CN112768921B - 一种基于超材料单元的高扫描率的漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超材料的高扫描率漏波天线，该天线加载有互补L型亚波长的金属谐振单元，以实现特定频带的左手电磁特性。天线单元包含有一对互补L型金属谐振单元，采用金属过孔和印刷金属条构成，顶层对应于金属谐振器的位置由矩形开槽以实现电磁波漏泄。天线单元的周期p满足周期型漏波天线空间谐波公式：βn=β ₀‑2πn/p。在漏波天线采用SIW结构，端口处采用梯形SIW结构和微带线共同实现端口馈电以及阻抗匹配。该天线采用SIW结构以及微带馈电，体积较小，结构稳定以及单位频带内方向图的高扫描率对于通信工程、微波成像以及雷达扫描等应用具有很高的实用潜力。

Description

一种基于超材料单元的高扫描率的漏波天线

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于利用金属亚波长单元的超材料结构从而具有高方向图扫描率的漏波天线。

背景技术

漏波天线是典型的行波天线，具有宽带宽、窄波束宽度以及波束扫描的特性，且其馈电方式简单和制造成本低。而由于其波束扫描方向随着频率改变而改变的能力，漏波天线在时频变换中具有潜在的信息传输应用。根据这个特性，漏波天线在雷达、微波成像、频谱分析和通信工程中有着潜在的应用价值。

漏波天线最早来源于在金属波导中沿传播方向的侧壁开一条连续长直的细槽 ，后来演变成一系列横向或者纵向的窄槽。在波导中，电磁波满足快波条件就可以发生漏泄现象。这种类型的漏波天线被称为均匀型漏波天线，在此基础上做的变型成为准均匀漏波天线。然而，这种设计只支持波束的前向到端射的扫描，而且带宽通常较宽。

周期型漏波天线却能够实现波束从后向扫描到前向。其通过开周期型细槽、加载周期型传输线或者周期型的贴片来产生周期扰动，在周期性结构中形成快波传播。周期型漏波天线的空间谐波满足公式：βn=β ₀-2πn/p，由于结构的递增，多次谐波终究会变为慢波，而慢波不能辐射。因此为了单一波束的辐射，通常将n= -1次谐波设计为快波，其余谐波为慢波。

开放阻带(Open stopband)是设计漏波天线时常见的问题，这个难题通常需要进行额外的阻抗匹配进行消除。常见的方法如：增加额外的开槽，采用额外的匹配结构，调整开槽长度等。

由于左手材料具有负Snell折射的特性，采用左手材料，给实现漏波天线前后向波束扫描提供一个新的思路。近来，提高漏波天线波束扫描率也成为关注的焦点。扫描率定义为波束角度变化与频率变化的比率。高扫描率意味着在窄带中拥有较大的角度色散范围，这将在微波成像和基带通信有巨大的潜力。其中窄带将极大的简化前端硬件的要求，而传统的漏波天线通常需要几千兆的带宽，通常难以使用传统的前级电路。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于高扫描率漏波天线。

本发明的高扫描率漏波天线天线包括集成基片波(Substrate integratedwaveguide (SIW))结构，互补L型金属谐振单元和微带馈电结构；将互补L型金属谐振单元周期性置于SIW波导中，通过微带线与过渡段的SIW结构进行馈电以及阻抗匹配。进而，在SIW波导顶层对应于金属谐振单元的位置进行周期开槽，形成周期型漏波天线，使其将电磁波漏泄。

SIW波导是利用两排连续金属过孔在介质板中形成近似波导的结构，其电磁特性类似于金属波导，但比金属波导有低成本，易馈电，易集成等优势。两排金属柱紧密排列，在一定程度上可以阻止电磁波漏泄，使得其具有和金属波导相似的传播特性。且由于是板上结构，SIW波导易与微带线等传输线相结合。

在SIW波导的延伸方向周期排列超材料结构，构成一系列具有等效负折射率的结构，可以使波导在截止频率以下实现导通。互补L型金属谐振结构由四只金属柱和两条平行互补放置金属片构成一对互补L型环路谐振器，金属片长度，间距可调。两只金属柱由顶部的金属片连接，其中一只金属柱与金属地相连，另一只利用开孔与地开路；另一条谐振器正好相反放置。当入射的电磁波的磁场沿金属柱的轴向时，金属条上产生感应电流以及两条金属条间产生传导电流。通过对金属条间距和长度等参数的调整，在相应频率下可以使得感应电流和传导电流形成回路，产生谐振。通过电磁谐振，可以在金属谐振结构附近获得等效负介电常数和等效负磁导率，使得整个结构对外呈现出双负特性。进一步对该金属谐振结构在SIW 波导中进行周期性排列，通过相应开槽形成周期型漏波天线。

通过互补L型金属谐振结构的嵌入，并使其周期性排列，按照周期型漏波天线空间谐波的关系式：βn=β0-2πn/p进一步确定其周期p；并在SIW波导顶层金属对应于金属谐振器的位置进行开槽，使其形成周期型漏波天线。通过对金属谐振环单元的谐振频率的调整以及漏波天线周期p的调整在相应频带中获得色散度比较高的色散曲线，然后在漏波天线阵列中进一步实现电磁波漏泄。

通过调整单元结构的参数获得其色散曲线，确定其传播模式。在后向的传播曲线中，也即在负折射频段中，具有很高的色散，因此通过利用金属谐振结构的加载，可以使漏波天线具有高的扫描率。漏波天线的扫描率定义为在单位频带内方向图波束扫描过的角度。

本发明的有益效果：

采用互补L型亚波长金属谐振结构构成具有左手电磁特性的单元，通过周期排列形成基于SIW周期型漏波天线。

天线每个单元由金属谐振结构及SIW波导顶部对应位置的开槽的构成，共有35个单元。在天线两端有一段梯形的SIW波导结构和微带线过渡，实现馈电和阻抗匹配。很明显可以看出，超材料单元结构的色散曲线显示在谐振频带中（7-7.2GHz），色散曲线斜率为负，方向图扫描方向从天线的端射方向（-90°/ 90°）扫描到宽边方向（0°）；且色散曲线的斜率高代表方向图的扫描率高。天线在谐振频带中，方向图主波束角度随着频率的变化而变化，在带宽内扫描的角度为-70°~ 0°，同时扫描率为350°/MHz。这在通信数据传输和微波成像中具有巨大的应用前景。

附图说明

图1是互补L型金属谐振结构及原理示意图。

图2是基于金属谐振结构的天线单元示意图。

图3是基于金属波导结构的仿真色散角度示意图。

图4是本发明天线的整体结构以及参数标注图。

图5是本发明天线的S参数示意图。

图6是本发明天线的方向图在不用频点下的扫描示意图。

图中：1-SIW集成基片波导；2-金属谐振结构；3-微带馈电结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，本发明采用的高扫描率漏波天线的互补L型金属谐振结构：由两条L型平行放置的金属条构成。当有电磁波穿过时，金属片中产生感应电流成为传导电流Jc（theconductive current），而在两个金属条之间存在电容，因此会在两个金属条的首尾互相产生位移电流Jd（the displacement current），从而形成电流回路，产生谐振。谐振使得金属结构周围产生等效负介电常数和等效负磁导率，使介质呈现为双负特性的左手材料。

如图2所示，漏波天线的单元结构由SIW集成基片波导，金属谐振结构和波导Toplayer层的开槽构成。在SIW波导中，由两侧金属板和两排紧密排列的金属过孔形成矩形形状。SIW波导的电磁特性类似矩形波导，但相比于矩形金属波导，其具有低成本，易集成，易加工以及低剖面结构稳定等优势。单元中的平行金属谐振结构由Top layer的金属条和金属过孔构成。其中位于一对对角位置的金属过孔底部进行开孔，使其与Bottom layer形成开路以便于形成位移电流。在顶层的对应位置处进行矩形开槽，以便于电磁波漏泄，形成漏波天线。

如图3所示，本天线采用的互补L型金属谐振单元在金属波导中的色散图，在图中色散曲线的角度对应频率点。由于波导尺寸不一致，导致该结果在采用SIW波导中的仿真结果中频带会有所偏差，但不影响我们进一步研究。图中所示在6.45GHz频点下色散角度为70°，一直扫描到6.64GHz色散角度为0°。带宽约200MHz，扫描率达到350°/GHz。我们可以发现，曲线斜率代表扫描角的速率，在低频下，曲线斜率较高，扫描速率快；在高频下，曲线斜率逐渐变缓，扫描速率降低。

如图4所示，本发明天线由SIW集成基片波导1，金属谐振结构2和微带馈电结构3构成。在两排金属过孔之间，以周期p排列放置金属谐振结构2，使其传播曲线满足关系式：βn=β0-2πn/p，从而形成稳定有效的辐射波束。在天线两端以微带线进行馈电，适当的利用梯形SIW集成基片波导1进行端口阻抗匹配。微带线尺寸以50欧姆阻抗匹配计算所得，端口连接50欧姆SMA转接头。由于整个天线为原点对称结构，因此两个端口的S参数以及天线的各项指标都相同，下面仅以端口1为例阐述。

本列天线的设计是在三维全部电磁仿真软件CST中进行的，相关尺寸是通过设计及软件优化所确定，如下表所示：

参数	L	W	s	d	tcx
						单位(mm)	216	11.5	2	1	4
参数	tcy	px	py	r1	r2
						单位(mm)	2	2	0.8	0.2	0.35
参数	p
						单位(mm)	6

其中微波介质基板是大小为336×35×1 mm³的PCB板TLT-6（介电常数为2.65，损耗正切值为0.0017），所有参数单位为毫米。

如图5所示的仿真的S参数对比可以看出，以-10dB阻抗带宽为标准，天线的谐振频段为7.15-7.34GHz，带宽约为200MHz。相比于普通的漏波天线，带宽极窄，能够在通信电路设备中极大的降低带宽所带来的繁复问题。且观察通过图6方向图结果的，天线的方向图增益能够稳定维持在10dBi以上；从7.11GHz到7.34GHz，方向图的主波束方向能够从-72°（端射方向）扫描到0°（宽边方向），角度定义：从输入端口方向为（-90°）到天线宽边中心（0°）再到输出端口（90°）。由于采用左手材料，在谐振频带内，电磁波产生反常的负折射现象，折射波束从端口1的方向开始偏转，也即负向扫描。

在此带宽内（约200MHz），漏泄波束方向角度扫描约70°，扫描速率为350°/GHz，为现有漏波天线中扫描率最高。

Claims (2)

1.一种基于超材料单元的高扫描率的漏波天线，包括周期单元，其特征在于：所述周期单元由SIW集成基片波导，金属谐振结构和波导顶层的开槽构成；在SIW集成基片波导中，由两侧金属板和两排紧密排列的金属过孔形成矩形形状，在顶层对应所述金属谐振结构的位置处进行矩形开槽，以便于电磁波漏泄，形成漏波天线；在两排金属过孔之间，以周期p排列放置金属谐振结构，在天线两端以微带线进行馈电，利用梯形SIW集成基片波导进行端口阻抗匹配；所述金属谐振结构为互补L型金属谐振结构，互补L型金属谐振结构由四只金属孔和两条平行互补放置金属片构成一对互补L型环路谐振器，金属片长度、间距可调；两只金属孔由顶部的金属片连接，其中一只金属孔与金属地相连，另一只利用开孔与地开路；另一条谐振器正好相反放置。

2.如权利要求1所述的一种基于超材料单元的高扫描率的漏波天线，其特征在于：所述周期单元的谐振频率与高扫描率漏波天线的谐振频率保持一致。

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