波束扫描范围比先前已有设计都要更宽；通过加载人工电磁结构，在不影响或提高波束扫描范围的情况下，使得本发明在整个频段内的最大增益达12.47dBi，相较于同类天线，增益有明显提升。
附图说明
图1是本发明一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线的总体结构图。
图2是本发明复合左右手结构单元示意图。
图3是本发明复合左右手传输线单元的等效电路图。
图4是本发明复合左右手传输线单元的色散曲线图。
图5是本发明一种优选实施方式中回波损耗s11参数示意图。
图6是本发明一种优选实施方式中天线波束扫描曲线图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明提供的技术方案作进一步说明。
参见图1-2，所示为本发明公开了一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线的结构框图，该天线包括周期性漏波天线和人工电磁结构两部分，周期性漏波天线包括Rogers5880基板(1)以及分别设置在该基板两面的第一线路层和第二线路层，所述第一线路层至少设置辐射贴片(2)和微带渐变馈电贴片(4)，所述第二线路层至少设置地(5)，辐射贴片(2)和地由通孔(3) 连接；人工电磁结构包括FR4基板(7)以及设置在该基板上面的金属圆环阵列(8)；
该波束扫描天线还设置同轴馈线(6)，所述同轴馈线(6)用于对周期性漏波天线进行馈电；
所述辐射贴片单元(2)通过通孔(3)与地(5)进行相接，所述微带渐变贴片与辐射贴片相接，所述辐射贴片单元(2)、地和通孔(3)形成复合左右手传输线单元。
参见图3，所示为，其中复合左右手传输线单元的等效电路图，辐射贴片 (2)产生串联左手电容CL与串联右手电感LR，通孔(3)电感效应作为并联左手电感LL，辐射贴片(2)和地(5)之间产生耦合电容作为并联右手电容CR。
如图3，分析复合左右手传输线结构单元的等效电路图，电压正极输入端与左手电容串联，然后与右手电感串联，接着与右手电容并联，再与左手电感并联，再与右手电感串联，与左手电容串联，最后从电压输出端输出。
以下再详述本发明的技术原理：
如图3所示，对于均匀无耗传输线，其相位常数为：
式中S(ω)为符号函数：
其中串、并联谐振频率
下面根据不同频率段对复合左右手传输线的相位常数进行讨论：
当ω＞ωΓ2时，
此时复合左右手传输线表现为右手传输线特性。
当ω＜ωΓ2时
此时复合左右手传输线表现为左手传输特性。
当ωΓ1＜ω＜ωΓ2时，
此时复合左右手传输线处于一种频带间隙模式，为复合左右手传输线独有的特性，以上所述都为非平衡情况，考虑其中一种特殊情况，即当ωse＝ωsh时，这种情况称为平衡情况，此时
从以上可以看出对于复合左右手传输线来说，因为其相移常数可以为负值，所以复合左右手传输线的基模位于快波区，因此工作在基模状态的复合左右手传输线，其能量可以泄露出去，用于制作漏波天线。
对微带漏波天线而言，其频率的变化将导致行波的传播常数发生变化，而传播常数的变化将引起波束辐射方向发生变化，即在一定范围内可以实现波束扫描。其主波束方向与边射方向的夹角，即辐射角为
理论上辐射角的取值范围为(-π/2,0∪(0,π/2）。且当复合左右手传输线处于平衡状态时，复合左右手传输线可以由左手特性无缝的过渡到右手特性，即实现零频段过渡。且在平衡频点处虽然相移常数β＝0，但是群速度不为0，因此能量仍然可以继续传播。因此对于平衡状态的复合左右手传输线，辐射角θ可以等于0，此时辐射方向为边射方向。由此可知复合左右手传输线可以实现从后向到边射方向再到前向连续的波束扫描。传统微带漏波天线(右手材料)，因为其相移常数恒为正值，因此理论上单波束辐射角的取值范围为(0,π/2），而且又因为右手材料当β＝0时，其群速度为0，能量不能传输，因此传统微带漏波天线也不能实现边射方向的扫描，而基于传输线的微带漏波天线的辐射角则可以实现从后向到前向的连续扫描。
图4为复合左右手传输线的单元色散图，由电磁场理论知，当平面波的相速度小于空气中的光速时，平面波表现为慢波，而当其相速度大于空气中的光速时，表现为快波。图中的斜线代表空气线，用以确定快波区和慢波区，由图可知，空气线左边相移常数小于自由空间波数为快波区，空气线右边相移常数大于空间自由波数为慢波区，其表达式为：
其中为C0真空中光速，ωP为传输线单元的频率。
由前面分析知，当平面电磁波在左手传输线中传播时，表现为后向波，在右手传输线中传播时，表现为前向波。对于传输线，当串联谐振频率与并联谐振频率相等时，传输线达到平衡状态，此时平面电磁波可以由左手传输线无缝的过渡到右手传输线继续传播。
在本发明技术方案中，周期性漏波天线部分采用Rogers5880基板，介质损耗为2.2，人工电磁结构部分基板采用0.8mmFR-4介质板，介质损耗为4.4，在一种优选实施方式中，所制备天线的实际体积为171.7*30*2mm3，因采用由辐射贴片、通孔和地组成的复合左右手结构单元，使得其结构简单，易于加工，整个频段内最大增益达到12.47dB，扫描范围可达-60～+60，可应用于雷达系统。其具体结构参数为:基板体积为171.7*30*2mm3，系统地的面积为 171.7*30mm2，辐射贴片单元面积为14.5*13.7mm2,通孔半径为0.45mm，每个通孔间距1.5mm，复合左右手单元之间相距0.1mm；圆环宽度为0.7mm，每个圆环间距为6mm，同轴线馈电探针为0.65mm，同轴线半径为2.05mm，两基板间距33mm；等效电路参数为：LR＝1.49nH,CL＝1.8pF,LL＝0.48nH,CR＝0.62pF。
在上述参数设计中，该周期漏波天线在4-6Ghz内的S11均小于-10dB，其回波损耗s11参数示意图见附图5。其波速扫描曲线示意图见附图6。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，该天线包括周期性漏波天线和人工电磁结构两部分，周期性漏波天线包括Rogers5880基板(1)以及分别设置在该基板两面的第一线路层和第二线路层，所述第一线路层至少设置辐射贴片(2)和微带渐变馈电贴片(4)，所述第二线路层至少设置地(5)，辐射贴片和地由通孔连接；人工电磁结构包括FR4基板(7)以及设置在该基板上面的金属圆环阵列(8)；其中，
该波束扫描天线还设置同轴馈线(6)，所述同轴馈线(6)用于对周期性漏波天线进行馈电；
所述辐射贴片单元(2)通过通孔(3)与地(5)进行相接，所述微带渐变贴片(4)与辐射贴片单元(2)相接，所述辐射贴片单元(2)、地(5)和通孔(3)形成复合左右手传输线单元；
所述复合左右手传输线单元中，所述辐射贴片(2)产生串联左手电容CL与串联右手电感LR，通孔(3)的电感效应作为并联左手电感LL，矩辐射贴片(2)和地(5)之间产生耦合电容作为并联右手电容CR。
2.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述周期性漏波天线由十个复合左右手传输线单元组成。
3.根据权利要求1或2所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述复合左右手传输线单元由辐射贴片、地和通孔组成，其中通孔个数为5个，为梅花状。
4.根据权利要求1或2所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述人工电磁结构由FR4基板以及设置在该基板上面的金属圆环阵列组成，其中金属圆环个数为108个。
5.根据权利要求1或2所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述复合左右手传输线结构达到平衡时，
6.根据权利要求1或2所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述同轴馈线(6)的阻抗值为50欧姆，其外部使用绝缘体进行绝缘，其底部采用镀头进行封闭。
7.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述周期性漏波天线部分采用Rogers 5880基板(1)，人工电磁结构部分采用FR4基板(7)。
8.根据权利要求7所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述Rogers 5880基板(1)的体积为171.7*30*2mm3，FR4基板(7)的体积为171.7*30*2mm3，所述地(5)的面积为171.7*30mm2，所述辐射贴片单元(2)的面积为14.5*13.7mm2；所述Rogers5880基板与FR4基板相距33mm。
9.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述通孔(3)的半径为0.45mm，每个通孔间距为1.5mm，所述同轴馈线(6)的馈电探针半径为0.65mm，所述同轴馈线(6)的半径为2.05mm，复合左右手传输线单元之间相距0.1mm。
10.根据权利要求1所述的基于复合左右手传输线的高增益波束扫描天线，其特征在于，所述串联左手电容CL＝1.8pF，所述串联右手电感LR＝1.49nH，所述并联左手电感LL＝0.48nH，所述并联右手电容CR＝0.62pF。
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