增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线

本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线。

背景技术：

微带漏波天线剖面低、易于制造且具有频率扫描功能。但是现有的微带漏波天线仅能实现前向扫描，波束扫描范围较小，现有技术中为了实现前后向扫描，所使用的漏波天线结构主波束在边射方向扫描时容易发生“开路阻带”(openstopband)现象，即波束扫描至边射方向时通常会发生增益的衰减，增益在工作频带内突变起伏，导致方向图退化。

技术实现要素：

针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线，包括：

介质板；所述介质板包括第一表面和第二表面；

金属传输线；所述金属传输线设置在所述介质板的第一表面；

多个金属双短截线组；所述金属双短截线组包括相互平行的第一金属短截线和第二金属短截线，各所述金属双短截线组均设置在所述介质板的第一表面，各所述金属双短截线组周期性地分布在所述金属传输线两侧，各所述金属双短截线组中的所述第一金属短截线和所述第二金属短截线均与所述金属传输线连接，位于所述金属传输线同一侧的相邻两个所述金属双短截线组之间的距离，大于同一金属双短截线组中的所述第一金属短截线与所述第二金属短截线之间的距离；

金属地板；所述金属地板设置在所述介质板的第二表面。

进一步地，所述介质板包括空气介质或固体介质。

进一步地，增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线还包括：

第一馈电接头；所述第一馈电接头与所述金属传输线的一端连接，所述第一馈电接头用于接收馈入信号；

第二馈电接头；所述第二馈电接头与所述金属传输线的另一端连接，所述第二馈电接头用于连接到负载。

进一步地，所述负载为50ω的纯电阻负载。

进一步地，各所述第一金属短截线和各所述第二金属短截线均与所述金属传输线垂直。

进一步地，各所述金属双短截线组在所述金属传输线一侧的分布与在所述金属传输线另一侧的分布之间存在相位差。

进一步地，所述相位差为180度。

进一步地，同一所述金属双短截线组中的所述第一金属短截线与所述第二金属短截线之间的距离等于工作波长的四分之一。

本发明的有益效果是：实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线能够实现天线主波束的前后向扫描这一基本性能，通过使用周期结构阻抗匹配，能够将开路阻带的影响降低到可以忽略不计，解决了边射方向的增益衰减问题，使天线在宽频率范围内保持增益平稳，增加了工作频带。

实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线中，金属双短截线组中的一根金属短截线能够吸收另一根金属短截线引起的反射波，因此具有良好的阻抗匹配性能，天线整体的阻抗特性主要由金属双短截线组中第一金属短截线和第二金属短截线的长度和宽度确定，因此容易根据使用需要设计合理的金属短截线长度和宽度，从而容易获得所需要的阻抗特性，增加了双短截线可进行阻抗匹配的范围。

附图说明

图1、图3和图4为实施例中增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线的结构图；

图2为实施例中金属双短截线组的结构图；

图5为作为一种对比例的天线的结构图；

图6为图5中的天线的等效电路图；

图7为图2中的金属双短截线组的等效电路图；

图8是图1所示天线和图5所示天线的导纳对比示意图；

图9是图1所示天线和图5所示天线的反射系数对比示意图；

图10是图5所示天线的边射扫描附近的e面方向图(有衰减)；

图11是图1所示天线的边射扫描附近的e面方向图(无衰减)；

图12是图1所示天线的e面方向图(前后向扫描)；

图13是图1所示天线和图5所示天线的传播常数曲线对比示意图；

图14是图1所示天线和图5所示天线的s11系数对比示意图；

图15是图1所示天线的阻抗曲线图。

具体实施方式

本实施例中，增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线如图1所示，其包括介质板、金属传输线、金属地板和多个金属双短截线组。其中介质板可以视为是一个长方体，其内包括空气介质或固体介质，介质板的其中一个表面积较大的表面为第一表面，与第一表面相对的表面为第二表面。

参照图1，金属传输线设置在介质板的第一表面，金属传输线两侧周期性地分布设置多个金属双短截线组。每个金属双短截线组的结构如图2所示，其包括相互平行的第一金属短截线和第二金属短截线，第一金属短截线和第二金属短截线均与金属传输线连接，各第一金属短截线和各第二金属短截线均与金属传输线垂直。参照图1，位于金属传输线同一侧的相邻两个金属双短截线组之间的距离，大于同一金属双短截线组中的第一金属短截线与第二金属短截线之间的距离。

参照图3，金属地板设置在介质板的第二表面。

本实施例中，金属传输线、金属双短截线组和金属地板是通过印刷电路工艺或者微带工艺在介质板上制作出来的。

参照图1和图4，天线还包括第一馈电接头和第二馈电接头，第一馈电接头与金属传输线的一端连接，第二馈电接头与金属传输线的另一端连接。当使用天线时，将第一馈电接头连接到信号源，第一馈电接头接收高频的馈入信号；将第二馈电接头连接到50ω的纯电阻负载，可以减小传输线终端反射。

参照图1，各金属双短截线组在金属传输线一侧的分布与在金属传输线另一侧的分布之间存在相位差，即位于金属传输线一侧的各金属双短截线组，与位于金属传输线另一侧的各金属双短截线组之间存在错位。具体地，相位差为180度，即对于金属传输线上的某一处位置，其一侧有金属双短截线组，而另一侧没有金属双短截线组。

本实施例中，同一金属双短截线组中的第一金属短截线与第二金属短截线之间的距离，等于天线的工作波长λ的四分之一，即同一金属双短截线组中的第一金属短截线与第二金属短截线之间的距离为

本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线的工作原理，可以根据图5所示的天线的工作原理进行说明。图5所示的天线等效于图6所示的电路，其中d为图5所示天线中相邻两根短截线之间的传输线的长度，d1、d2为短截线的长度，y1为第一根短截线的导纳，y2为第二根短截线的导纳，b1为第一根短截线的电纳，b2为第二根短截线的电纳，yl是负载导纳，并且yl可以表示为yl＝gl+jbl，y1可以表示为y1＝gl+j(bl+b1)。经过长度为d的传输线的转换，恰好落在第二个短截线的右方，导纳为：

式中，t＝tanβd，在该点，y2的实部必须等于y0，从而得出公式：

当d被固定时第一根短截线的电纳为：

第二根短截线的电纳为：

则对应开路短截线长度为：

由式可得短截线之间的距离d存在一定限制。当d为一定长度时，会产生负载导纳被禁用的区域，在这个区域内无论如何调节双短截线的长度，都无法达到匹配的效果，这个区域被称为匹配盲区。当短截线间距接近0或时，匹配网络对频率很灵敏，所以实际应用时通常只能将两个短截线的间距d选为或也就是说，对于图5所示电路，其短截线之的间距的选择具有较大局限性。

本实施例中，使用的图2中的金属双短截线组所对应的双端口网络集总参数等效电路如图7所示，其对应的abcd矩阵为：

定义βtl为均匀微带传输线的相位常数，l是传输线的距离，对于电长度为θ＝βtll的均匀微带传输线，其二端口网络的abcd矩阵可表示为：

这样，图7所示电路对应的abcd矩阵为：

其中

通过公式转换得：

其中，s11可以表示回波损耗。

当y2-y1+y1y2＝0时，s11＝0。令y＝y2-y1+y1y2，对图1所示的天线，也就是本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线进行仿真，所测得的参数y的图像如图8所示，由图8可知，由于本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线应用了金属双短截线组，可以令从而获得较小的s11。

本实施例中，对图1所示电路(及本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线，对应“双短截线结构”)以及图5所示电路(对应“单短截线结构”、“交错短截线结构”)进行仿真，所得结果如图9-15所示。

参照图9，初始结构在6.5ghz-8.1ghz的反射系数大于-10db，说明该频段的输入能量大部分被反射。本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线在整个工作频段都有|s11|<-10db，此时结构上大部分能量都被有效辐射。

根据图9可以发现主波束扫描到边射方向会出现增益衰减，而图10说明本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线可以实现边射方向无衰减的扫描。图11表明本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线可以在-30°到45°范围内连续扫描，且保持增益均衡。图12是图1所示天线的e面方向图(前后向扫描)。

图1所示天线与图5所示天线分别对应的传播常数如图13所示，由图13可知，图1所示天线即本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线的相位常数更平滑，而衰减常数没有突起，这是因为开路阻带被抑制，能量衰减减小，可以在整个工作范围内保持增益平稳。

由图14可知，由于图1所示天线即本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线中，相邻两条短截线之间的相隔距离等于天线的中心频率对应工作波长λ的四分之一即一条短截线引起的反射波可以被另一条短截线有效吸收，当两短截线之间的距离为时，由公式得匹配盲区为即使是在的情况下，参照图15，图1所示天线即本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线依然能实现阻抗匹配，减小反射，并最终将s11降低到-10db以下，由此可以看到，通过本实施例中的结构，图1所示天线即本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线突破了传统天线的公式限制，能够获得更低的s11。

本实施例中，天线整体的阻抗特性由金属双短截线的长度以及两者之间的距离确定，因此可以通过调整金属双短截线的长度以及两者之间的距离，控制天线整体的阻抗特性，例如为金属双短截线组中的第一金属短截线和第二金属短截线设计合适的长度和宽度，可以减少以至消除级联阻抗和并联导纳的影响，从而改善回波损耗和主波束增益等参数。

本实施例中，天线的衰减常数和相位常数由金属双短截线组和金属传输线的尺寸、介质板的厚度及其相对介电常数等参数确定，因此可以根据实际使用需要，设计金属双短截线组和金属传输线的尺寸、介质板的厚度及其相对介电常数等参数。

本实施例中，通过使用周期性双短截线结构，由于金属双短截线组中的一根金属短截线能够吸收另一根金属短截线引起的反射波，因此具有良好的阻抗匹配性能。而且，天线整体的阻抗特性主要由金属双短截线组中第一金属短截线和第二金属短截线的长度和宽度确定，因此容易根据使用需要设计合理的金属短截线长度和宽度，从而容易获得所需要的阻抗特性，增加了双短截线可进行阻抗匹配的范围。本实施例中的增益均衡的周期性双短截线结构微带漏波天线，能够实现天线主波束的前后向扫描这一基本性能，通过使用周期结构阻抗匹配，能够将开路阻带的影响降低到可以忽略不计，解决了边射方向的增益衰减问题，使天线在宽频率范围内保持增益平稳，增加了工作频带。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。