CN107317116A - 一种高阻表面超材料波导缝隙天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高阻表面超材料波导缝隙天线，所述超材料波导缝隙天线包括超材料波导管和辐射缝隙，所述超材料波导管包括金属波导管和介质板，所述金属波导管是横截面为矩形的通管，所述辐射缝隙设置在金属波导管的上表面，所述金属波导管的一端开放作为信号输入口，另一端封闭为短路状态，所述介质板沿长度方向设置在金属波导管的内壁的下部宽边上，所述介质板的表面刻蚀有周期性图形。本发明的天线在工作频段可以实现低损耗辐射，天线效率高；本发明的天线可以实现工作频带外双频段抑制，在抑制低频段的电磁干扰时，该天线的特性相当于高通滤波器，在抑制高频段的电磁干扰时，该天线的特性相当于带阻滤波器。

Description

一种高阻表面超材料波导缝隙天线

技术领域

本发明涉及一种微波技术，尤其涉及的是一种高阻表面超材料波导缝隙天线。

背景技术

随着军事用频装备和民用无线电设备与***的快速增多，电磁环境呈现日益复杂化的态势，电子***内部的电磁自扰，电子***间的电磁互扰等问题逐渐增多。当电子***应用于舰船、飞机和卫星等载荷平台时，由于应用平台的空间限制，电子设备周围的电磁环境非常恶劣。因此，在设计电子***时需要考虑干扰和抗干扰等电磁兼容问题。

通常，为解决电子设备的电磁兼容问题，方法有两种，一种是增加电子设备之间的空间距离，从而增加设备间的空间隔离度以降低干扰；第二种方法是在设备中增加滤波器，以抑制相应频段电磁波的干扰。

在星载合成孔径雷达(SAR)应用中，M.斯坦厄等采用增加电子设备之间空间距离的方法，将数传天线通过展开结构伸出卫星平台近3米，以降低数传天线对SAR***的干扰(M.斯坦厄，R.沃宁豪斯，R.扎恩，X波段地面观测合成孔径雷达有源相控阵天线，2003年国际相控阵***与技术会议，美国，波士顿，2003年10月，pp:70-75/M.Stangle,R.Werninghaus,and R.Zahn,The TerrSAR-X Active Phased Array Antenna,IEEEInternational Symposium on Phased Array Systems and Technology 2003,Boston,USA,Oct.,2003,pp:70-75)，这种方法虽然有效，但不可避免地造成整个***在结构、体积、重量等方面的牺牲，同时也增加了***设计难度和***故障点，降低了***的可靠性。更为重要的是，当电子设备安装平台有限时，电子设备之间的空间距离十分有限，这限制了抑制电磁干扰的效果。因此，通过增加电子设备之间空间距离来克服电磁干扰这种方法在工程实践中的应用非常有限。

另一种克服电磁干扰的方法是在设备中增加滤波器，这种方法简单有效，但是该方法会使设备量大幅增加，尤其是在一些天线单元数成千上万的大型相控阵天线***中，进而大幅提高***制造成本。此外，引入滤波器也会增加***的体积和馈线损耗，对***性能影响较大。近几年，很多文献阐述了滤波天线的设计方法，将滤波器与天线集成在一起。例如，余晨、洪伟、周健义，基片集成波导全向滤波天线多天线阵列，电波科学学报，Vol.27(2)，2012，pp:301-306，但是，所报导的滤波天线仍然是天线与滤波器的级联，仍旧存在上述问题。

汪伟、李磊、张洪涛等人在中国发明专利CN 101557040B，频率选择性宽带波导缝隙天线阵中，利用天线阵中波导功分器的直波导段，集成波导滤波器，实现天线的频率选择性工作能力，抑制带外射频信号干扰。但是，这种抗干扰的实现是建立在天线阵拥有波导功分器可利用直波导段的基础上，对于无波导功分器直波导段的单层波导缝隙天线而言，则无法集成滤波器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种高阻表面超材料波导缝隙天线，在工作频段可以完成天线收发电磁波的功能，也可以在指定高低两个频段起到滤波器的功能。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括超材料波导管和辐射缝隙，所述超材料波导管包括金属波导管和介质板，所述金属波导管是横截面为矩形的通管，所述辐射缝隙设置在金属波导管的上表面，所述金属波导管的一端开放作为信号输入口，另一端封闭为短路状态，所述介质板沿长度方向设置在金属波导管的内壁的下部宽边上，所述介质板的表面刻蚀有周期性图形，所述金属波导管和介质板形成具有低阻和高阻性能的波导传输线。

作为本发明的优选方式之一，所述辐射缝隙的长度为半个工作频率波长。

作为本发明的优选方式之一，所述辐射缝隙至少有一个。

作为本发明的优选方式之一，所述金属波导管的矩形横截面的长为a，宽为b，0.5λ≤a≤λ，0<b≤0.5λ，其中λ是工作频率波长。

作为本发明的优选方式之一，所述a同时满足a≤0.5λ_stop1H，λ_stop1H为低频段阻带最高频率波长。

作为本发明的优选方式之一，所述周期性图形为单个图形阵列式排布而成，相邻单个图形的间距相同。

作为本发明的优选方式之一，所述单个图形为矩形、圆形或环形。

作为本发明的优选方式之一，所述单个图形为正方形。

本发明的天线在工作频段可正常收发电磁波，同时，该天线具有滤波功能，可以抑制工作频带外指定低频段和高频段的电磁干扰。整体结构简单，相比传统波导缝隙天线，仅在波导管下部宽边平铺有一层介质板高阻表面，该高阻表面可通过印刷电路板技术较容易的实现，没有增加工程实施的难度。而且，目前文献中报导的滤波天线，本质上是天线与滤波器的级联，由于滤波器的引入，不仅增加了***的剖面、体积和设备量，也引入了额外的损耗。而本发明所述超材料波导缝隙天线实现了天线与滤波器的统一设计，并且由于高阻表面具有很低的剖面，该超材料波导缝隙天线的剖面几乎与传统波导缝隙天线相同。另外，与传统波导缝隙天线相比，所述超材料波导缝隙天线的附加损耗主要来自高阻表面的介质损耗，通过选择低损耗的介质，可以将该损耗降至很低，并且，该附加损耗相比于引入滤波器所带来的损耗，也小得多。

金属波导管的上部、左右金属壁和介质板的上表面构成具有矩形截面的电磁波传输空间。介质板在工作频带内表现为低阻抗特性，此时，超材料波导管等同为传统金属波导管，故可以传输电磁波；在低频抑制频带，介质板的高阻表面仍然表现为低阻抗特性，但此时，波导工作于截止频率以下，电磁波无法在波导中传播，形成低频处的阻带；在高频抑制频带，高阻表面表现为高阻抗特性，抑制电磁波在波导中的传播，形成高频处的阻带。

所述超材料波导管和辐射缝隙相结合，形成具有低频段和高频段双带阻特性的抗干扰天线。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的天线在工作频段可以实现低损耗辐射，天线效率高；本发明的天线可以实现工作频带外双频段抑制，在抑制低频段的电磁干扰时，该天线的特性相当于高通滤波器，在抑制高频段的电磁干扰时，该天线的特性相当于带阻滤波器。本发明的天线可以实现滤波功能，但是并无附加滤波器；本发明的天线在低频和高频两个阻带内可以实现高于40dB抑制度；本发明的天线，相比于传统缝隙波导天线，其剖面、体积和重量几乎无增加；本发明的天线，相比于传统缝隙波导天线级联滤波器的设计方案，工作频带内的附加损耗极小。本发明的天线中具备滤波功能的超材料波导管和辐射缝隙可以独立设计，设计难度低；本发明的天线，其中超材料波导管和辐射缝隙的加工与传统波导缝隙天线的加工方法一致，加工技术成熟度高，其中介质板采用印刷电路板技术加工，技术也很成熟，同时，天线结构简洁，可靠性高，具有广泛的应用空间。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是介质板的俯视图；

图3是本发明的横截面图；

图4是本发明的纵向剖面图；

图5是本发明超材料波导管的传输特性曲线；

图6是本发明天线的传输特性曲线；

图7是本发明天线的电压驻波比曲线；

图8是本发明天线工作在5.15GHz的辐射方向图；

图9是本发明天线工作在5.35GHz的辐射方向图；

图10是本发明天线工作在5.55GHz的辐射方向图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～4所示，本实施例包括超材料波导管和辐射缝隙2，所述超材料波导管包括金属波导管1和介质板3，所述金属波导管1是横截面为矩形的通管，所述辐射缝隙2设置在金属波导管1的上表面，所述金属波导管1的一端开放作为信号输入口，另一端封闭为短路状态，所述介质板3沿长度方向设置在金属波导管1的内壁的下部宽边上，所述介质板3的表面刻蚀有周期性图形4，所述金属波导管1和介质板3形成具有低阻和高阻性能的波导传输线。

金属波导管1的矩形横截面的长为a，宽为b，周期性图形4的长和宽分别为L1和W1，相邻单个图形之间的间距为d1和d2，介质板3的厚度为h。

金属波导管1的横截面尺寸a和b的选取与传统矩形波导相同，与工作频率相关；周期性图形4的设计与高频段阻带相关；辐射缝隙2的长度通常为半个工作波长。

具体设计时，按要求的技术指标，通常为工作频段、干扰频段以及抑制度要求，首先设计相应的超材料波导管，使之在工作频带内对电磁波起传输作用，而在干扰频带内对电磁波起抑制作用。然后，以与超材料波导管尺寸相同的传统矩形波导为基础，设计波导缝隙天线。最后，将设计好的辐射缝隙2与超材料波导管相结合，形成超材料波导缝隙天线。

假设给定超材料天线的工作频带f_L～f_H为C波段5.3～5.5GHz，低频段阻带最高频f_Stop1H为S波段3.5GHz，高频段阻带f_stop2L～f_stop2H为X波段7.9～8.6GHz，阻带内抑制度大于40dB。

相应高阻表面超材料波导缝隙天线的具体参数确定如下：

根据工作频带f_L～f_H和低频段阻带最高频率f_Stop1H可以确定金属波导管1的横截面尺寸a和b。通常，考虑到抑制高次模、降低损耗和保证传输功率，金属波导管1的尺寸选择范围为：0.5λ≤a≤λ，0<b≤0.5λ，其中λ是工作频率波长，按最大波长计算，a取值在28.3～56.6mm之间，b取值在0～28.3mm之间。考虑到对低频段干扰的抑制和相应的抑制度要求，需要满足条件a≤0.5λ_stop1H，即a的取值小于42.8mm。经综合考虑，a选择为32mm，b选择为7.5mm。

介质板3的设计与高频段阻带的要求相关。介质板3在工作频段和低频段阻带内表现为低阻特性，而在高频段阻带内则表现为高阻特性。经过优化设计，介质板3的高度h为1.5mm，介电常数为3.38，其表面刻蚀的矩形图形的尺寸为：L1＝W1＝4.2mm，d1＝d2＝1.1mm。

图5中曲线是经优化设计后超材料波导管传输特性的仿真结果，可见，超材料波导管在3.5GHz以下频段的抑制度大于50dB，在7.9～8.6GHz频率范围内抑制度大于60dB。

在完成超材料波导管设计之后，采用传统波导缝隙天线的设计方法来设计辐射缝隙2。设计后，辐射缝隙2的长度、偏置(细长辐射缝隙2纵向中心线与波导宽边纵向中心线之间的距离)和相邻辐射缝隙2之间的间距，分别为29.1mm、3.0mm和37.5mm，辐射缝隙2宽度以加工限制条件为依据，选为2mm。

将上述超材料波导管与辐射缝隙2相结合，就可以得到所述高阻表面超材料波导缝隙天线，如图1所示。

图6给出所述超材料波导缝隙天线与超宽带天线之间的空间耦合S21曲线。可见，在5.30～5.50GHz工作频段内，耦合系数约为-21.8dB，在5.15～5.55GHz工作频带内，耦合系数在-21.2～-21.8dB之间，而耦合系数在低频和高频干扰频段分别低于-63.3dB和-74.8dB。这说明相对于工作频段，该超材料波导缝隙天线对低频和高频干扰频段的抑制度分别大于40dB和50dB。

图7给出所述超材料波导缝隙天线的端口电压驻波(VSWR)曲线，在5.15～5.55GHz工作频带内，端口电压驻波比小于1.5。这说明该超材料天线在工作频段匹配良好。

图8、图9和图10分别给出所述超材料波导缝隙天线在5.15GHz、5.35GHz和5.55GHz三个频率的辐射方向图曲线，该超材料波导缝隙天线在这个频率点的方向性系数分别为11.5dB、11.7dB、11.8dB，并表现出良好的均匀分布线阵的辐射特性。结合天线驻波特性，说明所述超材料波导缝隙天线在400MHz带宽范围内具有良好性能。

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 (8)

1.一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，包括超材料波导管和辐射缝隙，所述超材料波导管包括金属波导管和介质板，所述金属波导管是横截面为矩形的通管，所述辐射缝隙设置在金属波导管的上表面，所述金属波导管的一端开放作为信号输入口，另一端封闭为短路状态，所述介质板沿长度方向设置在金属波导管的内壁的下部宽边上，所述介质板的表面刻蚀有周期性图形，所述金属波导管和介质板形成具有低阻和高阻性能的波导传输线。

2.根据权利要求1所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述辐射缝隙的长度为半个工作频率波长。

3.根据权利要求1所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述辐射缝隙至少有一个。

4.根据权利要求1所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述金属波导管的矩形横截面的长为a，宽为b，0.5λ≤a≤λ，0<b≤0.5λ，其中λ是工作频率波长。

5.根据权利要求4所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述a同时满足a≤0.5λ_stop1H，λ_stop1H为低频段阻带最高频率波长。

6.根据权利要求1所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述周期性图形为单个图形阵列式排布而成，相邻单个图形的间距相同。

7.根据权利要求6所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述单个图形为矩形、圆形或环形。

8.根据权利要求6所述的一种高阻表面超材料波导缝隙天线，其特征在于，所述单个图形为正方形。