CN113224541A - 基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线 - Google Patents

基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复合左右手超材料结构频率扫描漏波天线，本发明由介质基板、顶部金属面板、底部金属面板及金属管构成；本发明采用复合左右手超材料单元结构，基于复合左右手超材料设计原理，在顶部金属面板设置开槽、顶部与底部金属面板通过金属管连接，作为辐射单元。由于顶部金属面板的开槽和顶部与底部金属面板之间的金属管能构成“左手性材料”，而顶部金属面板和底部金属面板能构成“右手性材料”，因此能产生从负方向到正方形扫描的波束；底部金属面板为一块金属接地板。通过调整顶部开槽和金属管的大小，能够克服漏波天线的禁带效应，与传统频率扫描天线相比，本发明具有结构简单、带宽窄、扫描角度大等特点。

Description

基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线
技术领域
本发明涉及微波、无线通信与测试仿真技术领域，具体是一种基于复合左右手超材料的频率扫描漏波天线。
背景技术
漏波天线是一种电磁波在波导中行进的同时，辐射一部分电磁波能量的行波天线结构；其具有结构简单，频率扫描，成本低，方向性优异等特点；在雷达，航空航天等领域得到了非常广泛的应用。实现漏波天线的技术可以概括地分为以下四类：均匀、准均匀、周期、和复合左右手超材料漏波天线。传统的漏波天线大都为周期性波导开槽的漏波天线，其原理是激发高次谐波进行辐射，但该类漏波天线存在扫描角度窄，带宽大，具有禁带效应，无法实现垂直扫描等问题，因此设计扫描角度大，窄带宽，克服禁带效应等仍然是漏波天线的研究重点。
提高漏波天线波束扫描范围最直接的方法是增大扫描频率范围，但这样会带来相对带宽的增加，占用过多的频谱资源。此外，传统的漏波天线通常需要设计较为复杂的结构来克服禁带效应，但这样会带来设计困难，结构复杂，加工难度大，成本增加等问题。应用复合左右手超材料技术，不但能够使漏波天线结构简单，而且能够克服禁带效应和无法垂直扫描等问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于复合左右手超材料的频率扫描漏波天线，本发明由介质基板、顶部金属面板、底部金属面板及金属管构成；本发明基于复合左右手超材料基本原理，在顶部金属面板设置槽缝和从顶部金属面板起垂直贯穿介质基板并止于底部金属面板的金属管构成“左手性超材料”，顶部金属板、介质基板、底部金属板结构构成传统“右手性材料”，使得整个结构符合复合左右手超材料特性；底部金属面板为金属接地板；本发明采用复合左右手超材料结构，不仅能抑制禁带效应，而且还能有效地分别调控扫描角度与带宽，相比传统的漏波天线，具有结构简单，扫描角度大，带宽窄等特点。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线，其特征在于，它包括介质基板、顶部金属面板、底部金属面板及金属管；
所述介质基板、顶部金属面板及底部金属面板设于同一直角坐标系内；
所述介质基板为长方形的罗杰斯板Rogers RO4003C，过板面的中心O设有直角坐标系，沿板面长度方向设有X轴，沿板面宽度方向设有Y轴，板面由直角坐标分为四个象限；
所述顶部金属面板为长方形，其长度与介质基板的长度相等，宽度为介质基板宽度的三分之一；顶部金属面板贴合在介质基板的正面与介质基板上直角坐标系的四个象限重合，且顶部金属面板沿X轴方向的对称轴位于介质基板的X轴上；
所述底部金属面板为长方形，其长度及宽度均与介质基板相等；底部金属面板贴合在介质基板的背面与介质基板上直角坐标系的四个象限重合；
所述介质基板、顶部金属面板及底部金属面板沿Y轴的两侧且平行X轴对称设有两排圆孔，所述介质基板、顶部金属面板及底部金属面板上的圆孔分别一一对应；
所述金属管为数件，金属管穿过介质基板的圆孔，金属管的两端分别与顶部金属面板的圆孔及底部金属面板的圆孔连接。
所述顶部金属面板呈周期性结构；沿X轴周期性地开出平行Y轴的长槽缝，两个长槽缝之间的区域(含长槽缝)构成一个辐射单元；顶部金属面板沿X轴的两端对称裁剪出矩形的微带馈线及阻抗匹配微带线；
所述顶部金属面板在每个辐射单元中心有十字槽缝，十字槽缝沿X轴和Y轴的两端均与中心金属贴片齐平；中心金属贴片沿X轴两侧开有缝隙槽，沿Y轴两侧也开有缝隙槽；
所述底部金属面板为接地金属板；
所述顶部金属面板由长槽缝分隔的辐射单元周期性重复构成；辐射单元由“长槽缝-开槽金属贴片-长槽缝”结构构成。
所述顶部金属面板中的辐射单元的中心开槽缝可以看成汉字“田”的变体；关于X轴对称。
所述微带馈线与阻抗匹配微带馈线位于长度方向的两端，且阻抗匹配微带馈线沿X轴方向延伸穿过辐射单元一侧的长槽缝与辐射单元的金属贴片接触，从而对漏波天线进行馈电；关于Y轴对称。
本发明的有益效果是，本发明通过在金属面板上刻蚀槽缝和添加金属管构成复合左右手超材料结构漏波天线。通过这种复合左右手超材料结构抑制了禁带效应，实现了从负方向到正方向的波束连续扫描，扫描率优于传统波束扫描漏波天线。此外，本发明中天线的辐射单元为周期性排列，通过一定程度减少辐射单元数目，可以实现天线的小型化。本发明实现了结构简单，加工成本低，馈电方式简单，窄带宽，大范围扫描的漏波天线。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明顶部金属面板的局部放大结构示意图；
图3为本发明介质基板的结构示意图；
图4为本发明底部金属面板的结构示意图；
图5为本发明实施例中天线所辐射波束的方向示意图。
具体实施方式
参阅图1，本发明它包括介质基板1、顶部金属面板2、底部金属面板3及金属管4；
所述介质基板1、顶部金属面板2及底部金属面板3设于同一直角坐标系内。
参阅图1、图3，所述介质基板1为长方形的罗杰斯板Rogers RO4003C，过板面的中心O设有直角坐标系，沿板面长度方向设有X轴，沿板面宽度方向设有Y轴，板面由直角坐标分为四个象限。
参阅图1、图2，所述顶部金属面板2为长方形，其长度与介质基板1的长度相等，宽度为介质基板1宽度的三分之一；顶部金属面板2贴合在介质基板1的正面与介质基板1上直角坐标系的四个象限重合，且顶部金属面板2沿X轴方向的对称轴位于介质基板1的X轴上。
参阅图1、图4，所述底部金属面板3为长方形，其长度及宽度均与介质基板1相等；底部金属面板3贴合在介质基板1的背面与介质基板1上直角坐标系的四个象限重合。
参阅图1～图4，所述介质基板1、顶部金属面板2及底部金属面板3沿Y轴的两侧且平行X轴对称设有两排圆孔，所述介质基板1、顶部金属面板2及底部金属面板3上的圆孔分别一一对应；
所述金属管4为数件，金属管4穿过介质基板1的圆孔，金属管4的两端分别与顶部金属面板2的圆孔及底部金属面板3的圆孔连接。
参阅图1、图2，所述顶部金属面板2呈周期性结构；沿X轴周期性地开出平行Y轴的长槽缝231，两个长槽缝之间的区域(含长槽缝231)构成一个辐射单元23(图2中虚线框区域)；顶部金属面板2沿X轴的两端对称裁剪出矩形的微带馈线21及阻抗匹配微带线22；
所述顶部金属面板2在每个辐射单元23中心有十字槽缝232，十字槽缝232沿X轴和Y轴的两端均与中心金属贴片24齐平；中心金属贴片24沿X轴两侧开有缝隙槽，沿Y轴两侧也开有缝隙槽；
参阅图1、图4，所述底部金属面板3为金属接地板；
参阅图1、图2，所述顶部金属面板2由长槽缝分隔的辐射单元23周期性重复构成；辐射单元23由“长槽缝-开槽金属贴片-长槽缝”结构构成。
参阅图1、图2，所述顶部金属面板2中的辐射单元23的中心开槽缝可以看成汉字“田”的变体；关于X轴对称。
参阅图1、图2，所述微带馈线21与阻抗匹配微带馈线22位于漏波天线两端，且阻抗匹配微带馈线22沿X轴方向延伸穿过辐射单元23一侧的长槽缝与辐射单元23的金属贴片接触，从而对漏波天线进行馈电；关于Y轴对称。
实施例
为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。
参阅图1，本发明实施例设有介质基板1，在介质基板1顶部和底部分别覆盖有金属面板，其顶部金属面板2和底部金属面板3均采用PCB工艺印刷在介质基板1上。
参阅图1、图2，顶部金属面板2在每个辐射单元23中心有十字槽缝232，十字槽缝232沿X轴和Y轴的两端均与中心金属贴片24齐平；中心金属贴片24沿X轴两侧开有缝隙槽，沿Y轴两侧也开有缝隙槽；微带馈线21与阻抗匹配微带馈线22位于漏波天线两端，且阻抗匹配微带馈线22沿X轴方向延伸穿过辐射单元23一侧的长槽缝与辐射单元23的金属贴片接触，从而对漏波天线进行馈电。
参阅图1、图3，介质基板1为长方形，材料采用罗杰斯板Rogers RO4003C，其介电常数为3.55，损耗角正切为0.0027，介质基板厚度优先选用0.813mm，尺寸为153.5mm×24mm；介质基板1的顶部和底部金属厚度均设为0.035mm，使用铜作为加工材料。
参阅图1、图4，底部金属面板3大小与介质基板1完全相同。
参阅图1～图4，所述介质基板1、顶部金属面板2及底部金属面板3的沿X轴方向与X轴平行排列有四排圆孔；且在介质基板1、顶部金属面板2及底部金属面板3上的四排圆孔一一对应；
参阅图1～图4，所述金属管4为数件，金属管4穿过介质基板1的圆孔，金属管4的两端分别与顶部金属面板2的圆孔及底部金属面板3的圆孔连接。
参阅图1～图4，使用时，为验证该漏波天线的性能，采用三维全波电磁仿真软件对天线的性能进行仿真。其中将天线左边的微带馈线连接到波端口作为馈电端，右边连接到另一个波端口作为负载吸收端，电磁波从馈电端馈入天线，并且在天线中进行传播的同时辐射能量，产生了某一指向的波束，最后多余的能量在负载吸收端被吸收。
参阅图5，通过在电磁仿真软件中设置场监视器可以观察到天线所辐射出的波束方向示意图。所述基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线，随着馈电频率的改变，波束的指向也会发生偏转，通过设置在9.18GHz，9.57GHz和9.9GHz的远场监视器得到天线在这三个频点处的辐射方向图。当馈电频率为9.18GHz时，天线能辐射出波束的指向为-64°；当频率增加到9.57GHz时，波束的指向偏转到0°；随着频率继续增加到9.9GHz，波束偏转到了+65°。因此天线在9.18GHz～9.9GHz的频带范围内实现了共129°的波束扫描。
说明：
Figure BDA0003036783660000051
Figure BDA0003036783660000052
LRCL＝LLCR③
公式①为漏波天线波束扫描角度公式，θ(ω)表示角频率为ω时波束指向角度；β(ω)表示角频率为ω时的电磁波在漏波天线中的传播常数；k0(ω)表示角频率为ω的电磁波在真空中的传播常数。公式②为公式①中β(ω)的计算表达式，其中p为复合左右手超材料单元长度；CR、LR分别为复合左右手超材料的等效并联电容值和串联电感值；CL、LL分别表示复合左右手超材料等效串联电容值和并联电感值。通过电磁仿真软件的本征模求解器可以求解出不同频率的传播常数β(ω)。由于周期漏波天线中普遍存在禁带效应，即天线在侧边辐射为0°方向时会产生很大的反射，能量无法辐射出去；公式③称为平衡条件，当复合左右手超材料单元的等效电感值、电容值满足公式③表示的关系，即可抑制禁带效应。本发明正是通过设计复合左右手超材料的等效电感值和电容值，克服禁带效应，实现从负方向到正方向的连续波束扫描。
本发明中顶部金属贴片的槽缝，正是等效为复合左右手超材料结构的串联电容；所采用金属管连通顶、底金属面板，等效为复合左右手超材料的并联电感；而顶部金属板的金属部分等效为复合左右手超材料的串联电感；“顶部金属板-介质基板-底部金属板”结构等效为复合左右手超材料的并联电容。
以上所述，仅是本发明的较优案例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已经对实施案例做了详细的阐述，然而并非用以限定本发明，任何熟悉该领域专业人士,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的方法及技术内容做出些许的更改或修饰为同等变化的等效实施案例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,根据本发明的技术实质对上实施案例所作的任何简单修改,等同变化与修饰,仍属本发明技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线，其特征在于，它包括介质基板(1)、顶部金属面板(2)、底部金属面板(3)及金属管(4)；
所述介质基板(1)、顶部金属面板(2)及底部金属面板(3)设于同一直角坐标系内；
所述介质基板(1)为长方形的罗杰斯板Rogers RO4003C，过板面的中心O设有直角坐标系，沿板面长度方向设有X轴，沿板面宽度方向设有Y轴，板面由直角坐标分为四个象限；
所述顶部金属面板(2)为长方形，其长度与介质基板(1)的长度相等，宽度为介质基板(1)宽度的三分之一；顶部金属面板(2)贴合在介质基板(1)的正面与介质基板(1)上直角坐标系的四个象限重合，且顶部金属面板(2)沿X轴方向的对称轴位于介质基板(1)的X轴上；
所述底部金属面板(3)为长方形，其长度及宽度均与介质基板(1)相等；底部金属面板(3)贴合在介质基板(1)的背面与介质基板(1)上直角坐标系的四个象限重合；
所述介质基板(1)、顶部金属面板(2)及底部金属面板(3)沿Y轴的两侧且平行X轴对称设有两排圆孔，所述介质基板(1)、顶部金属面板(2)及底部金属面板(3)上的圆孔分别一一对应；
所述金属管(4)为数件，金属管(4)穿过介质基板(1)的圆孔，金属管(4)的两端分别与顶部金属面板(2)的圆孔及底部金属面板(3)的圆孔连接；
所述顶部金属面板(2)呈周期性结构；沿X轴周期性地开出平行Y轴的长槽缝(231)，两个长槽缝之间、含长槽缝的区域构成一个辐射单元(23)；顶部金属面板(2)沿X轴的两端对称裁剪出矩形的微带馈线(21)及阻抗匹配微带线(22)；
所述顶部金属面板(2)在每个辐射单元(23)中心有十字槽缝(232)，十字槽缝(232)沿X轴和Y轴的两端均与中心金属贴片(24)齐平；中心金属贴片(24)沿X轴两侧开有缝隙槽，沿Y轴两侧也开有缝隙槽；
所述底部金属面板(3)为金属接地板。
2.根据权利要求1所述的基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线，其特征在于，所述顶部金属面板(2)由长槽缝分隔的辐射单元(23)周期性重复构成；辐射单元(23)由“长槽缝-开槽金属贴片-长槽缝”结构构成。
3.根据权利要求1所述的基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线，其特征在于，所述顶部金属面板(2)中的辐射单元(23)的中心开槽缝可以看成汉字“田”的变体；关于X轴对称。
4.根据权利要求1所述的基于复合左右手超材料结构的频率扫描漏波天线，其特征在于，所述微带馈线(21)与阻抗匹配微带馈线(22)位于长度方向的两端，且阻抗匹配微带馈线(22)沿X轴方向延伸穿过辐射单元(23)一侧的长槽缝(231)与辐射单元(23)的金属贴片接触，从而对漏波天线进行馈电；关于Y轴对称。
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