CN109560375B - 周期性正交曲折线漏波天线 - Google Patents

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Abstract

针对现有的周期性漏波天线难以抑制开路阻带的技术问题，提供一种结构简单、易加工、波束扫描范围较大，可实现边射方向无衰减扫描的周期性正交曲折线漏波天线。该天线结构包括介质板、金属传输线、金属地板、馈电接头。其中金属传输线由水平和竖直两个垂直正交方向的传输线周期性连接组成。实际测量和使用时，一个馈电接头连接高频信号源，另一个馈电接头连接50欧姆负载作为终端纯电阻负载，减少传输线终端反射。通过改变竖直方向传输线的距离和宽度可以实现周期结构之间的阻抗匹配，从而抑制开路阻带现象，实现边射方向无衰减扫描。

Description

周期性正交曲折线漏波天线
技术领域
本发明涉及无线电领域，更具体地，涉及一种周期性正交曲折线漏波天线。
背景技术
传统均匀漏波天线只能实现主波束的前向扫描(0°<θ<90°)，波束扫描范围较小，而周期性漏波天线具备前后向扫描(-90°<θ<90°)的能力，扫描范围更广，更具有实际应用价值。然而现有的周期性漏波天线在主波束在边射方向(θ＝0°)扫描时一般会发生“开路阻带”(Open Stopband)现象,即波束扫描至边射方向时通常会发生增益的衰减，导致方向图的退化，其根本原因是在边射扫描时各周期单元阻抗失配，导致整体结构中的导波处于驻波的状态，大部分能量被反射消耗而没有辐射到空间中。通过合适的设计方法改进模型的结构，可以改善天线结构在边射扫描时的频率下的匹配特性，从而使能量在结构中有效传导并辐射漏波，实现边射方向无衰减的扫描。
发明内容
本发明针对现有的周期性漏波天线难以抑制开路阻带的技术问题，提供一种结构简单、易加工、小型化、波束扫描范围较大，可实现边射方向无衰减扫描的周期性正交曲折线漏波天线。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
周期性正交曲折线漏波天线，包括介质板、金属传输线、金属地板和馈电接头；其中金属传输线连接在介质板的一侧，金属地板连接在介质板的另一侧，馈电接头的中心馈电针与金属传输线连接，馈电接头外导体与金属地板连接。实际测量和使用时，一个馈电接头连接高频信号源，另一个馈电接头连接50欧姆负载作为终端纯电阻负载，减少传输线终端反射。
优选的是，所述介质板为固体介质或空气介质。
优选的是，所述金属传输线是由水平和竖直两个垂直正交方向的传输线周期性连接组成的微带线结构，表现为周期性的S型曲折线。周期结构两条竖直方向传输线的宽度以及两者之间的距离决定了周期结构的阻抗特性(Bloch阻抗)，从而影响整体结构的匹配性能，体现在回波损耗和主波束增益等参数。
优选的是，所述金属传输线及金属地板为紧贴介质板的平面金属结构。所述金属传输线的周期间距和竖直方向传输线的长度决定了天线的工作频率范围。
更进一步地，所述金属传输线的尺寸，介质板的厚度及其相对介电常数决定了天线的传播常数(包含衰减常数和相位常数)。通过实测的散射系数可以提取具体传播常数数值。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了周期性正交曲折线设计，实现了天线主波束的前后向扫描，并通过合理的周期结构阻抗匹配优化解决了边射方向开路阻带的问题，实现了工作频带主波束无衰减扫描。
附图说明
图1为本发明的正面示意图；
图2是本发明的背面示意图；
图3是本发明的侧面示意图；
图4是本发明优化后结构的正面示意图；
图5是初始和优化结构的反射系数曲线图；
图6是初始结构边射扫描附近的E面方向图(有衰减)；
图7是优化结构边射扫描附近的E面方向图(无衰减)；
图8是优化结构的E面方向图(前后向扫描)；
图9是初始和优化结构的传播常数曲线图；
图10是初始和优化结构的Bloch阻抗曲线图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
周期性正交曲折线漏波天线，如附图1、图2、图3所示，天线为平面结构，天线可分解为介质板1、金属传输线2、金属地板4、馈电接头3，金属传输线2和金属地板4紧贴在介质板1两侧，并通过一个馈电接头3激励，另一个接头连接50欧姆负载。被优化后的金属传输线2如图4所示，具体优化流程如下：
(1)先改变周期结构两条竖直方向传输线的距离，使其等于工作波长的四分之一，这样一条竖直传输线引起的反射波可以被另一条传输线吸收；
(2)改变周期结构中两条竖直方向传输线的宽度，使周期单元结构具有不对称性，从而可以调节周期结构的阻抗值。
初始和优化结构的反射系数曲线如图5，初始结构在4.5GHz至4.9GHz的反射系数大于-10dB，说明该频段的输入能量大部分被反射，而没有形成空间辐射波；经过优化后的结构在工作频段都有|S11|<-10dB，此时结构上大部分能量以行波的形式被传导，辐射性能良好。
根据图6可以发现初始结构波束扫描到边射方向附近(4.8GHz,4.9GHz)的增益下降了约-3dB，而图7说明经过优化，改进的结构可以实现边射方向无衰减的扫描。图8表明本发明的结构可以实现-60°到60°的扫描范围。
初始和优化结构的传播常数曲线图如图9，经过优化后结构的相位常数和衰减常数更平滑，这是因为开路阻带导致的性能突变被抑制，从而扫描角度变化更平稳，能量衰减也随之变小。图10表明本发明所提出的优化方法的本质，是改变周期结构的Bloch阻抗使其尽量稳定在50欧姆附近，从而实现周期之间的阻抗匹配。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (3)

1.周期性正交曲折线漏波天线，其特征在于，包括介质板(1)、金属传输线(2)、金属地板(4)和馈电接头(3)；其中金属传输线(2)连接在介质板(1)的一侧，金属地板(4)连接在介质板(1)的另一侧，馈电接头(3)的中心馈电针与金属传输线(2)连接，馈电接头(3)外导体与金属地板(4)连接；
所述金属传输线(2)是由水平和竖直两个垂直正交方向的传输线周期性连接组成的微带线结构，表现为周期性的S型曲折线，其中，改变周期结构两条竖直方向金属传输线(2)的距离，使其等于工作波长的四分之一；改变周期结构中两条竖直方向金属传输线(2)的宽度，使周期单元结构具有不对称性。
2.根据权利要求1所述的周期性正交曲折线漏波天线，其特征在于，所述介质板(1)为固体介质或空气介质。
3.根据权利要求1所述的周期性正交曲折线漏波天线，其特征在于，所述金属传输线(2)及金属地板(4)为紧贴介质板(1)的平面金属结构。
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