CN111969308B

CN111969308B - 一种周期漏波天线

Info

Publication number: CN111969308B
Application number: CN202010625723.6A
Authority: CN
Inventors: 杨青山; 赵晓雯; 张云华
Original assignee: National Space Science Center of CAS
Current assignee: National Space Science Center of CAS
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2023-04-28
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: CN111969308A

Abstract

本发明公开了一种周期漏波天线，所述漏波天线包括上层金属片、介质基板和下层金属地板，三者形成一体化的长方形板；所述上层金属片由N个相同的周期漏波单元沿直线级联而成，所述周期漏波单元包括一个长方形金属片及其下端连接两个开路的金属枝节，两个金属枝节的间隔为四分之一波导波长；在长方形金属片的上端开有周期排列的金属孔，该金属孔贯穿介质基板，形成金属通孔。本发明的天线能够完全消除阻带，扫描范围大、并且具有半开放的结构；选用金属枝节或者缝隙作为周期调制结构，具有结构简单，设计灵活的优点。

Description

一种周期漏波天线

技术领域

本发明涉及电磁微波天线领域，特别涉及一种周期漏波天线。

背景技术

周期漏波天线是一种典型的频率扫描天线，其横截面沿波传播方向是周期调制的，正是这种周期性导致了能量泄漏，形成辐射。其波束指向能够随着频率的改变而改变，是一种结构简单的电扫描天线。对于传统的周期漏波天线，一般通过负的空间谐波(典型的空间谐波n＝－1)在后向和前向产生辐射，但是由于在传统周期结构中传播常数β_n＝0对应着群速υ_g＝0，此时天线的电压驻波比很大，形成了阻带，能量都被反射回源，并没有被辐射出去，因此传统周期漏波天线也不能在边射方向进行辐射。近年来，许多文献提出了抑制周期漏波天线阻带的方法。一种方法是利用阻抗匹配技术，在每个周期漏波天线单元处使用四分之一阻抗变换器，使得周期漏波天线的Bloch阻抗与传输线在边射处的特性阻抗匹配，来抑制阻带(见参考文献[1]：S.Paulotto,P.Baccarelli,F.Frezza,and D.R.Jackson,“ANovel Technique for Open-Stopband Suppression in 1-D Periodic Printed Leaky-Wave Antennas”,IEEE Trans.Antennas Propag.,vol.57,no.7,pp.1894–1906,2009)。但这种方法会增大单元的长度，这就使得漏波天线的扫描范围受限，因为单元长度的增加使得主波束在扫描至一定的范围后天线方向图开始产生栅瓣。另一种方法是在单元处使用一对相同的枝节来减轻阻带的影响(见参考文献[2]：B.Kumar,R.Ranjan,and J.Ghosh,"Novel Printed Leaky-Wave Antenna with Suppressed OSB for Broad AngleScanning,"in 2019TEQIP III Sponsored International Conference on MicrowaveIntegrated Circuits,Photonics and Wireless Networks(IMICPW),22-24May 2019)。但是这种方法并不能完全消除阻带，因为衰减系数在边射处会产生骤降，传播常数随频率也并不是线性连续的。还有一种方法是在单元处采用了一对类似但不相同的缝隙，这种方法能消除阻带(见参考文献[3]：J.Liu,W.Zhou,and Y.Long,"A Simple Technique forOpen-Stopband Suppression in Periodic Leaky-Wave Antennas Using TwoNonidentical Elements Per Unit Cell,"IEEE Transactions on Antennas andPropagation,vol.66,no.6,pp.2741-2751,2018)，该设计利用基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide:SIW)在单元上蚀刻一对缝隙来构建周期漏波天线，通过缝隙间隔和尺寸的调节来消除阻带。但是这种设计不够灵活，由于采用了封闭的SIW结构，只能通过上表面蚀刻缝隙来构建漏波天线。

发明内容

本发明的目的在于克服目前周期漏波天线扫描范围受限、不能完全消除阻带以及设计不够灵活的缺点，提供了一种基于半模基片集成波导(Half Mode SubstrateIntegrated Waveguide:HMSIW)的周期漏波天线，该天线能够完全消除阻带，扫描范围大、并且具有半开放的结构，可以采用缝隙或者开路枝节来抑制阻带，具有结构简单、设计灵活的优点。

为了实现上述目的，本发明提供一种周期漏波天线，所述漏波天线包括上层金属片、介质基板和下层金属地板，三者形成一体化的长方形板结构；所述上层金属片由N个相同的周期漏波单元沿直线级联而成，所述周期漏波单元包括一个长方形金属片及其下端连接两个开路的金属枝节，两个金属枝节的间隔为四分之一波导波长；该间隔使得来自第二个枝节反射的回波与来自第一个枝节传输的电磁波相位相差180°，两者相消可以抑制高反射系数带来的阻带；在长方形金属片的上端开有周期排列的金属孔，该金属孔贯穿介质基板，形成金属通孔。

作为上述装置的一种改进，所述周期漏波单元的个数N的取值范围为：N≥2。

作为上述装置的一种改进，所述金属孔的中心到长方形金属片的下端的长度与天线的工作频率成反比。

作为上述装置的一种改进，两个金属枝节的长度相等；金属枝节的长度与天线的工作频率成反比。

作为上述装置的一种改进，两个金属枝节的宽度比介于0.7与1之间，阻带才能彻底消除。

本发明的优点在于：

1、本发明的周期漏波天线不需要在每个单元进行阻抗匹配，因此单元尺寸小，在大范围扫描时也不会出现栅瓣；

2、本发明的天线可以灵活选用金属枝节或者缝隙作为周期调制结构，具有结构简单，设计灵活的优点；

3、本发明的天线能够完全消除阻带，扫描范围大、并且具有半开放的结构，可以采用缝隙或者开路枝节来抑制阻带；

4、本发明的周期漏波天线能够实现天线波束从后向到前向的连续扫描。

附图说明

图1为本发明的周期漏波天线实施例的单元示意图；

图2为本发明的周期漏波天线单元色散示意图；

图3为本发明的单元级联后的周期漏波天线示意图；

图4为周期漏波天线的S参数；

图5为周期漏波天线的增益方向图。

具体实施方式

在对本发明的实施方式做详细说明之前，首先对相关的原理进行说明。

周期漏波天线因其横截面沿波传播方向是周期调制而产生了能量的泄漏辐射。由于周期性的原因，周期漏波天线产生的电磁波可以表示为无限数目的空间谐波的叠加：

β_n＝β₀+2nπ/p (1)

其中p为周期，β₀为基本空间谐波。与均匀漏波天线最重要的不同是，均匀漏波天线的主模是快波，因此在天线结构对外开放时就可以辐射，而周期漏波天线的主模为慢波，即使天线结构对外开放，仍然不会辐射。因此需要引进周期阵列来产生无限的空间谐波，使得其中的单个或者一些谐波是快波，即可产生辐射。另一个与均匀漏波天线不同的是，周期漏波天线可以通过负的空间谐波(典型的空间谐波n＝－1)产生后向辐射(θ_MB<0°)，要使空间谐波辐射，需要其为快波，即β_n/k₀<1，对于式(1)，有：

可以看出在n小于0且合适选取λ₀/p时，β_n/k₀<1。实际应用中，只希望产生单一辐射波，因此一般选取n＝-1，此时有

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明提出了一种周期漏波天线，包括上层金属片、介质基板和下层金属地板，三者形成一体化的长方形板结构；所述上层金属片由N个相同的周期漏波单元沿直线级联而成(图1为3个单元直线级联，并不限定为3个)，每个周期漏波单元长度为p，周期漏波单元包括一个长方形金属片及其下端连接两个开路的金属枝节，两个金属枝节的间隔为四分之一波导波长；在长方形金属片的上端开有周期排列的金属孔，该金属孔贯穿介质基板，形成金属通孔，孔中心到上层金属片的另一侧的尺寸a与工作频率有关，该尺寸越大，频率越低。金属枝节的长度l_c与工作频率有关，长度越长，频率越低；该两个金属枝节长度l_c相同，宽度w_c1和w_c2不同，两个宽度之比介于0.7与1之间；两个金属枝节的间隔x_d为四分之一波导波长，该间隔使得来自第二个枝节反射的回波与来自第一个枝节传输的电磁波相位相差180°，两者相消可以抑制高反射系数带来的阻带。所述周期漏波单元的个数N≥2。该天线的设计基于Rogers RT/Duroid 6006基板，介电常数6.15，基板厚度0.508mm，设计边射方向的频点为14.5GHz。类似的设计可选用不同的板材，并非限定。

图2为本发明的周期漏波单元的色散曲线，具体的几何尺寸如下：a＝4.2mm,p＝10mm,d＝0.8mm,s＝1.46mm,l_c＝5.08mm,w_c1＝0.8mm,w_c2＝0.7mm,x_d＝3.1mm。作为对比，计算了相同尺寸下单个枝节，以及两个完全相同枝节情况下的色散曲线。可以看出，只有单个枝节存在的条件下(图2中虚线)，在14.5GHz附近衰减因子α/k₀有很明显的突起增大，表明该结构具有很明显的阻带。在两个完全相同枝节的情况下(图2中实线)，在14.5GHz附近衰减因子α/k₀存在微小的突变，这会削弱边射方向的辐射性能。只有在两个枝节相似(长度相同，宽度不同)时，阻带才能彻底消除(图2中加点实线)，并且衰减因子α/k₀曲线在14.5GHz附近平滑过渡。

图3为本发明设计的周期漏波天线，该实施例中，采用了31个周期漏波单元级联构成该漏波天线，两端通过微带阻抗变换，与50欧姆同轴线连接。

图4为该漏波天线的S参数曲线，可以看出|S11|<-10dB的频率范围从11.1GHz到17.1GHz，在14.5GHz处|S11|<-15dB，说明了该设计的阻带被完全抑制。|S21|曲线在工作频带内小于-5dB，预示了该天线具有良好的辐射效率。

图5为该周期漏波天线的实际增益方向图，可以看出，在频率从11.8GHz扫描到17.3GHz时，该漏波天线的主波束从-55°扫描至+43°，扫描范围高达98°，该范围内增益变化从9.3dBi到14.2dBi，由于阻带被完全抑制，在边射方向上没出现增益的降低，验证了所发明的周期漏波天线抑制阻带的有效性。

在采取不同的工作频率和单元尺寸的情况下，经过多次实验同样可以证明本发明的周期漏波天线的有效性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种周期漏波天线，其特征在于，所述周期漏波天线为基于半模基片集成波导的周期漏波天线；所述漏波天线包括上层金属片、介质基板和下层金属地板，三者形成一体化的长方形板；所述上层金属片由N个相同的周期漏波单元沿直线级联而成，所述周期漏波单元包括一个长方形金属片及其下端连接两个开路的金属枝节，两个金属枝节的间隔为四分之一波导波长；在长方形金属片的上端开有周期排列的金属孔，该金属孔贯穿介质基板，形成金属通孔；

两个金属枝节的宽度比介于0.7与1之间。

2.根据权利要求1所述的周期漏波天线，其特征在于，所述周期漏波单元的个数N≥2。

3.根据权利要求1所述的周期漏波天线，其特征在于，所述金属孔的中心到长方形金属片的下端的长度与天线的工作频率成反比。

4.根据权利要求1所述的周期漏波天线，其特征在于，两个金属枝节的长度相等；金属枝节的长度与天线的工作频率成反比。