CN113013628B - 一种紧凑型高效率无反射漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种紧凑型高效率无反射漏波天线，属于天线技术领域。该天线包括介质基板(1)、印刷在介质基板上的两个朝向相反的表面等离子激元(SPP)传输线结构(2)(3)、SMA接头(4)以及50Ω负载(5)组成；所述两个朝向相反的SPP传输线结构通过在一段微带线上蚀刻周期排列的倒“几”字形槽得到；所述微带线的一侧边沿通过加载尺寸相同、周期排列的金属柱(6)与地(7)相连接；所述SMA接头的内导体接在SPP传输线上，外导体接在地板上；所述50Ω负载一端接在SPP传输线上，另一端接在地板上。本发明具有结构紧凑、高辐射效率、无反射、结构简单、剖面低的优点。

Description

一种紧凑型高效率无反射漏波天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种紧凑型高效率无反射漏波天线。

背景技术

漏波天线以其阻抗带宽宽、波束宽度窄和频率扫描性能等优点得到了广泛应用。通常实现漏波天线需要相对较长的电长度去实现较高的辐射效率。然而在许多空间有限的系统中，增加长度来提高辐射效率并不适用。不仅如此，针对一些高功率设备和敏感性系统，回波的存在会对系统造成损害。因此，实现一款长度较短同时具有高辐射效率、无反射性能的紧凑型漏波天线是有重要意义的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种紧凑型高效率无反射漏波天线，具有结构紧凑、高辐射效率、反射低、结构简单、剖面低的优点。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种紧凑型高效率无反射漏波天线，该天线包含两个朝向相反的SPP传输线结构、介质基板、SMA接头以及50Ω匹配负载；

所述两个朝向相反的SPP传输线结构通过在一段微带线上蚀刻周期排列的倒“几”字形槽得到；所述微带线的一侧边沿通过加载尺寸相同、周期排列的金属柱与地板相连接；所述SMA接头的内导体接在SPP传输线上，外导体接在地板上；所述50Ω负载一端接在SPP传输线上，另一端接在地板上。

进一步，所述SMA接头和50Ω负载分布在传输线的两端。

进一步，所述SMA接头包括内导体、介质层与外导体组成，内导体与其中一个SPP传输线的开路侧连接，外导体与地板连接。

进一步，所述50Ω负载一端与其中一个SPP传输线的开路侧连接，另一端连接在地板上。

进一步，所述介质基板其厚度为1.575mm。

进一步，所述传输线长度为75mm，宽度为5mm。

进一步，所述“几”字形槽是对称结构，以倒“几”字形周期排列，水平左右两边长度为1.45mm，宽度为0.5mm，距离微带线上方1.7mm，距离微带线左边0mm，竖直左右两边部分长度为2.2mm，宽度为0.4mm，上方水平部分长度为2.9mm，宽度为0.2mm。

进一步，所述金属柱的半径为0.2mm，高度为1.575mm，中心距离“几”字形槽上方水平部分0.5mm，周期分布在微带线下方。相邻金属柱的中心距为0.5mm。

本发明的有益效果在于：本发明通过在传输线上蚀刻周期性“几”字形的槽以及在传输线下边缘加载周期性金属柱实现了在整个工作频段内低回波效果，并且在低频段该结构起到了低损耗低色散慢波传输线的作用，在高频段起到了高效率的漏波辐射效果，具有结构紧凑、高辐射效率、结构简单、剖面低、反射低等优点。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是本发明天线的整体示意图；

图2是本发明天线的传输线结构、单元结构及尺寸示意图；

图3为本发明的S参数随频率变化的曲线图；

图4为本发明的增益和辐射效率随频率变化的曲线图；

图5为本发明的14.5GHz频点的H面的辐射方向图；

图6为本发明的15.5GHz频点的H面的辐射方向图；

图7为本发明的16.5GHz频点的H面的辐射方向图；

图8为本发明在17.5GHz频点的H面的辐射方向图；

图9为本发明在低频慢波模式下的色散曲线图；

图10为本发明在高频漏波模式下的色散曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明天线的整体示意图，如图1所示：本发明的一种紧凑型高效率无反射漏波天线，包含介质基板(1)、两个朝向相反的SPP传输线结构(2)(3)、SMA接头(4)以及50Ω匹配负载(5)。

其中，两个朝向相反的SPP传输线结构通过在一段微带线上蚀刻周期排列的倒“几”字形槽得到，并且微带线的一侧边沿通过加载尺寸相同、周期排列的金属柱(6)与地板(7)相连接。在低通传输频段，漏波天线工作在低频慢波模式下，视为一个周期枝节加载的慢波传输线并联一个短路的互补结构。在高频漏波频段，视为带缝隙的半模基片集成波导。使得天线在尺寸为3.63λ_L*0.24λ_L(其中，λ_L为14.5GHz下的自由空间波长)的情况下，峰值辐射效率达到93％，同时在(0～19GHz)频带范围内表现出良好的低反射性能。

介质基板(1)为薄长方体型基板，本实施例中，其厚度h为1.575mm，材料型号选用了Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，介质基板上表面的SPP结构为覆铜薄膜。

下面通过具体实施例来对本发明的具体方案进行说明。

参见图1，图2。所述的介质基板上表面紧贴SPP传输线，SMA接头的内导体与上部分的SPP连接，外导体与地板连接，分布在传输线的一端。介质基板为薄长方体，其厚度为h，采用型号为Rogers 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。50Ω匹配负载的一端与上部分的SPP连接，外导体与地板连接，分布在传输线的另一端。

完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS18.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示：

表1本发明各参数最佳尺寸表

依照上述参数，使用HFSS18.0对所设计的紧凑型高效率无反射漏波天线的S参数，方向辐射增益等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：

图3为本发明的S参数随频率变化的曲线图，当天线的|S₁₁|<-10dB时，本发明的阻抗带宽范围为0～11.7GHz、14.5～18GHz频段。当在0～11.7GHz慢波频段时，|S₂₁|>-1.67dB，漏波天线可以作为低损耗慢波传输线；当在14.5～18GHz漏波频段时，|S₂₁|<-10.80dB。并且，在整个0～19GHz频段，|S₁₁|保持在-5dB以下，具有低反射特性。

图4为本发明的端射方向上的增益和辐射效率随频率变化的曲线图。在整个频带内，可以获得稳定的增益性能，辐射效率最高可以达到92％

η_rad＝1-|S₁₁|²-|S₂₁|²

其中，η_rad表示辐射效率。

图5-图8为本发明在14.5GHz、15.5GHz、16.5GHz、17.5GHz四个频率点的辐射方向图，从图中可以看出，随着频率的增加，主波束逐渐向端射方向倾斜。在14.5GHz处，主波束指向44°，在17.5GHz处，主波束指向19°，在16.5GHz峰值增益达到11.05dB。

图9为本发明在低频慢波模式下的色散曲线图。与传统周期枝节加载的慢波传输线具有相似的色散曲线，但其慢波因子略高。

图10为本发明在高频漏波模式下的色散曲线图。在14.5～17.5工作在快速波导模式，从槽缝处可以产生准TE_0.5,0模式的漏波辐射；在17.5～18GHz工作在慢速波导模式，其波数略大于自由空间的波数。

综上所述，该天线剖面高度低、结构紧凑，频率覆盖范围由0GHz到19GHz，具有良好的阻抗匹配特性与较好且稳定的辐射方向图，且辐射效率高，有良好的无反射性能。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种紧凑型高效率无反射漏波天线，包括介质基板(1)、印刷在介质基板上的两个朝向相反的表面等离子激元SPP传输线结构(2)(3)、SMA接头(4)以及50Ω负载(5)组成，所述两个朝向相反的表面等离子激元SPP传输线结构，其特征在于：在一段微带线上蚀刻周期排列的倒“几”字形槽，所述微带线的一侧边沿通过加载尺寸相同、周期排列的金属柱(6)与地(7)相连接；

所述倒“几”字形槽是对称结构，以倒“几”字形周期排列，水平左右两边长度为1.45mm，宽度为0.5mm，距离微带线上方1.7mm，距离微带线左边0mm，竖直左右两边部分长度为2.2mm，宽度为0.4mm，上方水平部分长度为2.9mm，宽度为0.2mm。

2.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效率无反射漏波天线，其特征在于：所述介质基板(1)其厚度为1.575mm。

3.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效率无反射漏波天线，其特征在于：所述SPP传输线长度为75mm，宽度为5mm。

4.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效率无反射漏波天线，其特征在于：所述金属柱的半径为0.2mm，高度为1.575mm，中心距离“几”字形槽上方水平部分0.5mm，周期分布在微带线下方，相邻金属柱的中心距为0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效率无反射漏波天线，其特征在于：所述SMA接头(4)的特征阻抗为50Ω；所述SMA接头内导体接在其中一个SPP传输线结构(2)的开路侧上，外导体与地板(7)相接。

6.根据权利要求1所述的一种紧凑型高效率无反射漏波天线，其特征在于：所述50Ω负载(5)一端接在SPP传输线上，另一端接在地板上。

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