基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，用于解決現(xiàn)有波導(dǎo)縫隙天線因?yàn)樘炀€波束的指向在波導(dǎo)行波方向上難以實(shí)現(xiàn)窄頻帶內(nèi)的寬角度頻率掃描而導(dǎo)致的應(yīng)用范圍窄的技術(shù)問題；包括矩形波導(dǎo)、波導(dǎo)輻射器和超表面；矩形波導(dǎo)由饋電連接器、第一矩形波導(dǎo)、梯度漸變矩形波導(dǎo)和第二矩形波導(dǎo)依次連接而成，其單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，在該開放結(jié)構(gòu)一側(cè)兩個(gè)寬邊的延伸方向上，連接有兩塊平行金屬板組成的波導(dǎo)輻射器，該矩形波導(dǎo)開放結(jié)構(gòu)一側(cè)鑲嵌有超表面，該超表面包括介質(zhì)板和其表面印制的蝕刻有周期性排布的多個(gè)矩形開口環(huán)單元的金屬貼片。本發(fā)明具有窄頻帶內(nèi)寬角度波束掃描的特性，可用于雷達(dá)衛(wèi)星等無線通信領(lǐng)域。
【專利說明】
基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于微波天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，具體涉及一種基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，可用于雷達(dá)衛(wèi)星等無線通信領(lǐng)域。
技術(shù)背景
[0002]波導(dǎo)縫隙天線是一種在波導(dǎo)邊上開有多條縫隙的天線，天線通過縫隙向外空間輻射電磁波，常用的縫隙形式有寬邊縱向、橫向縫隙和窄邊傾斜縫隙等。波導(dǎo)縫隙天線具有口徑效率高、饋電形式靈活、結(jié)構(gòu)和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)成為了現(xiàn)代軍事通信天線的優(yōu)選形式，通過利用波導(dǎo)縫隙天線實(shí)現(xiàn)波束掃描能夠迅速準(zhǔn)確地搜索和跟蹤空中目標(biāo)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、飛機(jī)、衛(wèi)星等無線通信領(lǐng)域。
[0003]天線波束掃描有機(jī)械掃描和電控掃描兩種方式，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的機(jī)械掃描天線已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足雷達(dá)探測和衛(wèi)星通信等無線通信領(lǐng)域的需求，為了滿足日新月異的通信需求，電控掃描天線應(yīng)運(yùn)而生；電控掃描天線可分為相位控制掃描天線和頻率控制掃描天線，同機(jī)械掃描天線相比，具有波束指向靈活、迅速、數(shù)據(jù)率高和波束掃描時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)識(shí)別、搜索、跟蹤、無源探測和制導(dǎo)等多種功能。
[0004]波導(dǎo)縫隙天線實(shí)現(xiàn)天線波束的電控掃描通常采用相位控制掃描，這種方法是把多個(gè)波導(dǎo)縫隙天線在波導(dǎo)行波垂直方向上組成天線陣列結(jié)構(gòu)，通過電子移相器對(duì)天線陣列進(jìn)行饋電相位調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)天線在波導(dǎo)行波垂直方向上的寬角度波束掃描，但是相位控制掃描難以實(shí)現(xiàn)天線在波導(dǎo)行波方向上的波束掃描。例如，2010年，路志勇在《中國電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào)》，國內(nèi)刊號(hào)為CN11-5118，發(fā)表了題為“一維相控陣通信天線設(shè)計(jì)”的文章，該文章公開了一種多個(gè)波導(dǎo)縫隙天線組成陣列的波導(dǎo)縫隙陣天線結(jié)構(gòu)，通過采用電子移相器給波導(dǎo)縫隙陣天線饋電的方式，實(shí)現(xiàn)了天線波束在波導(dǎo)行波垂直方向上31°的寬角度的相位控制掃描，但是該結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)行波方向上的相位控制掃描。
[0005]另一方面，現(xiàn)有研究通過采用行波型波導(dǎo)縫隙天線，可以實(shí)現(xiàn)天線波束在其行波方向上的頻率控制掃描，克服了相位控制掃描在波導(dǎo)行波方向上難以通過電子移相器實(shí)現(xiàn)天線波束掃描的缺陷，這種設(shè)計(jì)依賴于工作頻率的改變來調(diào)節(jié)天線的波束指向，但是該種類型的天線在窄頻帶內(nèi)波束掃描角度較小，無法實(shí)現(xiàn)天線在窄頻帶內(nèi)的寬角度波束掃描。例如，2011年，李斌在的《火控雷達(dá)技術(shù)》，國內(nèi)刊號(hào)為CN61 -1214/T J，發(fā)表了題為“頻掃單脈沖天線技術(shù)研究”的文章，該文章公開了一種行波型波導(dǎo)縫隙天線的結(jié)構(gòu)，采用了波導(dǎo)窄邊開縫的方法，實(shí)現(xiàn)了天線波束在波導(dǎo)行波方向上的頻率控制掃描，但是在7%的相對(duì)頻帶范圍內(nèi)，掃描角度變化只有6°左右，該天線在窄帶內(nèi)波束的掃描范圍很小。再如，2012年，EvanD.Cul Iens在《IEEE TRANSACT1NS ON ANTENNAS AND PROPAGAT1N》，國際刊號(hào)為ISSN0018-926X，發(fā)表了的題為 “Micro-Fabricated 130_180GHz Frequency ScanningWaveguide Arrays”的文章，該文章公開了一種行波型波導(dǎo)縫隙天線的結(jié)構(gòu)，采用了波導(dǎo)寬邊開縫的方法，同樣實(shí)現(xiàn)了天線波束在波導(dǎo)行波方向上的頻率控制掃描，但是該天線的波束指向掃描30°需要28%的相對(duì)頻帶，雖然實(shí)現(xiàn)了寬角度掃描，但是需要很大的頻率帶寬，無法實(shí)現(xiàn)在窄頻帶內(nèi)的寬角度掃描。
[0006]由于雷達(dá)等無線通信領(lǐng)域需要波束掃描角度覆蓋一定的范圍，對(duì)于需要寬角度掃描的雷達(dá)系統(tǒng)來說，行波型波導(dǎo)縫隙天線在窄頻帶內(nèi)小范圍的波束掃描無法滿足其應(yīng)用要求;雖然增大頻率的帶寬可以增加行波型波導(dǎo)縫隙天線的掃描角度，但是其它的窄頻帶天線無法接收寬頻帶的電磁波信號(hào)，限制了接收天線的類型，而且頻率帶寬的增加還降低了頻帶的利用率，因此實(shí)現(xiàn)天線波束在波導(dǎo)行波方向上頻率掃描的波導(dǎo)縫隙天線的應(yīng)用范圍受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提出了一種基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，利用超表面透射電磁波的角度色散特性，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)縫隙天線在波導(dǎo)行波方向上窄頻帶內(nèi)的寬角度波束掃描，用于解決現(xiàn)有波導(dǎo)縫隙天線因?yàn)樘炀€波束的指向在波導(dǎo)行波方向上難以實(shí)現(xiàn)窄頻帶內(nèi)的寬角度頻率掃描而導(dǎo)致的應(yīng)用范圍窄的技術(shù)問題。
[0008]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案為:
[0009]—種基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，包括矩形波導(dǎo)I，該矩形波導(dǎo)I的單側(cè)窄邊開有縫隙，用于輻射電磁波;矩形波導(dǎo)I的單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，在該矩形波導(dǎo)I開放結(jié)構(gòu)一側(cè)兩個(gè)寬邊的延伸方向上，各連接有一塊金屬板，且該兩塊金屬板平行，構(gòu)成波導(dǎo)福射器2，在該矩形波導(dǎo)I開放結(jié)構(gòu)一側(cè)，鑲嵌有超表面3，且該超表面3與兩塊金屬板垂直，用于實(shí)現(xiàn)窄頻帶內(nèi)的寬角度波束掃描。
[0010]上述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，矩形波導(dǎo)I，由饋電連接器11、第一矩形波導(dǎo)12、梯度漸變矩形波導(dǎo)13和第二矩形波導(dǎo)14依次連接而成，其中第二矩形波導(dǎo)14的輸出端為封閉結(jié)構(gòu)。
[0011 ]上述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，梯度漸變矩形波導(dǎo)13，其兩個(gè)寬邊的形狀為直角梯形，該直角梯形的直角邊，用于連接波導(dǎo)輻射器2。
[0012]上述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，超表面3，包括介質(zhì)板31，該介質(zhì)板31的一個(gè)表面上印制有金屬貼片，在該金屬貼片上蝕刻有周期性排布的多個(gè)縫隙開口諧振環(huán)單元32。
[0013]上述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，縫隙開口諧振環(huán)單元32，其形狀為一個(gè)短邊帶有開口的矩形環(huán)。
[0014]上述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，超表面3，其印制有金屬貼片的表面，朝向矩形波導(dǎo)I空腔的方向，并與該矩形波導(dǎo)I的兩個(gè)寬邊相連。
[0015]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0016]本發(fā)明由于矩形波導(dǎo)的單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，該矩形波導(dǎo)開放結(jié)構(gòu)一側(cè)兩個(gè)寬邊的延伸方向上，連接有兩塊平行金屬板組成的波導(dǎo)輻射器，在該矩形波導(dǎo)開放結(jié)構(gòu)一側(cè)，鑲嵌有超表面;其中矩形波導(dǎo)的中間部分采用梯度漸變矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其兩個(gè)寬邊的形狀為直角梯形，超表面的印制在介質(zhì)板上的金屬貼片蝕刻有周期性的多個(gè)縫隙開口諧振環(huán)單元，其形狀為一個(gè)短邊帶有開口的矩形環(huán)，實(shí)現(xiàn)了天線波束的指向在波導(dǎo)行波方向上窄頻帶內(nèi)的寬角度掃描，與現(xiàn)有的波導(dǎo)縫隙天線相比，有效地?cái)U(kuò)大了天線的應(yīng)用范圍。
[0017]仿真結(jié)果表明，本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)天線波束的指向在7%的相對(duì)頻帶范圍內(nèi)掃描30°左右，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的波導(dǎo)縫隙天線。
【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明的矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖3是本發(fā)明的超表面的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0021]圖4是本發(fā)明的縫隙開口諧振環(huán)單元的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖5是本發(fā)明的梯度漸變矩形波導(dǎo)中的TEM波斜傳播示意圖；
[0023]圖6是本發(fā)明的超表面不同入射角度的頻率_321仿真圖；
[0024]圖7是本發(fā)明的頻率-VSWR仿真圖；
[0025]圖8是本發(fā)明工作帶寬內(nèi)的頻率-輻射角度仿真圖；
[0026]圖9是本發(fā)明不同頻率工作下的掃描角度-增益仿真方向圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0028]參照?qǐng)D1，本發(fā)明包括矩形波導(dǎo)I，波導(dǎo)輻射器2和超表面3，其中矩形波導(dǎo)I和波導(dǎo)輻射器2采用輕質(zhì)光滑導(dǎo)電率良好的金屬材料。矩形波導(dǎo)I的單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于給超表面3饋電；在該矩形波導(dǎo)I開放結(jié)構(gòu)一側(cè)兩個(gè)寬邊的延伸方向上，各連接有一塊金屬板，且該兩塊金屬板平行，構(gòu)成波導(dǎo)輻射器2，該波導(dǎo)輻射器2長度L = LdL2+L3 = 121mm，寬度W3 = 15mm，平行金屬板距離h = 7.9mm;在該矩形波導(dǎo)I開放結(jié)構(gòu)一側(cè)，鑲嵌有超表面3，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，超表面3具有透射角度色散特性，用于輻射電磁波，且該超表面與兩塊金屬板垂直;本發(fā)明通過矩形波導(dǎo)I饋電，利用超表面3對(duì)電磁波透波角度的色散特性，可以實(shí)現(xiàn)天線在窄頻帶內(nèi)的寬角度波束掃描。
[0029]參照?qǐng)D2，矩形波導(dǎo)I由饋電連接器11，第一矩形波導(dǎo)12，梯度漸變矩形波導(dǎo)13和第二矩形波導(dǎo)14依次連接而成。饋電連接器11，其四個(gè)過孔通過螺絲和WR-62波導(dǎo)固定相連饋電，其中WR-62波導(dǎo)的工作頻率范圍為12.4GHz-18GHz，另外一側(cè)連接第一矩形波導(dǎo)12;第一矩形波導(dǎo)12高度h = 7.9mm，寬度Wi = 15.8mm，長度Li = 10mm，其單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，接超表面3，輸出端接梯度漸變矩形波導(dǎo)13;梯度漸變矩形波導(dǎo)13，其兩個(gè)寬邊的形狀為直角梯形，高度h = 7.9mm，兩邊寬度分別為Wi = 15.8mm和W2 = 9.6mm，長度L2 = 91mm，該直角梯形的直角邊一側(cè)為開放結(jié)構(gòu)，接超表面3，輸入端和輸出端端分別接第一矩形波導(dǎo)12和第二矩形波導(dǎo)14;第二矩形波導(dǎo)14，高度h = 7.9mm，寬度W2 = 9.6mm，長度Li = 20mm，其單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，接超表面3，輸入端接梯度漸變矩形波導(dǎo)13，輸出端為封閉結(jié)構(gòu)。
[0030]參照?qǐng)D3，超表面3，包括介質(zhì)板31，該介質(zhì)板31的一個(gè)表面印制有金屬貼片，在該金屬貼片上蝕刻有周期為d = 3mm的多個(gè)縫隙開口諧振環(huán)單元32，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。介質(zhì)板31高度h為7.9mm，長度L = L1+L2+L3=121mm，材質(zhì)為FR4，其相對(duì)介電常數(shù)εr為4.4，厚度t =
0.2mm，高度h = 7.9mm，金屬貼片由η = 39個(gè)縫隙開口諧振環(huán)單元32組成，超表面3印刷有金屬貼片的表面朝向矩形波導(dǎo)I空腔的方向。
[0031]參照?qǐng)D4，縫隙開口諧振環(huán)單元32，其金屬表面為高度h = 7.9mm，寬度d = 3mm的矩形金屬貼片。金屬貼片蝕刻有形狀為一個(gè)短邊帶有開口的矩形環(huán)，開口矩形環(huán)高度Ch =7.6mm，寬度d2 = 2.7mm，縫寬do = 0.3mm，開口大小 cb = 0.2mm。
[0032]參照?qǐng)D5，本發(fā)明的工作原理是，矩形波導(dǎo)中的TEiq模等效于斜入射的TEM波在波導(dǎo)中來回反射疊加而成，其入射角Θ滿足關(guān)系式cos0 = A/2W，A是指工作頻率為f的電磁波在自由空間中的波長，W是波導(dǎo)寬邊的長度；當(dāng)波導(dǎo)寬邊W的大小梯度漸變減小時(shí)，TEM波的入射角也梯度漸變減小，當(dāng)W的大小等于波導(dǎo)的截止頻率f。時(shí)，入射角Θ = 0，相當(dāng)于垂直入射;通過把角度色散的超表面加載到波導(dǎo)的窄邊，利用梯度漸變矩形波導(dǎo)的等效TEM波斜入射角度的漸變作用，從而實(shí)現(xiàn)了天線輻射方向的頻率掃描特性。參照?qǐng)D2，Wj^大小應(yīng)當(dāng)?shù)扔赪R-62 波導(dǎo)的尺寸， 胃2的大小應(yīng)當(dāng)使波導(dǎo)的截止頻率 fc 為超表面垂直入射 θ=0 時(shí)的諧振頻率 fo，其滿足W2 = c/2fo，c為光速。
[0033]本發(fā)明的工作過程是，矩形波導(dǎo)通過WR-62波導(dǎo)饋電，當(dāng)電磁波入射到梯度漸變矩形波導(dǎo)13時(shí)，可以通過超表面3輻射出來，由于梯度漸變矩形波導(dǎo)13不同位置處的TEM波斜入射角度不同，且超表面3不同入射角透射電磁波的頻率不同，因此實(shí)現(xiàn)了天線的輻射角度隨頻率變化而掃描。
[0034]以下結(jié)合仿真試驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)效果作進(jìn)一步說明。
[0035]1、仿真內(nèi)容
[0036]1.1利用商業(yè)仿真軟件CST MICROWAVE STUD1對(duì)上述實(shí)施例超表面3的S21參數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果如圖6所示。
[0037]1.2利用商業(yè)仿真軟件CST MICROWAVE STUD1對(duì)上述實(shí)施例波導(dǎo)縫隙天線的VSWR和遠(yuǎn)場輻射方向圖進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果分別如圖7、圖8和圖9所示。
[0038]2、仿真結(jié)果
[0039]參照?qǐng)D6，當(dāng)超表面3上下方向?yàn)槔硐虢饘伲笥曳较蛑芷谛耘帕袝r(shí)，其對(duì)入射角為Θ的TEM波具有角度色散特性，其中TEM波的電場矢量E為上下方向，波矢量k與超表面3的法向矢量的夾角為Θ;當(dāng)入射角Θ分別為O度、15度、45度和60度時(shí)，諧振頻率從15.35GHz逐漸減小到14.05GHz，可以看出超表面3的諧振頻率隨著TEM波斜入射角度的增加而逐漸減小，表現(xiàn)出角度色散特性。
[0040]參照?qǐng)D7，當(dāng)工作頻率在14.65GHz和15.65GHz之間時(shí)，天線輸入端口的電壓駐波比在2以下，說明了天線工作在這個(gè)頻帶內(nèi)，其輸入端匹配良好。
[0041 ] 參照?qǐng)D8，當(dāng)天線的工作頻率在14.65GHz-15.65GHz之間連續(xù)變化時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)天線波束的指向在1-31度之間連續(xù)掃描，在7%的相對(duì)頻帶范圍內(nèi)，掃描角度變化30°左右，遠(yuǎn)大于現(xiàn)有的行波型波導(dǎo)縫隙天線。
[0042]參照?qǐng)D9，當(dāng)天線工作在fi= 15.6GHz時(shí)，其H面方向圖最大指向?yàn)?度方向；當(dāng)天線工作在f2 = 15.2GHz時(shí)，其H面方向圖最大指向?yàn)?7度方向；當(dāng)天線工作在f3 = 14.7GHz時(shí)，其H面方向圖最大指向?yàn)?6度方向；可以看出天線波束的指向隨著工作頻率改變而變化。
[0043]以上仿真結(jié)果說明，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了天線波束的指向在窄頻帶內(nèi)的寬角度掃描。
[0044]以上描述僅是本發(fā)明的一個(gè)具體實(shí)施例，顯然對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來說，在了解了本
【發(fā)明內(nèi)容】
和原理后，都可能在不背離發(fā)明原理、結(jié)構(gòu)的情況下，進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變，但是這些基于本發(fā)明思想的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，包括矩形波導(dǎo)(I)，該矩形波導(dǎo)(I)的單側(cè)窄邊開有縫隙，用于輻射電磁波;其特征在于，所述矩形波導(dǎo)(I)的單側(cè)窄邊為開放結(jié)構(gòu)，在該矩形波導(dǎo)(I)開放結(jié)構(gòu)一側(cè)兩個(gè)寬邊的延伸方向上，各連接有一塊金屬板，且該兩塊金屬板平行，構(gòu)成波導(dǎo)輻射器(2)，在該矩形波導(dǎo)(I)開放結(jié)構(gòu)一側(cè)，鑲嵌有超表面(3)，且該超表面(3)與兩塊金屬板垂直，用于實(shí)現(xiàn)窄頻帶內(nèi)的寬角度波束掃描。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，其特征在于，所述矩形波導(dǎo)(I)，由饋電連接器(U)、第一矩形波導(dǎo)(12)、梯度漸變矩形波導(dǎo)(13)和第二矩形波導(dǎo)(14)依次連接而成，其中所述第二矩形波導(dǎo)(14)的輸出端為封閉結(jié)構(gòu)。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，其特征在于，所述梯度漸變矩形波導(dǎo)(13)，其兩個(gè)寬邊的形狀為直角梯形，該直角梯形的直角邊，用于連接波導(dǎo)輻射器(2)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，其特征在于，所述超表面(3)，包括介質(zhì)板(31)，該介質(zhì)板(31)的一個(gè)表面上印制有金屬貼片，在該金屬貼片上蝕刻有周期性排布的多個(gè)縫隙開口諧振環(huán)單元(32)。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，其特征在于，所述縫隙開口諧振環(huán)單元(32)，其形狀為一個(gè)短邊帶有開口的矩形環(huán)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的波導(dǎo)縫隙頻率掃描天線，其特征在于，所述超表面(3)，其印制有金屬貼片的表面，朝向所述矩形波導(dǎo)(I)空腔的方向，并與該矩形波導(dǎo)(I)的兩個(gè)寬邊相連。
【文檔編號(hào)】H01Q13/22GK106099380SQ201610473030
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月24日
【發(fā)明人】楊銳, 張澳芳, 李冬, 李佳成, 師阿元, 雷振亞
【申請(qǐng)人】西安電子科技大學(xué)