CN113437536A - 一种微波段波导馈电一维牛眼天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微波段波导馈电一维牛眼天线，属于微波天线设计技术领域，由波导缝隙天线作为馈电部分、一维牛眼天线作为天线辐射阵面，其中，波导缝隙天线由矩形波导和在矩形波导上开缝的金属缝隙组成，一维牛眼天线由金属缝隙和褶皱结构组成。本发明主要用于高功率电磁波定向辐射，具有功率容量大、增益高、结构简单、易于共形的特点。

Description

一种微波段波导馈电一维牛眼天线
技术领域
本发明属于微波天线设计技术领域，更具体地，涉及一种微波段波导馈电一维牛眼天线。
背景技术
波导是一种损耗极低的传输线，通过在波导的金属壁上开缝，利用狭缝间共振散射实现电磁波远场的定向辐射，从而形成波导缝隙天线。其主要特点是增益高、功率容量大、口面利用率高，因此在导航、气象、机载等领域均有广泛的应用，在高功率微波武器、远距离无线能量传输等高功率微波天线中亦有较好应用。但是若想达到较高增益、低副瓣等指标要求，就需提高加工精度，加工成本高，难实现大面积加工，在一些应用中受到限制。
牛眼结构是一种一维刻蚀周期性环形凹槽阵列结构，因其形状如“牛眼”，故称之为牛眼结构，具有良好的人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons，SSPPs)特性。利用牛眼结构进行微波天线设计(故称之为牛眼天线)，通过一维褶皱结构激发SSPPs并实现SSPPs到空间辐射波的转换，该天线具有电磁聚焦效应和高增益特性。然而，目前对牛眼天线的应用研究相对较少，主要集中在太赫兹波、光波段传输与透射等方面，微波段鲜少见报道，另一方面，牛眼天线是由单个缝隙耦合馈电，功率容量低(以L波段为例，功率容量约0.8MW)，难以应用于高功率微波天线中。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种微波段波导馈电一维牛眼天线，将波导缝隙阵列天线和牛眼天线混合集成设计，天线阵面采用结构简单的牛眼天线；在馈电方面采用功率容量大的波导缝隙天线，从而能有效提高增益、减小损耗、增大功率容量，成本低，且容易共形。
为实现上述目的，本发明提供了一种微波段波导馈电一维牛眼天线，由波导缝隙天线作为馈电部分、一维牛眼天线作为天线辐射阵面，其中，所述波导缝隙天线由矩形波导和在所述矩形波导上开缝的金属缝隙组成，所述一维牛眼天线由所述金属缝隙和褶皱结构组成。
在一些可选的实施方案中，所述矩形波导为标准矩形波导。
在一些可选的实施方案中，所述金属缝隙通过在所述矩形波导一面金属壁开周期缝隙来实现电磁波由所述矩形波导高效耦合至所述褶皱结构。
在一些可选的实施方案中，所述金属缝隙的相邻缝隙间距为λ/2，其中，λ为波导传输线中的等效波长。
在一些可选的实施方案中，所述褶皱结构为在金属平板上开凹槽，且满足如下关系式：w＜＜λ，
Figure BDA0003100575160000021
p≈λ，
Figure BDA0003100575160000022
其中，w为凹槽宽度，h为金属板的厚度，d为凹槽的深度，p为凹槽的单元周期长度，n为整数。
在一些可选的实施方案中，所述微波段波导馈电一维牛眼天线结构的材质为金属。
在一些可选的实施方案中，褶皱结构的周期数或波导缝隙结构的缝隙数越多，天线的增益越大。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明主要针对高功率微波武器、远距离无线能量传输等应用场景中对发射天线高功率容量、高增益的需求，将波导缝隙阵列天线的高功率容量与牛眼天线的高增益结合设计，产生新的波导馈电一维牛眼天线，既弥补了牛眼天线功率容量差的缺点，又相比于传统波导缝隙天线结构简单、成本低。
(2)本发明创新性的将波导缝隙天线与牛眼结构集成设计，通过融合波导缝隙天线与牛眼天线的优势特点，实现9MW的高功率容量、6λ天线口径、23dBi高增益天线，可应用于高功率发射天线设计中。
(3)本发明提出的天线结构，随着牛眼天线的褶皱结构圈数的增加及波导缝隙结构缝隙数的增加，天线增益会随之提高，具有灵活的设计手段。
(4)本发明提出的天线结构为全金属材质，结构简单，易于加工。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种波导馈电牛眼天线正面图；
图2是本发明实施例提供的一种波导馈电牛眼天线背面图；
图3是本发明实施例提供的一种电磁波在波导馈电牛眼天线上传播效应图；
图4是本发明实施例提供的一种波导馈电牛眼天线切面结构尺寸图；
图5是本发明实施例提供的一种波导馈电牛眼天线远场增益图；
图6是本发明实施例提供的一种波导馈电牛眼天线S11参数图；
图7是本发明实施例提供的一种不同波导缝隙数/褶皱圈数的天线增益图，其中，Nl为金属缝隙数，Ng为褶皱圈数；
图8是本发明实施例提供的一种波导馈电牛眼天线电场分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明将波导缝隙阵列天线和牛眼天线阵结合起来，波导缝隙天线为馈源、牛眼天线为阵面，有效提高天线增益、减小损耗、增大功率容量；随着牛眼天线的褶皱结构圈数的增加，天线增益会随之提高；随着波导缝隙天线阵列缝隙数的增加，天线增益会随之提高；全金属材质天线，结构简单、易于共形。
本实施例以设计L波段高功率容量天线为例来进行说明。选用的加工材质为铝，设定天线工作中心频率为1.9GHz。
如图1和图2所示，本实施例所提供的波导馈电一维牛眼天线结构，由波导缝隙天线作为馈电部分、一维牛眼天线作为天线辐射阵面，其中，波导缝隙天线由矩形波导1和金属缝隙2组成，牛眼天线由金属缝隙2和褶皱结构3组成，矩形波导1为标准矩形波导。
在本实施例中，金属缝隙2通过在矩形波导1一面金属壁开周期缝隙来实现电磁波由矩形波导1高效耦合至褶皱结构3，金属缝隙2的相邻缝隙间距为λ/2，其中，λ为波导传输线中的等效波长。
如图3所示为电磁波在波导馈电牛眼天线上传播效应。由图3可以看出，电磁波经矩形波导1传输，通过金属缝隙2耦合，再经过褶皱结构3激起SSPPs并实现SSPPs到空间辐射波的转换，从而实现高增益天线。
如图4所示为波导馈电牛眼天线切面结构尺寸，褶皱结构3为在金属平板上开凹槽，其中，w为凹槽宽度，h为金属板的厚度，d为凹槽的深度，p为凹槽的单元周期长度，λ为，n为整数。由于天线工作中心频率为1.9GHz，因此馈电波导选用BJ22，矩形波导1的尺寸为BJ22标准尺寸，壁厚3mm。根据公式(1)～(4)，可计算出h＝46mm，d＝43mm，p＝147mm，w＝53mm。
w＜＜λ (1)
Figure BDA0003100575160000041
p≈λ (3)
Figure BDA0003100575160000051
其中，n为整数。
在本实施例中，“≈”表示的意思是：本领域技术人员所公知，在实际的生产实践活动中，由于各种客观因素的限制，通过计算得出的理论数值往往是无法实际达到的，因此，人们提出了“误差、精度”等概念对此理论值与实际值之间的差异进行评价，对于本实施例中的“≈”，按照本领域技术人员在一般生产实践活动中的理解，应当解释为，只要满足实际值与理论计算得到的值之间的误差，在其所期望的误差范围内，即可视为两者约等于，这一误差范围，是可以由本领域技术人员根据自身需求自行设定的。
在本实施例中，w远小于λ表示w＜＜λ，其含义如下：若λ与w相加，和的近似值与λ相等，则w远小于λ，记作w＜＜λ。性质：若w＜＜λ，则在不精确的求和计算中可忽略w的存在。一般来讲，如果w比λ小2个数量级以上，一般认为w＜＜λ。
如图5所示为本实施例的远场增益图。可以看出，其增益可达到23dBi以上，相比其天线口径(6λ)，具有高增益性。
如图6所示为本实施例的S11参数，可以看出，其工作频率为1.9GHz。
如图7所示为在本实施例基础上改变褶皱结构圈数或金属缝隙个数后的天线远场增益对比图，其中Nl为金属缝隙数，Ng为褶皱圈数,例如上述实施例8个缝隙、3圈褶皱结构，则为Nl＝8，Ng＝3。由图7可以看出，减少1圈褶皱结构后，天线增益减少至22dBi左右，减少4个金属缝隙后，天线增益减少至20dBi左右。说明增加褶皱结构的圈数或增加金属缝隙个数，均可提高天线的增益，该性能使得天线具有更灵活的设计性。
如图8所示为本实施例电场分布图，可以看出该结构电磁场强度最高为波导狭缝处，为1035V/m(此时输入功率为1W)，根据空气击穿电场强度为30kV/cm，反推出该天线的可承受功率为9MW。
本发明提供的波导馈电一维牛眼天线结构，通过矩形波导与缝隙进行电磁辐射，再通过一维褶皱结构激发SSPPs并实现SSPPs到空间辐射波的转换(如图3)，在实现高增益的同时，大大提高天线的功率容量。增加褶皱结构的周期数或增加波导缝隙结构的缝隙数，可继续提高天线的增益，该性能使得天线具有更灵活的设计性。天线只采用褶皱结构和单根波导缝隙天线组成，结构非常简单，且全部由金属材质构成，易于加工，便于共形。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，由波导缝隙天线作为馈电部分、一维牛眼天线作为天线辐射阵面，其中，所述波导缝隙天线由矩形波导和在所述矩形波导上开缝的金属缝隙组成，所述一维牛眼天线由所述金属缝隙和褶皱结构组成。
2.根据权利要求1所述的微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，所述矩形波导为标准矩形波导。
3.根据权利要求1或2所述的微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，所述金属缝隙通过在所述矩形波导一面金属壁开周期缝隙来实现电磁波由所述矩形波导高效耦合至所述褶皱结构。
4.根据权利要求3所述的微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，所述金属缝隙的相邻缝隙间距为λ/2，其中，λ为波导传输线中的等效波长。
5.根据权利要求4所述的微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，所述褶皱结构为在金属平板上开凹槽，且满足如下关系式：w＜＜λ，
Figure FDA0003100575150000011
p≈λ，
Figure FDA0003100575150000012
其中，w为凹槽宽度，h为金属板的厚度，d为凹槽的深度，p为凹槽的单元周期长度，n为整数。
6.根据权利要求5所述的微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，所述微波段波导馈电一维牛眼天线结构的材质为金属。
7.根据权利要求1所述的微波段波导馈电一维牛眼天线，其特征在于，褶皱结构的周期数或波导缝隙结构的缝隙数越多，天线的增益越大。
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