CN112054305A - 一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，包括介质板、金属传输带、金属地板、馈电接头、阻抗匹配单元，金属传输带由置于微带传输线上周期性排布的若干个复合左右手单元级联而成；每个复合左右手单元包括金属连接体、横直槽、斜向槽、附加小槽，金属传输带一边侧沿着其长度方向蚀刻出若干组横直槽、另一边侧设置若干个金属连接体，两两相邻的横直槽之间蚀刻出附加小槽，每组横直槽的两侧蚀刻斜向槽。本发明消除了传统周期性漏波天线存在的开阻带效应，可实现边射方向无衰减的扫描，在工作范围内波束扫描范围较大，方向性强，并且波束增益保持了较高的稳定性，可广泛应用于多点通信、汽车雷达等领域。

Description

一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线
技术领域
本发明属于无线通信应用领域，具体涉及一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线。
背景技术
漏波天线是一类在导波结构中用行波作为主要辐射机构的天线。漏波本质上是一种辐射波。当波在导波结构中传播时，会不断辐射或泄露能量，漏波天线因此而得名。漏波天线一大优势是固有的频率扫描能力，适用于多点通信、汽车雷达和导弹末段制导所用的高分辨率雷达等等，因此得到人们广泛的应用。
根据结构分类，漏波天线可分为三类：均匀漏波天线，准均匀漏波天线，周期性漏波天线。传统周期性漏波天线存在的开阻带(open stopband)效应会限制侧边辐射，使侧边主波束增益急剧衰减，波束扫描过程不能连续进行。为此，近年来人们在消除开阻带效应上做出了很多努力，以使周期性漏波天线能实现从后向到前向的连续波束扫描。一种有趣的设计是在天线中引入复合左右手(CRLH)超材料结构，该结构在微带线基础上，增加了串联电容和并联电感，制成了人工传输线，对开阻带有一定的抑制作用。
此外，现阶段大多数周期性漏波天线在消除开阻带的前提下，无法保证主波束增益稳定，增益变化幅度过大，对天线性能及应用带来一定弊端。
发明内容
针对现有技术中的不足与难题，本发明旨在提供一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其可实现从后向到前向侧边增益无衰减的连续波束扫描，并在消除开阻带的前提下保持了主波束增益高度的稳定性。
本发明通过以下技术方案予以实现：
一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，包括介质板、金属传输带、金属地板、两组馈电接头、两组阻抗匹配单元，其中，
金属地板紧贴于介质板下表面，作为接地金属层；
金属传输带紧贴于介质板上表面，金属传输带由置于微带传输线上周期性排布的若干个复合左右手单元级联而成，构成主要辐射部分；
阻抗匹配单元与金属传输带首尾两端相连接，用于减少了回波损耗对天线性能的影响；
每个复合左右手单元包括金属连接体、横直槽、斜向槽、附加小槽，金属传输带一边侧沿着其长度方向蚀刻出若干组横直槽、另一边侧设置若干个金属连接体，两两相邻的横直槽之间蚀刻出附加小槽，每组横直槽的两侧各蚀刻一组与之相交且向外延伸的等长斜向槽，两组斜向槽以对应的横直槽中线为中心对称。
进一步地，横直槽位于两两相邻金属连接体的中线位置；附加小槽与对应的金属连接体在纵向上有相对偏移量。
进一步地，横直槽的数量为14组。
进一步地，所述馈电接头包括外导体以及中心馈电探针，外导体与金属地板连接，中心馈电探针与金属传输带连接；阻抗匹配单元设置在金属传输带与馈电接头连接部分，每个阻抗匹配单元由两个长方形以及一个直角梯形金属片级联而成，其中一个长方形金属片与馈电接头相连接，直角梯形金属片与金属传输带相连接。
进一步地，金属连接体采用金属钉或金属化通孔。
进一步地，每个复合左右手单元中的横直槽的长度与斜向槽的相等，均为四分之一波长，且波动范围为±0.5mm；斜向槽宽度设置为横直槽宽度的三分之一。
与现有技术相比，本发明有益效果包括：
1.本发明提供基于复合左右手结构的周期性开槽天线，其辐射能力强，结构简单，尺寸小，易于加工制造。
2.本发明通过于微带传输线上引入金属钉，并进行蚀刻开槽，构成复合左右手结构，成功消除开阻带，使天线主波束能由后向到前向无衰减地连续扫描，扫描范围大，主波束增益良好。
3.本发明保证了主波束增益的高度稳定性，工作范围内，各频率对应的主波束增益变化幅度较小，增益幅度波动不明显。
附图说明
图1是本发明实施例正面结构示意图；
图2是本发明实施例背面结构示意图；
图3是本发明实施例侧面结构尺寸图；
图4是本发明实施例的复合左右手单元等效电路模型；
图5是复合左右手结构色散曲线；
图6是本发明实施例S参数曲线；
图7是本发明实施例在工作范围内的辐射方向图；
图8是本发明实施例在工作范围内增益随频率变化的曲线图；
图9是本发明实施例在工作范围内主波束指向角随频率变化的曲线图。
图示说明：1-介质板，2-金属传输带，3-金属连接体，4-横直槽，5-斜向槽，6-附加小槽，7-阻抗匹配单元，8-外导体，9-中心馈电探针，10-金属地板。
在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“横”、“直”、“斜”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接、可拆卸连接、一体地连接；可以是机械连接、电连接；可以是直接相连、中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作进一步地说明。
如图1和图2所示的结构示意图，一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，包括介质板1、金属传输带2、金属地板10、两组馈电接头，其中金属传输带2位于介质板1上表面、金属地板10位于介质板1下表面，两组馈电接头分别位于介质板1首尾两侧。
具体地，介质板1为长方体，其内部为固体介质。本实施例使用了Rogers 5880的介质板材料，其相对介电常数εr＝2.2，介质损耗角正切值tanδ＝0.0009。金属地板10、金属传输带2为平面结构，介质板1上下层分别与金属传输带2和金属地板10紧密贴合。
金属传输带2一边侧沿着其长度方向蚀刻出若干组横直槽4、另一边侧设置若干个金属连接体3，两两横直槽4之间蚀刻出附加小槽6，每组横直槽4的两侧各蚀刻一组与之相交且向外延伸的等长斜向槽5，两组斜向槽5以横直槽4中线为中心对称，使得斜向槽5与横直槽4构成倒树状结构，横直槽4位于两两相邻金属连接体3的中线位置，附加小槽6与对应的金属连接体3在纵向上有一个相对偏移量。横直槽4的数量为14组。
金属传输带2与金属地板10采用铜、铝、银或金材料，金属传输带2于每个单元内蚀刻出的横直槽4、两个相互交叉的斜向槽5和附加小槽6，作为能量泄露的主要部位；在此基础上，每个周期内添加金属连接体3，构成复合左右手单元。金属连接体3用于连接介质板1上下层的金属传输带2和金属地板10。金属连接体3采用金属钉或金属化通孔。
所述馈电接头包括外导体8以及中心馈电探针9，外导体8与金属地板10连接，中心馈电探针9与金属传输带2连接。金属传输带2与馈电接头连接部分设置有阻抗匹配单元7，其将天线阻抗匹配到50欧姆，从而与馈电接头相匹配，减少了回波损耗对天线性能的影响。阻抗匹配单元7由两个长方形以及一个直角梯形金属片级联而成，其中一个长方形金属片与馈电接头相连接，直角梯形金属片与金属传输带2相连接。
图3为本发明周期性漏波天线的尺寸图，为后续介绍方便，已将各尺寸字母符号标注于图3中。在本实施例中，横直槽4的长度ls设置在约四分之一波长处，斜向槽5的长度与横直槽4的相同、其宽度设置为横直槽4宽度的三分之一。实际操作中，可先将ls设置为四分之一波长，后经过小范围的调试(变化幅度小于0.5mm为最佳)，选择参数结果较好的长度作为ls的值。在后续工作中，通过调节横直槽4与斜向槽5的夹角θs，以及附加小槽6和金属连接体3之间的纵向距离d，改变复合左右手结构中的CL，使天线满足平衡条件，此时开阻带效应被消除。在此调节过程中，主波束增益会受夹角θs与距离d的影响。因此，在调节参数消除开阻带的同时，还需观察增益的变化情况，最终在消除开阻带的前提下，实现增益的高度稳定。
图4是在本实施例中复合左右手单元的等效电路模型。金属传输带2蚀刻的槽两侧存在电压梯度，为天线提供了串联电容CL，电流流过CL产生磁通量，从而存在串联电感LR。引入的金属钉为天线提供了并联电感LL，而上表面与接地面两金属层之间存在电压梯度，从而存在并联电容CR。其中，CL和LL称为左手值，CR与LR称为右手值。在低频段时，LR趋于短路，CR趋于开路，结构将简化为左手结构，具有高通性，在某频率之下时存在左手阻带；在高频段时，CL趋于短路，LL趋于开路，结构将简化为右手结构，具有低通性，在某频率之上时存在右手阻带。
在上述复合左右手结构中，会发生串联谐振和并联谐振。串联谐振频率ωse和并联谐振频率ωsh的表达式分别为
Figure BDA0002638375100000051
Figure BDA0002638375100000052
图5为复合左右手结构色散曲线图。一般情况下，如图中实线所示，串联谐振频率ωse和并联谐振频率ωsh不相等，此时天线处于不平衡，在ωse与ωsh之间的频率范围内将发生开阻带效应。随着调节金属传输带2中的横直槽4、两个相互交叉的斜向槽5、附加的附加小槽6以及金属连接体3，可改变复合左右手结构中的电容和电感值，使天线处于平衡状态，如图5中点划线所示。此时，ωse＝ωsh＝ω0，曲线能够平滑地过渡，开阻带效应被抑制。
平衡条件为
Figure BDA0002638375100000053
图6为本实施例的S参数曲线u，S11为反射系数。当S11处于-10dB以下时，性能较为良好。由图可看出，S11在7.55GHz至10.1GHz的频率范围内始终保持在-10dB以下，辐射性能良好。在开阻带所对应的8.95GHz处，S11的值较低，开阻带得到了很好的抑制。图7是本实施例在工作范围内(9.55GHz至10.1GHz)的辐射方向图，横轴θ为主波束指向角，图中波束对应频率从左到右依次增加。可发现，在工作范围内，主波束增益始终维持在较高的水平，幅度变化不明显，仅在边缘部分有些许的降低，中间部分基本无变化。且在开阻带(θ＝0°)处，增益没有发生下降，开阻带被成功消除，实现了从后向到前向无衰减的连续波束扫描。
图8为本发明实施例在工作范围内增益随频率变化的曲线图，通过图8的增益—频率图可发现，增益较为稳定，在整个工作范围内，增益变化仅为1.6dB，且在大部分范围内，增益变化小于0.5dB，仅在工作范围边缘部分发生了较为明显的下降。
图7是本发明实施例在工作范围内的辐射方向图，图9是本发明实施例在工作范围内主波束指向角随频率变化的曲线图，结合图7与图9的曲线，可观察到，本实施例在整个工作范围内，可实现90.5°的扫描角度，扫描范围较大，增益稳定，性能较为优秀。
以上所述仅表达了本发明的优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形、改进及替代，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其特征在于：包括介质板(1)、金属传输带(2)、金属地板(10)、两组馈电接头、两组阻抗匹配单元(7)，所述金属传输带(2)紧贴于所述介质板(1)上表面、所述金属地板(10)紧贴于所述介质板(1)下表面，两组所述馈电接头分别位于所述介质板(1)首尾两侧；所述金属传输带(2)由置于微带传输线上周期性排布的若干个复合左右手单元级联而成，且其首尾两端与所述阻抗匹配单元(7)相连接；每个所述复合左右手单元包括金属连接体(3)、横直槽(4)、斜向槽(5)、附加小槽(6)，所述金属传输带(2)一边侧沿着其长度方向蚀刻出若干组所述横直槽(4)、另一边侧设置若干个金属连接体(3)，两两相邻的所述横直槽(4)之间蚀刻出所述附加小槽(6)，每组所述横直槽(4)的两侧各蚀刻一组与之相交且向外延伸的等长所述斜向槽(5)，两组所述斜向槽(5)以对应的所述横直槽(4)中线为中心对称。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其特征在于：所述横直槽(4)位于两两相邻的所述金属连接体(3)的中线位置；所述附加小槽(6)与对应的所述金属连接体(3)在纵向上有相对偏移量。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其特征在于：所述横直槽(4)的数量为14组。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其特征在于：所述馈电接头包括外导体(8)以及中心馈电探针(9)，所述外导体(8)与所述金属地板(10)连接，所述中心馈电探针(9)与所述金属传输带(2)连接；所述阻抗匹配单元(7)设置在所述金属传输带(2)与所述馈电接头连接部分，每个所述阻抗匹配单元(7)由两个长方形以及一个直角梯形金属片级联而成，其中一个长方形金属片与所述馈电接头相连接，所述直角梯形金属片与所述金属传输带(2)相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其特征在于：所述金属连接体(3)采用金属钉或金属化通孔。
6.根据权利要求1所述的一种基于复合左右手结构增益高度稳定的周期性漏波天线，其特征在于：每个所述复合左右手单元中的所述横直槽(4)的长度与所述斜向槽(5)的相等，均为四分之一波长，且波动范围为±0.5mm；所述斜向槽(5)宽度设置为所述横直槽(4)宽度的三分之一。
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