專利名稱：一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高增益微波天線的設(shè)計(jì)方法，特別涉及一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列 微波天線。
背景技術(shù)：
近幾年，根據(jù)Bethe所描述的經(jīng)典衍射理論， 一束波長(zhǎng)為;i的光，通過半徑為7>0"<;1)的 亞波長(zhǎng)孔徑時(shí)，透過率非常小，近似為(/VA)4，并且透過小孔的光將沿各個(gè)方向傳播；然而， 當(dāng)光通過環(huán)繞著周期溝槽結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)孔徑或亞波長(zhǎng)金屬孔陣列時(shí)，將會(huì)表現(xiàn)出非常奇異 的光學(xué)效應(yīng)即透過率異常增強(qiáng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的beaming效應(yīng)，這引起了人們極大的興趣，關(guān)于 這種奇特現(xiàn)象的物理起源，H丄Lezec等人利用金屬表面等離子體的共振激發(fā)來解釋溝槽結(jié) 構(gòu)的異常透射現(xiàn)象接著L.Martin-Moreno等人基于同樣的觀點(diǎn)利用衍射理論和電磁場(chǎng)理想 邊界條件建立了一維周期溝槽結(jié)構(gòu)的理論模型；后來大量的相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證明是 表面等離子體的共振導(dǎo)致了亞波長(zhǎng)孔徑光的異常透射和beaming效應(yīng)。
近來，人們利用光波段亞波長(zhǎng)孔徑的異常透射機(jī)制將溝槽結(jié)構(gòu)放大到微波波段，S.Sena Akarca-Biyiki等人通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了微波通過周圍有一維光柵結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)狹縫時(shí)也存在異 常透射特性；M丄Lockyear等人對(duì)微波通過環(huán)繞著環(huán)形周期溝槽結(jié)構(gòu)的亞波長(zhǎng)圓形孔徑的 異常透射現(xiàn)象和遠(yuǎn)場(chǎng)定向輻射特性進(jìn)行了研究，并仔細(xì)分析了透過率的增強(qiáng)機(jī)制認(rèn)為由 于近場(chǎng)衍射，在出射面形成的近似駐波特性的表面波主導(dǎo)著透過率的大?。籑.Bertete等人 基于這種周期溝槽結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生的異常透射和beaming現(xiàn)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種低剖面牛眼 饋電天線，將平板縫隙天線的增益提高了約15dB，這是他們第一次將環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用到 天線領(lǐng)域。由于環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)局限于單個(gè)縫隙饋電陣元，無法應(yīng)用到縫隙陣列天線中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過對(duì)溝槽結(jié)構(gòu)的形狀進(jìn)行重新
設(shè)計(jì)，并且對(duì)其各參數(shù)進(jìn)行重新確定，提供了一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線的設(shè) 計(jì)方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)解決問題所采用的技術(shù)方案 一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天 線，其特征在于步驟如下
(1)確定天線激勵(lì)源的工作波長(zhǎng)義；
(2) 選擇金屬板材料，金屬板的厚度為/z;
(3) 在金屬板中間開串行的金屬縫隙結(jié)構(gòu)，所開的金屬縫隙的個(gè)數(shù)為A/,寬度為w,, 長(zhǎng)度為丄，縫隙之間的間隔為丄,；
(4) 激勵(lì)源從金屬板下方垂直于金屬表面入射，從金屬板上方金屬表面出射；
(5) 在金屬板的出射面，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的兩側(cè)并行嵌入W個(gè)對(duì)稱的有限溝槽，溝槽的 周期為i7，深度為^，寬度為^; 一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線設(shè)計(jì)完成；
(6) 利用現(xiàn)有加工技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線進(jìn)行制作。 所述步驟(2)中的金屬板材料為可以激發(fā)表面電磁波的金屬鋁。
所述步驟(2)中的金屬層的厚度/ 為5 10mm。
所述步驟(3)中的寬度w,應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)/L，長(zhǎng)度￡為/1/3到/1/1.5，縫隙間隔 A應(yīng)小于入射波長(zhǎng)義。
所述步驟(3)中的金屬縫隙的個(gè)數(shù)M越大，所獲得的增益越大，并且出射的波束寬度越窄。
所述步驟("中的溝槽深度d取值為0.U到0.2義，溝槽寬度v^為0.05;i到0.15義。 所述步驟(5)中的周期數(shù)目iV為大于等于l的整數(shù)，并且iV越大，出射波獲得的增益 越大，但是當(dāng)iV〉6時(shí)，天線的增益達(dá)到飽和，所以取^ = 6。 所述步驟(5)中的溝槽周期確定過程如下所示
在公式(1)和公式(2)中給出了表面等離子體的色散關(guān)系和光柵方程-
其中i^和jt。分別為表面等離子體和入射波的波矢，^和s。分別為金屬和介質(zhì)的介電常 數(shù)，e為入射方向跟法線的夾角,W。代表衍射級(jí)次，由于工作波長(zhǎng)是在微波波段，金屬的介 電常數(shù)非常大，而空氣的介電常數(shù)為l，因此^>>^，可以得到~ &，又因?yàn)樵谧杂煽?間中，表面等離子體的波矢大于入射波的波矢，故、大于&，由于出射方向集中在法線附
近，根據(jù)互易定理，可以取^aO，取^。=1，于是有A^s;，所以由^大于^，可以得
到尸小于義,即溝槽周期應(yīng)該小于入射波長(zhǎng)，然后再通過采用HFSS軟件對(duì)尸進(jìn)行最優(yōu)化處 理。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點(diǎn)是
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7
1、 本發(fā)明通過將一維周期溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用到波導(dǎo)縫隙陣列天線中，使得該溝槽結(jié)構(gòu)可以 激發(fā)表面波的產(chǎn)生，并且表面波的激發(fā)共振和縫隙輻射出的能量會(huì)在遠(yuǎn)場(chǎng)相干疊加，因此 使得半功率波束寬度明顯減小，極大的提高了天線的方向性，同時(shí)，該天線的增益也得到 了極大的提高；
2、 本發(fā)明設(shè)計(jì)出的微波波段的周期溝槽結(jié)構(gòu)，可以采用傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)對(duì)其進(jìn)行饋電， 取代了光波段的平面波激勵(lì)；
3、 跟環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)相比環(huán)形溝槽結(jié)構(gòu)只能局限于單個(gè)縫隙饋電陣元，而本發(fā)明采用 的一維周期溝槽結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用到波導(dǎo)縫隙陣列天線中；
4、 本發(fā)明設(shè)計(jì)所得的天線結(jié)構(gòu)可以在一個(gè)平面上進(jìn)行制作成形，避免了高剖面天線在 制作中帶來的困難。


圖1為該波導(dǎo)陣列天線剖面圖； 圖2為該波導(dǎo)陣列天線俯視圖中l(wèi)為金屬板材料，2為周期溝槽結(jié)構(gòu)，3為縫隙陣列，4為饋源，W,為饋源縫隙
寬度，^為所開的金屬槽的寬度，/2為金屬板的厚度，戶為溝槽周期，J為槽的深度，A為
饋源縫隙之間的間隔，I為饋源縫隙長(zhǎng)度。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限 于下面實(shí)施例，應(yīng)包括權(quán)利要求書中的全部?jī)?nèi)容。
本發(fā)明實(shí)施例的具體過程如下
(1) 選取工作頻率為13GHz的天線激勵(lì)源，可以得知其波長(zhǎng);i為23mm。；
(2) 選擇金屬板材料為鋁，其厚度A為6mm;
(3) 在金屬板中間開串行排布的四個(gè)縫隙結(jié)構(gòu)，縫隙寬度w,為lmm，長(zhǎng)度丄為 11.5mm，縫隙之間的間隔i:,為20mm，如圖1和圖2所示；
(4) 激勵(lì)源從金屬板下方垂直于金屬表面入射，從金屬板上方金屬表面出射；
(5) 在金屬板的出射面，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的兩側(cè)串行嵌入6個(gè)有限溝槽結(jié)構(gòu)，取溝槽 深度d為3.6mm,溝槽寬度w2為2.8mm;
溝槽周期P確定過程如下所示
在公式(1)和公式(2)中給出了表面等離子體的色散關(guān)系和光柵方程-<formula>formula see original document page 7</formula>(2)
其中A^和A:。分別為表面等離子體和入射波的波矢，^和f。分別為金屬的介電常數(shù)和介 質(zhì)的介電常數(shù)，0為入射方向跟法線的夾角，W代表衍射級(jí)次，由于工作波長(zhǎng)是在微波波 段，金屬的介電常數(shù)非常大，而空氣的介電常數(shù)為l，因此^^f。，可以得到A^a",又 因?yàn)樵谧杂煽臻g中，表面等離子體的波矢大于入射波的波矢，故^p大于/fc。，由于出射方向
集中在法線附近，根據(jù)互易定理，可以取9a0，取7V。-1，于是、《,，所以由^p大于/t。，
即^>^ = ^^，可以得到p小于A,即溝槽周期尸應(yīng)該小于23mm，再通過采用HFSS 尸 A 23w附
軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，此時(shí)溝槽周期P為20mm時(shí)效果最佳； 一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列 微波天線設(shè)計(jì)完成，如圖1和圖2所示；
(6)利用現(xiàn)有加工技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線進(jìn)行制作。
權(quán)利要求
1、一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于以下步驟(1)確定天線激勵(lì)源的工作波長(zhǎng)λ；(2)選擇金屬板材料，金屬板的厚度為h；(3)在金屬板中間開串行的金屬縫隙結(jié)構(gòu)，所開的金屬縫隙的個(gè)數(shù)為M，寬度為w1，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，縫隙之間的間隔為L(zhǎng)1；(4)激勵(lì)源從金屬板下方垂直于金屬表面入射，從金屬板上方金屬表面出射；(5)在金屬板的出射面，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的兩側(cè)并行嵌入N個(gè)對(duì)稱的有限溝槽，溝槽的周期為P，深度為d，寬度為w2；一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線設(shè)計(jì)完成；(6)利用現(xiàn)有加工技術(shù)對(duì)所設(shè)計(jì)的高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線進(jìn)行制作。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟 (2)中的金屬板材料為可以激發(fā)表面電磁波的金屬鋁。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟(2) 中的金屬層的厚度/z為5 10mm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟(3) 中的寬度w應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長(zhǎng)A，長(zhǎng)度Z為A/3到；i/1.5，縫隙間隔A應(yīng)小于入射波長(zhǎng)義。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟 (3)中的金屬縫隙的個(gè)數(shù)M越大，所獲得的增益越大，并且出射的波束寬度越窄。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟 (5)中的溝槽深度d取值為0.U到0.2;i，溝槽寬度v^為0.05/1到0.15義。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟 (5)中的周期數(shù)目W為大于等于1的整數(shù)，并且iV越大，出射波獲得的增益越大，但是當(dāng)^>6時(shí)，天線的增益達(dá)到飽和，所以取7V-6。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其特征在于，步驟 (5)中的溝槽周期確定過程如下所示在公式(1)和公式(2)中給出了表面等離子體的色散關(guān)系和光柵方程<formula>formula see original document page 2</formula><formula>formula see original document page 3</formula> (2)其中、和&分別為表面等離子體和入射波的波矢，^和s。分別為金屬的介電常數(shù)和介 質(zhì)的介電常數(shù)，e為入射方向跟法線的夾角，JV。代表衍射級(jí)次，由于工作波長(zhǎng)是在微波波段， 金屬的介電常數(shù)非常大，而空氣的介電常數(shù)為l，因此 》s。，可以得到;^ait。，又因?yàn)?在自由空間中，表面等離子體的波矢大于入射波的波矢，故^p大于&，由于出射方向集中法線附近，根據(jù)互易定理，可以取PaO，取 =1，于是有^^ ,，所以由、大于yt。，可以得到P小于義,即溝槽周期應(yīng)該小于入射波長(zhǎng)，然后再通過采用HFSS軟件對(duì)戶進(jìn)行最 優(yōu)化處理。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高增益溝槽波導(dǎo)縫隙陣列微波天線，其具體特征如下首先確定天線激勵(lì)源的工作波長(zhǎng)λ；然后選擇金屬板材料，金屬板的厚度為h；在金屬板中間開串行的金屬縫隙結(jié)構(gòu)，所開的金屬縫隙的個(gè)數(shù)為M，寬度為w₁，長(zhǎng)度為L(zhǎng)；激勵(lì)源從金屬板下方垂直于金屬表面入射，從金屬板上方金屬表面出射；在金屬板的出射面，金屬縫隙結(jié)構(gòu)的兩側(cè)并行排布N個(gè)對(duì)稱的有限溝槽，溝槽的周期為P，深度為d，寬度為w₂；本發(fā)明將一維周期溝槽結(jié)構(gòu)應(yīng)用到波導(dǎo)縫隙陣列天線中，極大的提高了天線的方向性，同時(shí)，該天線的增益也得到了極大的提高。
文檔編號(hào)H01Q1/38GK101174726SQ200710178640
公開日2008年5月7日 申請(qǐng)日期2007年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月3日
發(fā)明者杜春雷, 羅先剛, 趙澤宇, 鄧啟凌, 成 黃 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所