一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線的製作方法

2023-07-18 02:58:21

本發明屬於漏波頻掃天線領域，具體涉及一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻率掃描天線。

背景技術：

漏波天線具有結構簡單，效率高，頻率掃描特性較好和方向性較強等優點，在微波以及毫米波頻段具有著及為重要的作用，被廣泛應用於微波通信、雷達等領域。傳統的漏波天線雖具有以上優點，但也存在著各種問題，如基於封閉式波導結構的漏波天線體積龐大，加工成本高，難於集成，愈發難以滿足各類電子和通信系統對天線小型化、平面化以及集成化的要求。而基於微帶，共面波導等結構的漏波天線，由於微帶的開放式結構，會產生表面波模式和寄生模式，影響天線性能，尤其在高頻工作時，具有損耗大，效率低等問題，因此不適合現在通信系統向高頻方向發展的要求。另外，還有基於基片集成波導結構的漏波天線，隨著工作頻率的提高，介質損耗增大，影響天線性能。

文獻1(p.s.kildal,e.alfonso,a.valero-nogueiraande.rajo-iglesias,"localmetamaterial-basedwaveguidesingapsbetweenparallelmetalplates,"inieeeantennasandwirelesspropagationletters,vol.8,no.,pp.84-87,2009.)提出了間隙波導這一新型結構，和其他傳輸結構相比，間隙波導具有寬帶，低損耗，高度集成，製造簡單等優勢，在微波尤其是毫米波波段等高頻領域具有廣闊的應用前景。將間隙波導和漏波天線相結合，不僅具有上述傳統漏波天線的優勢，又能克服它們的不足，不失為一種新思路。

文獻2(mladenvukomanovic,jose-luisvazquezroy,oscarquevedo-teruel,evarajo-iglesias,andzvonimirsipus,「gapwaveguideleakywaveantenna,」ieeetrans.antennaspropag.,vol.64,no.5,pp.2055–2060,may.2016.)通過在間隙波導一側放置一排相同高度的金屬柱，實現了漏波天線，但未提出實現低副瓣的方法。

由上可知，現有技術雖然實現了基於間隙波導的漏波天線設計，但上述文章及現有公開的文章專利中均未提及基於間隙波導的漏波天線降副瓣的方法。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，適用於微波和毫米波波段。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，包括上層金屬板、中間空氣層和下層槽型波導，所述上層金屬板和下層槽型波導相互平行，二者之間設置中間空氣層，其中上層金屬板的一側設置與其垂直的第一金屬板,下層槽型波導的一側設置與其垂直的第二金屬板，第一金屬板在底面的投影與第二金屬板重合；

下層槽型波導在其延伸方向上設置相互平行的二維周期性ebg結構和一排不同高度的金屬柱，其中一排不同高度的金屬柱靠近第二金屬板，二維周期性ebg結構和一排不同高度的金屬柱之間的間隙尺寸介於二分之一個波長和一個波長之間，所述二維周期性ebg結構為非輻射側，一排不同高度的金屬柱為輻射側。

本發明與現有技術相比，其顯著優點是：1)本發明的基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，通過控制輻射側的金屬柱高度，可以得到較低的天線副瓣，同時天線效率高，在整個工作頻段內效率可達75％以上；2)本發明的基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，為全金屬結構，損耗低，性能穩定，耐壓抗磨；3)本發明的基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線結構簡單，成本低，易於實現，整個研發周期較短。

附圖說明

圖1是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線的結構圖，其中圖(a)為三維圖，圖(b)為分層結構圖。

圖2是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線的輻射側金屬柱側視圖。

圖3是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線單個金屬柱結構圖。

圖4是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線輻射側金屬柱高度曲線。

圖5是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線仿真的反射係數和傳輸係數圖。

圖6是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線隨頻率變化的輻射方向圖。

圖7是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線隨頻率變化的增益曲線圖。

圖8是本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線隨頻率變化的副瓣曲線圖。

具體實施方式

結合附圖，本發明的一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，包括上層金屬板1、中間空氣層2和下層槽型波導3，所述上層金屬板1和下層槽型波導3相互平行，二者之間設置中間空氣層2，其中上層金屬板1的一側設置與其垂直的第一金屬板6，下層槽型波導3的一側設置與其垂直的第二金屬板7，第一金屬板6在底面的投影與第二金屬板7重合；

下層槽型波導3在其延伸方向上設置相互平行的二維周期性ebg結構4和一排不同高度的金屬柱5，其中一排不同高度的金屬柱5靠近第二金屬板7，二維周期性ebg結構4和一排不同高度的金屬柱5之間的間隙尺寸介於二分之一個波長和一個波長之間，所述二維周期性ebg結構4為非輻射側，一排不同高度的金屬柱5為輻射側。

所述中間空氣層2的尺寸小於四分之一波長。

所述二維周期性ebg結構4中的金屬柱尺寸均一致。

所述一排不同高度的金屬柱5中的金屬柱長、寬尺寸及排列周期與二維周期性ebg結構4中的金屬柱對應的尺寸一致，一排不同高度的金屬柱5的高度滿足泰勒加權分布。

所述第一金屬板6與第二金屬板7的尺寸一致。

所述天線總長l＝291mm，間隙波導槽寬w＝13.5mm，中間空氣層2的高度ah＝1mm，二維周期性ebg結構4中的金屬柱邊長a＝3mm，周期p＝5.8mm，高度ph＝5.5mm，輻射側一排不同高度的金屬柱5共設置50個金屬柱，金屬柱長、寬尺寸及排列周期與二維周期性ebg結構4中的金屬柱對應的尺寸一致，一排不同高度的金屬柱5的高度滿足-30db的泰勒加權，第一金屬板6和第二金屬板7尺寸相同，長為291mm，高ld＝7mm，寬wd＝2mm，距離金屬板邊緣0.8mm。

本發明的工作原理為：漏波天線為行波天線，在間隙波導的一端注入激勵信號進行饋電，另一端接負載以吸收剩餘功率。槽型間隙波導分為三層，上層金屬板、中間空氣層和下層槽型波導，其中，下層槽型波導一側為金屬柱組成的二維周期性ebg結構，保持禁帶作用，為非輻射側，另一側設置一排不同高度的金屬柱，形成漏波輻射特性，為輻射側，通過對該輻射側金屬柱設置不同高度，進行幅度加權，可以實現低副瓣。隨著天線工作頻率的變化，天線方向圖主波束指向也隨之變化，使得天線具有頻率掃描特性。在間隙波導上下有垂直其表面的兩塊金屬板，充當地板，可以減小天線後瓣和提高增益。

下面結合實施例對本發明做進一步詳細的描述。

實施例

結合圖1～2，本發明一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，包括上層金屬板、中間空氣層和下層槽型波導，其中上層金屬板的一側設置與其垂直的第一金屬板,下層槽型波導的一側設置與其垂直的第二金屬板，第一金屬板在底面的投影與第二金屬板重合。下層槽型波導一側為金屬柱組成的二維周期性ebg結構，保持禁帶作用，為非輻射側，另一側設置一排不同高度的金屬柱，形成漏波輻射特性，為輻射側，通過對該輻射側金屬柱設置不同高度，進行幅度加權，可以實現低副瓣。天線為全金屬結構，天線總長l＝291mm，間隙波導槽寬w＝13.5mm，圖3中所示非輻射側二維周期性ebg結構中的金屬柱尺寸參數如下：金屬柱邊長a＝3mm，周期p＝5.8mm，金屬柱高度ph＝5.5mm，中間空氣層高度ah＝1mm，輻射側設置50個金屬柱，金屬柱長、寬尺寸及排列周期與與二維周期性ebg結構中的金屬柱對應的尺寸一致，對天線按照副瓣為-30db的泰勒加權，則輻射側金屬柱高度如圖4所示。第一金屬板和第二金屬板的尺寸相同，長為291mm，高ld＝7mm，寬wd＝2mm，距離金屬板邊緣0.8mm。

一種基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線仿真使用的是ansys公司的商業全波電磁仿真軟體hfss。所得仿真反射係數曲線和傳輸係數如圖5所示，可以看出在阻抗帶寬13.5-17.5ghz內，s11均小於-10db,隨頻率變化的天線掃描方向圖如圖6所示，工作頻帶內隨頻率變化的天線增益和副瓣如圖7-8所示，可以看出，天線增益在18dbi左右，副瓣優於-21.8db，主波束掃描角範圍為23.9°-47.7°。

由上可知，本發明的基於間隙波導的低副瓣漏波頻掃天線，通過控制輻射側的金屬柱高度，可以得到較低的天線副瓣，同時天線效率高，在整個工作頻段內效率可達75％以上。