本發(fā)明屬于微波技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線及其設(shè)計方法。

背景技術(shù)：

隨著應(yīng)用與需求的快速發(fā)展，對電磁頻譜的利用已得到極大的拓展和充分應(yīng)用，并且越來越顯的擁擠不堪。一方面，工作于各個頻率的電子設(shè)備越來越多；另一方面，一些平臺如艦船、飛機和衛(wèi)星等空間受到限制。在這種高密度頻譜情況下，使各電子設(shè)備的電磁環(huán)境非常惡劣，因此在設(shè)計各個電子系統(tǒng)時都要考慮干擾和抗干擾等電磁兼容性問題。

對于電子系統(tǒng)之間電磁兼容性問題的解決，常規(guī)的方法是外加濾波器，或者增加兩種設(shè)備之間的空間距離從而增加空間隔離度。

目前，在各類電子系統(tǒng)中針對帶外電磁干擾通常采用外加濾波器的方法。這種方法簡單有效，但是設(shè)備量增加，尤其是在一些大型相控陣天線中，天線單元數(shù)成千上萬。外加濾波器時增加了饋線損耗，特別是濾波器加在t/r組件與天線之間的情況下，對系統(tǒng)指標(biāo)影響大。

對于增加電子設(shè)備之間的空間距離的方法，將造成整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、體積、重量等方面的犧牲，在實際應(yīng)用中受限條件非常大，特別是安裝平臺狹小的情況，如在星載合成孔徑雷達(dá)(sar)中，為了解決數(shù)傳天線對sar系統(tǒng)的干擾，將數(shù)傳天線通過展開結(jié)構(gòu)伸出衛(wèi)星平臺近3米左右(m.斯坦厄，r.沃寧豪斯，r.扎恩，x波段地面觀測合成孔徑雷達(dá)有源相控陣天線，2003年國際相控陣系統(tǒng)與技術(shù)會議，美國，波士頓，2003年10月，pp:70-75/m.stangle,r.werninghaus,andr.zahn,theterrsar-xactivephasedarrayantenna,ieeeinternationalsymposiumonphasedarraysystemsandtechnology2003,boston,usa,oct.,2003,pp:70-75)，這樣不僅造成重量的增加，也增加了設(shè)計難度和系統(tǒng)故障點，降低了系統(tǒng)的可靠性。

汪偉、李磊、張洪濤等人發(fā)明的“頻率選擇性寬帶波導(dǎo)縫隙天線陣”(cn10557040b)利用寬帶縫隙波導(dǎo)天線陣中的饋電波導(dǎo)段，集成了波導(dǎo)濾波器，實現(xiàn)了天線頻率選擇性工作能力，抑制了帶外射頻信號干擾。但是，這種抗干擾是實施在擁有波導(dǎo)功分器可利用直波導(dǎo)段的寬帶縫隙波導(dǎo)天線上，對于無波導(dǎo)功分器直波導(dǎo)段的單層波導(dǎo)縫隙天線而言，則無集成濾波器空間。

近幾年出現(xiàn)的濾波天線則采用天線與濾波器級聯(lián)一體化設(shè)計方法(余晨、洪偉、周健義，基片集成波導(dǎo)全向濾波天線多天線陣列，電波科學(xué)學(xué)報，vol.27(2)，2012，pp:301-306)，在物理上仍然是獨立的。

以單面柵格槽構(gòu)成的平面波導(dǎo)在不同頻段表現(xiàn)出完美電導(dǎo)體(pec)和完美磁導(dǎo)體(pmc)特性，可以作為金屬壁使用，替代完整封閉的金屬波導(dǎo)壁，降低加工難度(s.m.基勒，a.v.努古讓，h.i.h.赫如祖，m.b.埃斯庫德若，間斷槽波導(dǎo)窄邊非傾斜縫隙激勵寄生偶極子天線，第七屆歐洲天線與傳播會議，4月，2013，pp：3082-3085/s.m.giner,a.v.-nogueira,h.i.h.herruzo,m.b.escudero,excitationofuntiltednarrow-wallslotingroovegapwaveguidebyusingaparasiticdipole,20137theuropeanconferenceonantennasandpropagation,april，2013,pp:3082-3085)，就目前文獻資料，僅限于替代波導(dǎo)壁使用。

本發(fā)明主要解決上述抗干擾功能的濾波器和電磁波定向輻射的天線兩個微波部件物理上各自獨立的問題，使兩者完全融合。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明提供了一種柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線，通過融合設(shè)計，將濾波器和天線這兩個本各自獨立的微波部件，巧妙的融合在一起，天線具有在工作頻段正常輻射的能力，同時實現(xiàn)工作頻帶外雙頻段抑制能力，而且這種融合方式降低了系統(tǒng)抗干擾設(shè)計難度、減少設(shè)備量。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的：

一種柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線，包括具有輻射縫隙的金屬波導(dǎo)管，其特征在于，金屬波導(dǎo)管內(nèi)底面上分布多個金屬柱，各金屬柱的上端面構(gòu)成不連續(xù)金屬面，不連續(xù)金屬面在工作頻段和低頻段阻帶表現(xiàn)為近似完美電導(dǎo)體，允許天線工作頻段電磁波傳輸，抑制低頻段阻帶的電磁波的傳輸；所述不連續(xù)金屬面在高頻段阻帶表現(xiàn)為近似完美磁導(dǎo)體，抑制高頻段阻帶電磁波使之不傳輸。

優(yōu)選地，金屬波導(dǎo)管內(nèi)分布多個等尺寸的金屬柱。

優(yōu)選地，等尺寸的金屬柱均勻分布。

優(yōu)選地，金屬波導(dǎo)管內(nèi)各金屬柱的橫截面為矩形，相鄰金屬柱的橫向間距相等，相鄰金屬柱的縱向間距相等。

優(yōu)選地，金屬柱的橫截面為圓形、六邊形、矩形或正方形。

優(yōu)選地，當(dāng)本波導(dǎo)縫隙天線為駐波陣時，所述金屬波導(dǎo)管兩端中一端作為信號輸入端口，另一端封閉；當(dāng)本波導(dǎo)縫隙天線為行波陣時，所述金屬波導(dǎo)管一端作為信號輸入端口，另一端連接匹配負(fù)載。

優(yōu)選地，所述金屬波導(dǎo)管為矩形截面管，輻射縫隙開設(shè)在所述金屬波導(dǎo)管的上壁面。

優(yōu)選地，所述金屬波導(dǎo)管為具有金屬極的脊波導(dǎo)，金屬柱分布在金屬脊的兩側(cè)。

本發(fā)明還提供了一種柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計方法，設(shè)計出的波導(dǎo)縫隙天線將濾波器融合到天線中，令天線具有在工作頻段正常輻射的能力，同時實現(xiàn)工作頻帶外雙頻段抑制能力。

該方法用于設(shè)計上述任意一種柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線，該天線具有低頻段阻帶和高頻段阻帶，該方法包括如下步驟：

步驟1、根據(jù)天線正常傳輸?shù)墓ぷ黝l段和需要濾波抑制的低頻段阻帶，設(shè)計無金屬柱的金屬波導(dǎo)管，使之在工作頻段傳輸，而在低頻段阻帶抑制不傳輸；

步驟2、在步驟1獲得的金屬波導(dǎo)管中加入金屬柱；通過三維電磁仿真優(yōu)化，確定金屬柱尺寸和間隔，使帶有金屬柱的金屬波導(dǎo)管阻止高頻段阻帶電磁波在金屬波導(dǎo)管內(nèi)傳輸；

步驟3、所述金屬柱上端面構(gòu)成的不連續(xù)金屬面將金屬波導(dǎo)管分割為上下兩部分，上部分為傳統(tǒng)意義的波導(dǎo)；在該傳統(tǒng)意義的波導(dǎo)上設(shè)計輻射縫隙，完成所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計。

優(yōu)選地，步驟2在進行優(yōu)化時，對于金屬柱的高度h以高頻段阻帶的中心點波長的1/4作為優(yōu)化初始值。

有益效果：

(1)本發(fā)明通過設(shè)置金屬柱，使得天線波導(dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)不連續(xù)金屬面，不連續(xù)金屬面相當(dāng)于濾波器，而不連續(xù)金屬面之上連通的空間相當(dāng)于傳統(tǒng)的波導(dǎo)，那么通過內(nèi)置于金屬波導(dǎo)管的不連續(xù)金屬面可以將濾波器和天線這兩個本各自獨立的微波部件，巧妙的融合在一起，令天線具有在工作頻段正常輻射的能力，同時實現(xiàn)工作頻帶外雙頻段抑制，表現(xiàn)為低頻抑制頻帶的高通濾波和高頻抑制頻帶的帶阻濾波，兼具兩個濾波器功能，而且無附加設(shè)備。因此這種一體的設(shè)計方式能夠降低系統(tǒng)抗干擾設(shè)計難度、減少設(shè)備量。

(2)通過本發(fā)明的設(shè)計，使得柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線在工作頻段可以實現(xiàn)低損耗輻射，天線效率高。

(3)本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線采用完全金屬結(jié)構(gòu)，損耗低，相對于傳統(tǒng)縫隙波導(dǎo)天線外加濾波器而言，工作頻帶無附加損失。

(4)本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線中具備濾波功能的超材料金屬波導(dǎo)管和輻射縫隙可以獨立設(shè)計，設(shè)計難度低。

(5)本發(fā)明采用純金屬材料加工，可靠性高，應(yīng)用環(huán)境范圍廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明立體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1除去輻射面的俯視圖；

圖3為本發(fā)明橫截面圖；

圖4為本發(fā)明縱向剖面圖；

圖5為本發(fā)明柵格槽金屬波導(dǎo)管的電磁波傳輸特性曲線；

圖6為本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線傳輸特性曲線；

圖7為本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線工作頻帶電壓駐波比曲線；

圖8為本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線工作5.2ghz輻射方向圖；

圖9為本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線工作5.4ghz輻射方向圖；

圖10為本發(fā)明柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線工作5.6ghz輻射方向圖；

圖11為本發(fā)明金屬柱的一種可選方案。

圖12為本發(fā)明金屬柱的另一種可選方案。

上圖中序號：金屬波導(dǎo)管1、金屬柱2、輻射縫隙3、金屬柱上端面4。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線，其核心思想是，在金屬波導(dǎo)管內(nèi)底面上分布有多個金屬柱，各金屬柱的上端面構(gòu)成形似柵格的不連續(xù)金屬面；通過金屬波導(dǎo)管的設(shè)計可以實現(xiàn)工作頻段電磁波在天線內(nèi)傳輸，并抑制低頻段阻帶電磁波在天線內(nèi)傳輸；通過不連續(xù)金屬面的設(shè)計可以阻止高頻段阻帶電磁波在天線內(nèi)傳輸。不連續(xù)金屬面在天線工作頻帶和低頻抑制頻帶表現(xiàn)為近似完美電導(dǎo)體，使得工作頻段電磁波可在波導(dǎo)腔體內(nèi)傳輸，而低頻抑制頻段處于波導(dǎo)截至頻率以下，故該頻段電磁波被抑制。不連續(xù)金屬面在高頻抑制頻段表現(xiàn)為近似完美磁導(dǎo)體，進而可以抑制高頻抑制頻段的電磁波在波導(dǎo)腔體內(nèi)傳輸。其中，不連續(xù)金屬面的特性可以通過金屬柱尺寸和間隔的設(shè)計實現(xiàn)改變。

可見，本發(fā)明通過設(shè)置金屬柱，使得天線波導(dǎo)管內(nèi)出現(xiàn)不連續(xù)金屬面，不連續(xù)金屬面相當(dāng)于濾波器，而不連續(xù)金屬面之上連通的空間相當(dāng)于傳統(tǒng)的波導(dǎo)，那么通過內(nèi)置于金屬波導(dǎo)管的不連續(xù)金屬面可以將濾波器和天線這兩個本各自獨立的微波部件，巧妙的融合在一起，令天線具有在工作頻段正常輻射、同時抑制工作頻帶外的電磁干擾的能力，而且這種一體的設(shè)計方式能夠降低系統(tǒng)抗干擾設(shè)計難度、減少設(shè)備量。

本發(fā)明可以應(yīng)用于包括脊波導(dǎo)的各種波導(dǎo)，當(dāng)應(yīng)用于脊波導(dǎo)時，上述金屬柱分布在金屬脊的兩側(cè)的空間內(nèi)。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例進行詳細(xì)描述。

參見圖1，本實施例中，柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線應(yīng)用于c波段的5.3～5.5ghz，在該頻帶范圍內(nèi)作為天線正常輻射，在x波段7.9～8.6ghz范圍和s波段3.5ghz以下為干擾頻段，抑制度大于40db。本實施例的柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線包括矩形截面空心的金屬波導(dǎo)管1，內(nèi)含有眾多金屬柱2；金屬波導(dǎo)管1上部金屬壁開的輻射縫隙3；本實施例中波導(dǎo)縫隙天線為駐波陣，因此所述金屬波導(dǎo)管兩端中一端封閉短路，另一端作為信號輸入端口。

參見圖2、圖3和圖4，金屬波導(dǎo)管1是一個橫截面長a、寬b的長管，由寬度相同的上下金屬壁、高度相同的左右窄邊金屬壁環(huán)繞包圍而成。在金屬波導(dǎo)管1的下寬邊金屬壁內(nèi)表面上凸出眾多金屬柱2。本實施例中，各金屬柱2采用同尺寸金屬柱，其截面長sa、寬sb，高度為h，金屬柱以矩陣的方式均勻分布在金屬波導(dǎo)管1下表面，相鄰金屬柱在兩個方向的間距分別為d1和d2，d1和d2可以相等或不等。本實施例是為了方便加工和便于進行參數(shù)的統(tǒng)一設(shè)計，所以采用的等尺寸的金屬柱和均勻分布方式，這種設(shè)計結(jié)果所帶來的產(chǎn)品性能未必最佳，因此在實際中，可以根據(jù)需要對金屬柱采用不用尺寸和間隔的設(shè)計，但通常變量越多，設(shè)計難度就越大。

金屬波導(dǎo)管1的尺寸與工作頻率和低頻段阻帶相關(guān)。與常規(guī)波導(dǎo)管相同，通常選擇a>b，a選擇與工作頻段和低頻阻帶相關(guān)，即截止導(dǎo)波長為2a；內(nèi)部金屬柱2尺寸與高頻段阻帶相關(guān)；輻射縫隙與工作頻段相關(guān)。

具體設(shè)計時，給出一定技術(shù)指標(biāo)，通常為正常傳輸?shù)墓ぷ黝l段和需要濾波抑制的干擾頻段，以及抑制度要求，先根據(jù)工作頻段和低頻段阻帶設(shè)計金屬波導(dǎo)管，使之在工作頻帶傳輸，而在低頻段阻帶抑制不傳輸；然后根據(jù)高頻段阻帶設(shè)計金屬柱；最后，以金屬波導(dǎo)管內(nèi)金屬柱上部空間為傳統(tǒng)意義的縫隙波導(dǎo)天線，在該縫隙波導(dǎo)天線上設(shè)計輻射縫隙，完成所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計。

下面說明如何根據(jù)具體指標(biāo)要求來設(shè)計具有兩個阻帶的天線。

假設(shè)給定低頻段阻帶最高頻fstop1h、工作頻帶fl～fh、高頻段阻帶fstop2l～fstop2h，抑制度大于40db。

具體設(shè)計步驟確定如下：

步驟1：根據(jù)天線的工作頻段和需要濾波抑制的低頻段阻帶，設(shè)計無金屬柱的金屬波導(dǎo)管1，使之在工作頻段傳輸，而在低頻段阻帶抑制不傳輸。

本步驟中，根據(jù)工作頻帶fl～fh和低頻段阻帶的最高頻fstop1h確定金屬波導(dǎo)管1的截面寬度a。通常，考慮到高次模、損耗和傳輸功率，金屬波導(dǎo)管1尺寸選擇范圍為：0.5λ≤a≤λ，0<b≤0.5λ，其中λ是工作頻率波長，按最大波長計算，a取值在30～60mm之間，b在0～30mm之間選取。考慮到低頻段阻帶，保證阻帶最高頻率fstop1h抑制度，要求a≤0.5λstop1h，即a取值小于42mm附近。結(jié)合兩者要求，a優(yōu)選為32mm，b選擇為14.6mm。

步驟2、在步驟1獲得的金屬波導(dǎo)管中加入金屬柱；通過三維電磁仿真優(yōu)化，確定金屬柱尺寸和間隔，使帶有金屬柱的金屬波導(dǎo)管阻止高頻段阻帶電磁波在天線內(nèi)傳輸。

本步驟中，金屬柱尺寸與高頻段阻帶要求相關(guān)，通過三維電磁仿真優(yōu)化使帶有眾多金屬柱的波導(dǎo)管在工作頻段和低頻段阻帶表現(xiàn)為近似完美電導(dǎo)體(pec)，而在阻帶表現(xiàn)為近似完美磁導(dǎo)體(pmc)。優(yōu)化時，在加工工藝等制約條件下，嘗試各種參數(shù)組合，其中金屬柱h的高度可以以高頻段中心點波長的1/4為優(yōu)化初始值。本實施例的優(yōu)化結(jié)果為：金屬柱長sa和寬sw選擇相同，優(yōu)選為5.2mm，金屬柱2的高度h選擇范圍在0～b之間，優(yōu)選為8.6mm，金屬柱間距d1和d2選擇相同尺寸，優(yōu)選為1.2mm。

圖5是上述尺寸優(yōu)化后金屬波導(dǎo)管1的傳輸特性仿真結(jié)果，波導(dǎo)管在3.8ghz以下抑制度大于40db，在7.8～8.8ghz范圍內(nèi)抑制度大于40db，在4.9～7.6ghz范圍內(nèi)傳輸，插入損耗小于0.1db。

通過步驟1和步驟2的設(shè)計，不連續(xù)金屬面在低頻阻帶和工作頻帶表現(xiàn)為近似完美電導(dǎo)體，使超材料波導(dǎo)管在相應(yīng)頻段分別工作于截至頻段和傳輸頻段；不連續(xù)金屬面在高頻阻帶表現(xiàn)為近似完美磁導(dǎo)體，抑制該頻段的電磁波在其內(nèi)傳輸。綜上，所述超材料金屬波導(dǎo)管表現(xiàn)為一種低損耗傳輸線兼具低頻和高頻段阻帶的雙重特性。

步驟3、所述金屬柱上端面構(gòu)成的不連續(xù)金屬面將金屬波導(dǎo)管(1)分割為上下兩部分，上部分為傳統(tǒng)意義的波導(dǎo)；在該傳統(tǒng)意義的波導(dǎo)上設(shè)計輻射縫隙，完成所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線的設(shè)計。

本步驟中，在寬度為a、高度為b-h的傳統(tǒng)意義的金屬波導(dǎo)管上優(yōu)化設(shè)計縫隙波導(dǎo)天線，波導(dǎo)管的一個終端由金屬封閉短路，另一端作為信號輸入端，三維電磁仿真優(yōu)化計算，得到輻射縫隙的長度、偏置(細(xì)長輻射縫隙縱向中心線與波導(dǎo)寬邊縱向中心線之間的距離)和兩個相鄰縫隙之間的間距，優(yōu)選尺寸分別為27.6mm、3.7mm和32mm，輻射縫隙寬度以加工限制條件為依據(jù)，優(yōu)選為2mm。

將上述傳統(tǒng)意義矩形金屬波導(dǎo)縫隙天線優(yōu)化設(shè)計得到的輻射縫隙以相同的尺寸開設(shè)在超材料金屬波導(dǎo)的上部金屬壁上，如圖1所示，就可以得到所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線。

圖6是所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線與超寬帶天線之間空間耦合s21曲線，天線在5.3～5.5ghz工作頻段內(nèi)耦合系數(shù)在-20.5～-19.7db之間，在5.1～5.6ghz頻帶內(nèi)耦合系數(shù)在-22～-19.7db之間，在低頻和高頻干擾頻段分別低于-78.5db和-62.5db，這說明天線對干擾頻段的抑制度大于40db。

圖7是所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線在5.23～5.56ghz帶寬內(nèi)端口電壓駐波比(vswr)，小于1.5；在5.18～5.59ghz帶寬內(nèi)端口電壓駐波比，小于2，說明天線在工作頻段匹配良好，并且具有很好的工作帶寬拓展能力。

圖8、圖9和圖10給出了所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線在5.2ghz、5.4ghz和5.6ghz三個頻率的輻射方向圖，表現(xiàn)出良好的均勻分布線陣輻射特性，方向性系數(shù)分別為10.9db、11.5db、11.2db。結(jié)合天線駐波特性，說明所述天線在400mhz范圍內(nèi)具有良好性能。

圖11和圖12給出了所述柵格槽超材料波導(dǎo)縫隙天線中的金屬波導(dǎo)管金屬柱兩種可選方案，圖11為六邊形截面的金屬柱，圖12為圓形截面的金屬柱，其尺寸與間隙同樣可以通過三維電磁仿真按所述矩形截面金屬優(yōu)化設(shè)計得到。

以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明具體實施僅限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，如金屬柱形狀、數(shù)量和排列方式等；輻射縫形狀、位置和旋轉(zhuǎn)角；縮短或延長金屬波導(dǎo)管長度，并且減少或增加輻射縫隙數(shù)量；金屬波導(dǎo)管終端短路的駐波陣改為終端端接匹配負(fù)載的行波陣；改變尺寸使波導(dǎo)管工作頻段、阻帶等位于上述要求不同位置，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定的發(fā)明保護范圍。