專利名稱：大角度范圍掃描的周期性漏波天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
大角度范圍掃描的周期性漏波天線是一種頻率掃描天線，適用于具有波束掃描功 能的微波毫米波天饋系統(tǒng)，如智能天線和雷達(dá)等。
背景技術(shù)：
漏波天線最突出的性能是通過調(diào)節(jié)工作頻率，可以實(shí)現(xiàn)波束掃描。因此，這類天 線被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)研制具有波束掃描功能的微波毫米波天饋系統(tǒng)，如預(yù)警雷達(dá)、智能天 線等。在結(jié)構(gòu)上，漏波天線的饋電部分和輻射部分通常結(jié)合在一起，因而結(jié)構(gòu)較為緊湊。迄今為止，人們根據(jù)應(yīng)用場合的不同，基于各類微波傳輸線成功研制了滿足不同 系統(tǒng)要求的漏波天線。例如，在對天饋設(shè)備輪廓、重量不做過多限制的場合中(如地基雷 達(dá))，人們利用金屬波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了損耗低、功率容量大的漏波天線。再如，人們基于各類平面?zhèn)?輸線(如微帶線、平行板板波導(dǎo)、介質(zhì)板波導(dǎo)等)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了輪廓低、重量輕的漏波天線，以 適用于需要天線集成、共性的微波毫米波電路和系統(tǒng)?；诮饘俨▽?dǎo)和平面?zhèn)鬏斁€的漏波天線在結(jié)構(gòu)和性能上恰好互補(bǔ)。前者損耗低， 功率容量大，但是輪廓高，重量大，不易集成；而后者重量輕，易集成，易共性，但是通常損耗 較大，功率容量有限。因此，人們一直在努力研制集上述兩類微波傳輸線優(yōu)點(diǎn)于一身的新型 微波傳輸線，以及相應(yīng)的漏波天線。基片集成波導(dǎo)和半?；刹▽?dǎo)即屬于滿足上述要 求的這樣一類新型微波傳輸結(jié)構(gòu)。但是兩者相比而言，半?；刹▽?dǎo)具有更小的橫向 尺寸和更寬的單模工作區(qū)域。正因?yàn)榫哂羞@些特點(diǎn)和優(yōu)勢，半?；刹▽?dǎo)被應(yīng)用于研 制具有應(yīng)用前景的漏波天線。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本實(shí)用新型的目的為了實(shí)現(xiàn)一種大角度范圍掃描的周期性漏波天線， 在性能上具有低損耗，在結(jié)構(gòu)上具有輪廓低、重量輕、易集成、易共性等優(yōu)點(diǎn)，這類天線能夠 應(yīng)用于地基或者移動平臺上(如飛機(jī))的天饋系統(tǒng)。技術(shù)方案大角度范圍掃描的周期性漏波天線是由在一段直通半?；刹▽?dǎo) 的金屬上表面或者金屬地面周期性蝕刻橫向縫隙而構(gòu)成的。設(shè)計(jì)時，首先根據(jù)天線工作頻 段，選擇合適的介質(zhì)基片材料和厚度，設(shè)計(jì)合理的半?；刹▽?dǎo)寬度，以保證天線工作 于波導(dǎo)的低損耗區(qū)(即最佳工作頻段)。然后，根據(jù)對天線工作頻段及波束掃描范圍的要 求，計(jì)算選取合適的縫隙間距即縫隙周期。其次，根據(jù)對副瓣電平及增益的要求，計(jì)算選取 合適的縫隙長度。最后，優(yōu)化設(shè)計(jì)天線與均勻半?；刹▽?dǎo)之間的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，以保 證天線具有較寬的工作帶寬，并接收到較高的輸入功率。本實(shí)用新型的大角度范圍掃描的周期性漏波天線包括上表面金屬層構(gòu)成的均勻 微帶饋線、設(shè)有一排金屬化通孔的中間介質(zhì)層、設(shè)有周期性橫向縫隙的底面金屬層，其中， 均勻微帶饋線的兩端分別設(shè)有梯形微帶阻抗變換器，金屬化通孔與均勻微帶饋線、底面金 屬層上對應(yīng)的孔相連通。
所述均勻微帶饋線上，一排金屬化通孔的各金屬化通孔的直徑d為1/8-1/10波導(dǎo) 寬度w，金屬化通孔的間距s為3/2通孔直徑d，梯形微帶阻抗變換器的長度It為1/4中心 頻率波導(dǎo)波長。底面金屬層上，縫隙單元的間距D為中心頻率對應(yīng)的真空中波長的1/8-1/2，縫隙 單元的寬度W為真空中波長的1/20-1/10，縫隙單元的長度L為波導(dǎo)寬度w的1/10-4/5。
通過在均勻半?；刹▽?dǎo)上表面金屬層或金屬地面周期性蝕刻一列橫向窄 縫隙，可以使得第η = -1階空間諧波具有快波特性的，而其余各階空間諧波則為慢波，從而 實(shí)現(xiàn)了微波能量在沿半?；刹▽?dǎo)傳輸過程中源源不斷地向自由空間輻射，形成了隨 頻率變化而掃描的波束。通過調(diào)節(jié)縫隙間距(即周期)，一方面可以調(diào)節(jié)天線的工作頻段， 另一方面可以控制波束掃描的速率(即波束掃描角速度對頻率的變化率)。通過調(diào)節(jié)縫隙 長度，可以控制波瓣形狀(如半功率波瓣寬度、副瓣電平等)和天線輻射效率。有益效果大角度范圍掃描的周期性漏波天線具有以下特點(diǎn)1)具有波束掃描功能。如果選取相對介電常數(shù)較高(> 10)的基片，能夠?qū)崿F(xiàn)波 束在較大角度范圍內(nèi)(約從-75°至+75° )掃描。2)具損耗低，輻射效率高的特點(diǎn)。理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，半?；刹▽?dǎo)工作在 遠(yuǎn)離截止頻率時，具有較低的插入損耗。這保證了基于該波導(dǎo)研制的天線具有較高的輻射 效率。3)結(jié)構(gòu)簡單，且因?yàn)橹谱饔诮橘|(zhì)基片上，所以天線輪廓低、重量輕、易集成、易共 性。4)成本低?？梢允褂贸墒斓腜CB加工工藝制作，制造精度高，利于批量生產(chǎn)。


圖1是大角度范圍掃描的周期性漏波天線結(jié)構(gòu)3D圖，圖2是頂視圖，圖3是底視 圖，圖4是波束指向后上半空間時的輻射方向圖，圖5是波束指向天線正上方時的輻射方向圖，圖6是波束指向前上半空間時的輻射方向圖，圖7是波束指向隨頻率的變化示意圖，W-半?；刹▽?dǎo)寬度D-縫隙單元的間距(即周期)1-半?；刹▽?dǎo)的長度 L-縫隙單元的長度S-金屬化通孔的間距W-縫隙單元的寬度d-金屬化通孔的直徑Wt-梯形微帶阻抗變換器的寬度It-梯形微帶阻抗變換器的長度
具體實(shí)施例方式本實(shí)用新型的大角度范圍掃描的周期性漏波天線包括上表面金屬層構(gòu)成的均勻 微帶饋線1、設(shè)有一排金屬化通孔21的中間介質(zhì)層2、設(shè)有周期性橫向縫隙31的底面金屬 層3，其中，均勻微帶饋線1的兩端分別設(shè)有梯形微帶阻抗變換器11，金屬化通孔21與均勻微帶饋線1、底面金屬層3上對應(yīng)的孔相連通。所述均勻微帶饋線1上，一排金屬化通孔21 的各金屬化通孔的直徑d為1/8-1/10波導(dǎo)寬度w，金屬化通孔的間距s為3/2通孔直徑d， 梯形微帶阻抗變換器的長度It為1/4中心頻率波導(dǎo)波長。底面金屬層3上，縫隙單元的間距 D為中心頻率對應(yīng)的真空中波長的1/8-1/2，縫隙單元的寬度W為真空中波長的1/20-1/10， 縫隙單元的長度L為波導(dǎo)寬度w的1/10-4/5。1.該漏波天線為一平面結(jié)構(gòu)，建立在上下表面敷銅的介質(zhì)基片上，如圖1所示。2.根據(jù)天線工作頻段，選取合適的介質(zhì)基片厚度和相對介電常數(shù)。3.設(shè)計(jì)合理的半?；刹▽?dǎo)寬度W，以保證天線工作于波導(dǎo)的單模工作頻段 內(nèi)，同時又遠(yuǎn)離波導(dǎo)的截止頻率。4.根據(jù)對天線輻射特性的要求，如副瓣電平、半功率波瓣寬度、輻射效率等，計(jì)算 口徑分布，進(jìn)而計(jì)算第η = -1階空間諧波的相位常數(shù)和衰減常數(shù)。
5.選擇合適的縫隙數(shù)目，同時優(yōu)化設(shè)計(jì)縫隙的長度L和間距D，以實(shí)現(xiàn)步驟4中所 需的第η = -1階空間諧波的相位常數(shù)和衰減常數(shù)。6.優(yōu)化設(shè)計(jì)梯形微帶阻抗變換器，以實(shí)現(xiàn)較寬阻抗帶寬和較高的輸入功率。7.圖2為在0. 254mm厚的Rogers5880介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)的一條工作于30GHz_50GHz 的漏波天線。從圖3至圖5所示的輻射方向圖可以看到，漏波天線能夠產(chǎn)生隨頻率變化而 在天線縱軸方向掃描的窄波束。天線增益在10. OdB上下。圖6顯示，隨頻率從32. 5GHz上 升到58.0GHz，波束從后上半空間(42° )逐漸掃描至前上半空間(120° )。我們設(shè)計(jì)了一條工作于30.0GHz_50.0GHz的半?；刹▽?dǎo)周期性漏波天 線?；橘|(zhì)材料為Rogers5880，其厚度為0. 254mm，相對介電常數(shù)為2. 2，損耗角正切為 0. 0009。為了加工便利，我們用一條內(nèi)壁金屬化的細(xì)長縱向縫隙取代金屬化通孔柵欄來等 效實(shí)現(xiàn)限制、弓I導(dǎo)微波能量在波導(dǎo)內(nèi)部傳輸。表1半?；刹▽?dǎo)周期性漏波天線結(jié)構(gòu)尺寸(單位mm)
權(quán)利要求
一種大角度范圍掃描的周期性漏波天線，其特征在于該天線包括上表面金屬層構(gòu)成的均勻微帶饋線(1)、設(shè)有一排金屬化通孔(21)的中間介質(zhì)層(2)、設(shè)有周期性橫向縫隙(31)的底面金屬層(3)，其中，均勻微帶饋線(1)的兩端分別設(shè)有梯形微帶阻抗變換器(11)，金屬化通孔(21)與均勻微帶饋線(1)、底面金屬層(3)上對應(yīng)的孔相連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大角度范圍掃描的周期性漏波天線，其特征在于所述均勻微 帶饋線⑴上，一排金屬化通孔(21)的各金屬化通孔的直徑d為1/8-1/10波導(dǎo)寬度w，金 屬化通孔的間距s為3/2通孔直徑d，梯形微帶阻抗變換器的長度It為1/4中心頻率波導(dǎo) 波長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大角度范圍掃描的周期性漏波天線，其特征在于底面金屬層 (3)上，縫隙單元的間距D為中心頻率對應(yīng)的真空中波長的1/8-1/2，縫隙單元的寬度W為 真空中波長的1/20-1/10，縫隙單元的長度L為波導(dǎo)寬度w的1/10-4/5。
全文摘要
大角度范圍掃描的周期性漏波天線是一種頻率掃描天線，適用于具有波束掃描功能的微波毫米波天饋系統(tǒng)，如智能天線和雷達(dá)等。該天線包括上表面金屬層構(gòu)成的均勻微帶饋線(1)、設(shè)有一排金屬化通孔(21)的中間介質(zhì)層(2)、設(shè)有周期性橫向縫隙(31)的底面金屬層(3)，其中，均勻微帶饋線(1)的兩端分別設(shè)有梯形微帶阻抗變換器(11)，金屬化通孔(21)與均勻微帶饋線(1)、底面金屬層(3)上對應(yīng)的孔相連通。在性能上具有低損耗，在結(jié)構(gòu)上具有輪廓低、重量輕、易集成、易共性等優(yōu)點(diǎn)，這類天線能夠應(yīng)用于地基或者移動平臺上(如飛機(jī))的天饋系統(tǒng)。
文檔編號H01Q13/20GK101938040SQ20101023773
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月27日
發(fā)明者克利斯托弗·夫莫, 洪偉, 賴清華 申請人:東南大學(xué)