CN101938040A - 大角度范围扫描的周期性漏波天线 - Google Patents

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赖清华
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Abstract

大角度范围扫描的周期性漏波天线是一种频率扫描天线，适用于具有波束扫描功能的微波毫米波天馈***，如智能天线和雷达等。该天线包括上表面金属层构成的均匀微带馈线(1)、设有一排金属化通孔(21)的中间介质层(2)、设有周期性横向缝隙(31)的底面金属层(3)，其中，均匀微带馈线(1)的两端分别设有梯形微带阻抗变换器(11)，金属化通孔(21)与均匀微带馈线(1)、底面金属层(3)上对应的孔相连通。在性能上具有低损耗，在结构上具有轮廓低、重量轻、易集成、易共性等优点，这类天线能够应用于地基或者移动平台上(如飞机)的天馈***。

Description

大角度范围扫描的周期性漏波天线
技术领域
大角度范围扫描的周期性漏波天线是一种频率扫描天线，适用于具有波束扫描功能的微波毫米波天馈***，如智能天线和雷达等。
背景技术
漏波天线最突出的性能是：通过调节工作频率，可以实现波束扫描。因此，这类天线被广泛应用于设计研制具有波束扫描功能的微波毫米波天馈***，如预警雷达、智能天线等。在结构上，漏波天线的馈电部分和辐射部分通常结合在一起，因而结构较为紧凑。
迄今为止，人们根据应用场合的不同，基于各类微波传输线成功研制了满足不同***要求的漏波天线。例如，在对天馈设备轮廓、重量不做过多限制的场合中(如地基雷达)，人们利用金属波导实现了损耗低、功率容量大的漏波天线。再如，人们基于各类平面传输线(如微带线、平行板板波导、介质板波导等)设计实现了轮廓低、重量轻的漏波天线，以适用于需要天线集成、共性的微波毫米波电路和***。
基于金属波导和平面传输线的漏波天线在结构和性能上恰好互补。前者损耗低，功率容量大，但是轮廓高，重量大，不易集成；而后者重量轻，易集成，易共性，但是通常损耗较大，功率容量有限。因此，人们一直在努力研制集上述两类微波传输线优点于一身的新型微波传输线，以及相应的漏波天线。基片集成波导和半模基片集成波导即属于满足上述要求的这样一类新型微波传输结构。但是两者相比而言，半模基片集成波导具有更小的横向尺寸和更宽的单模工作区域。正因为具有这些特点和优势，半模基片集成波导被应用于研制具有应用前景的漏波天线。
发明内容
技术问题：本实用新型的目的为了实现一种大角度范围扫描的周期性漏波天线，在性能上具有低损耗，在结构上具有轮廓低、重量轻、易集成、易共性等优点，这类天线能够应用于地基或者移动平台上(如飞机)的天馈***。
技术方案：大角度范围扫描的周期性漏波天线是由在一段直通半模基片集成波导的金属上表面或者金属地面周期性蚀刻横向缝隙而构成的。设计时，首先根据天线工作频段，选择合适的介质基片材料和厚度，设计合理的半模基片集成波导宽度，以保证天线工作于波导的低损耗区(即最佳工作频段)。然后，根据对天线工作频段及波束扫描范围的要求，计算选取合适的缝隙间距即缝隙周期。其次，根据对副瓣电平及增益的要求，计算选取合适的缝隙长度。最后，优化设计天线与均匀半模基片集成波导之间的阻抗匹配网络，以保证天线具有较宽的工作带宽，并接收到较高的输入功率。
本实用新型的大角度范围扫描的周期性漏波天线包括上表面金属层构成的均匀微带馈线、设有一排金属化通孔的中间介质层、设有周期性横向缝隙的底面金属层，其中，均匀微带馈线的两端分别设有梯形微带阻抗变换器，金属化通孔与均匀微带馈线、底面金属层上对应的孔相连通。
所述均匀微带馈线上，一排金属化通孔的各金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为3/2通孔直径d，梯形微带阻抗变换器的长度lt为1/4中心频率波导波长。
底面金属层上，缝隙单元的间距D为中心频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的宽度W为真空中波长的1/20-1/10，缝隙单元的长度L为波导宽度w的1/10-4/5。
通过在均匀半模基片集成波导上表面金属层或金属地面周期性蚀刻一列横向窄缝隙，可以使得第n＝-1阶空间谐波具有快波特性的，而其余各阶空间谐波则为慢波，从而实现了微波能量在沿半模基片集成波导传输过程中源源不断地向自由空间辐射，形成了随频率变化而扫描的波束。通过调节缝隙间距(即周期)，一方面可以调节天线的工作频段，另一方面可以控制波束扫描的速率(即波束扫描角速度对频率的变化率)。通过调节缝隙长度，可以控制波瓣形状(如半功率波瓣宽度、副瓣电平等)和天线辐射效率。
有益效果：大角度范围扫描的周期性漏波天线具有以下特点：
1)具有波束扫描功能。如果选取相对介电常数较高(＞10)的基片，能够实现波束在较大角度范围内(约从-75°至+75°)扫描。
2)具损耗低，辐射效率高的特点。理论和实验数据表明，半模基片集成波导工作在远离截止频率时，具有较低的***损耗。这保证了基于该波导研制的天线具有较高的辐射效率。
3)结构简单，且因为制作于介质基片上，所以天线轮廓低、重量轻、易集成、易共性。
4)成本低。可以使用成熟的PCB加工工艺制作，制造精度高，利于批量生产。
附图说明
图1是大角度范围扫描的周期性漏波天线结构3D图，图2是顶视图，图3是底视图，
图4是波束指向后上半空间时的辐射方向图，
图5是波束指向天线正上方时的辐射方向图，
图6是波束指向前上半空间时的辐射方向图，
图7是波束指向随频率的变化示意图，
w-半模基片集成波导宽度        D-缝隙单元的间距(即周期)
l-半模基片集成波导的长度      L-缝隙单元的长度
s-金属化通孔的间距            W-缝隙单元的宽度
d-金属化通孔的直径
wt-梯形微带阻抗变换器的宽度
lt-梯形微带阻抗变换器的长度
具体实施方式
本实用新型的大角度范围扫描的周期性漏波天线包括上表面金属层构成的均匀微带馈线1、设有一排金属化通孔21的中间介质层2、设有周期性横向缝隙31的底面金属层3，其中，均匀微带馈线1的两端分别设有梯形微带阻抗变换器11，金属化通孔21与均匀微带馈线1、底面金属层3上对应的孔相连通。所述均匀微带馈线1上，一排金属化通孔21的各金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为3/2通孔直径d，梯形微带阻抗变换器的长度lt为1/4中心频率波导波长。底面金属层3上，缝隙单元的间距D为中心频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的宽度W为真空中波长的1/20-1/10，缝隙单元的长度L为波导宽度w的1/10-4/5。
1.该漏波天线为一平面结构，建立在上下表面敷铜的介质基片上，如图1所示。
2.根据天线工作频段，选取合适的介质基片厚度和相对介电常数。
3.设计合理的半模基片集成波导宽度w，以保证天线工作于波导的单模工作频段内，同时又远离波导的截止频率。
4.根据对天线辐射特性的要求，如副瓣电平、半功率波瓣宽度、辐射效率等，计算口径分布，进而计算第n＝-1阶空间谐波的相位常数和衰减常数。
5.选择合适的缝隙数目，同时优化设计缝隙的长度L和间距D，以实现步骤4中所需的第n＝-1阶空间谐波的相位常数和衰减常数。
6.优化设计梯形微带阻抗变换器，以实现较宽阻抗带宽和较高的输入功率。
7.图2为在0.254mm厚的Rogers5880介质基片上实现的一条工作于30GHz-50GHz的漏波天线。从图3至图5所示的辐射方向图可以看到，漏波天线能够产生随频率变化而在天线纵轴方向扫描的窄波束。天线增益在10.0dB上下。图6显示，随频率从32.5GHz上升到58.0GHz，波束从后上半空间(42°)逐渐扫描至前上半空间(120°)。
我们设计了一条工作于30.0GHz-50.0GHz的半模基片集成波导周期性漏波天线。基片介质材料为Rogers5880，其厚度为0.254mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。为了加工便利，我们用一条内壁金属化的细长纵向缝隙取代金属化通孔栅栏来等效实现限制、引导微波能量在波导内部传输。
表1半模基片集成波导周期性漏波天线结构尺寸(单位：mm)
  参数   w   l   d   Wt   lt   W   L   D
  数值   2.5   100.0   0.4   1.1   1.2   0.3   1.5   5.0
1)首次利用半模基片集成波导技术成功设计了周期性漏波天线。该发明在保持了常见周期性漏波天线的辐射性能的同时，给天线引入一些优点。例如与立体金属波导馈电的漏波天线相比，该发明有效地降低了天线的轮廓，减小了天线的重量，压缩了天线的横向尺寸，使得天线易于平面集成，易于与安装平台共形。与一些平面传输线(如微带线)馈电的漏波天线相比，新发明在毫米波波段具有更低的损损耗和更高的辐射效率。
2)本实用新型的结构简单，便于设计和加工。

Claims (3)

1.一种大角度范围扫描的周期性漏波天线，其特征在于该天线包括上表面金属层构成的均匀微带馈线(1)、设有一排金属化通孔(21)的中间介质层(2)、设有周期性横向缝隙(31)的底面金属层(3)，其中，均匀微带馈线(1)的两端分别设有梯形微带阻抗变换器(11)，金属化通孔(21)与均匀微带馈线(1)、底面金属层(3)上对应的孔相连通。
2.根据权利要求1所述的大角度范围扫描的周期性漏波天线，其特征在于所述均匀微带馈线(1)上，一排金属化通孔(21)的各金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为3/2通孔直径d，梯形微带阻抗变换器的长度lt为1/4中心频率波导波长。
3.根据权利要求1所述的大角度范围扫描的周期性漏波天线，其特征在于底面金属层(3)上，缝隙单元的间距D为中心频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的宽度W为真空中波长的1/20-1/10，缝隙单元的长度L为波导宽度w的1/10-4/5。
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