基于超表面的波导缝隙频率扫描天线的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，用于解决现有波导缝隙天线因为天线波束的指向在波导行波方向上难以实现窄频带内的宽角度频率扫描而导致的应用范围窄的技术问题；包括矩形波导、波导辐射器和超表面；矩形波导由馈电连接器、第一矩形波导、梯度渐变矩形波导和第二矩形波导依次连接而成，其单侧窄边为开放结构，在该开放结构一侧两个宽边的延伸方向上，连接有两块平行金属板组成的波导辐射器，该矩形波导开放结构一侧镶嵌有超表面，该超表面包括介质板和其表面印制的蚀刻有周期性排布的多个矩形开口环单元的金属贴片。本发明具有窄频带内宽角度波束扫描的特性，可用于雷达卫星等无线通信领域。
【专利说明】
基于超表面的波导缝隙频率扫描天线
技术领域
[0001]本发明属于微波天线技术领域，涉及一种波导缝隙频率扫描天线，具体涉及一种基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，可用于雷达卫星等无线通信领域。
技术背景
[0002]波导缝隙天线是一种在波导边上开有多条缝隙的天线，天线通过缝隙向外空间辐射电磁波，常用的缝隙形式有宽边纵向、横向缝隙和窄边倾斜缝隙等。波导缝隙天线具有口径效率高、馈电形式灵活、结构和性能稳定等优点成为了现代军事通信天线的优选形式，通过利用波导缝隙天线实现波束扫描能够迅速准确地搜索和跟踪空中目标，已经广泛应用于雷达、飞机、卫星等无线通信领域。
[0003]天线波束扫描有机械扫描和电控扫描两种方式，随着无线通信技术的发展，传统的机械扫描天线已经远远不能满足雷达探测和卫星通信等无线通信领域的需求，为了满足日新月异的通信需求，电控扫描天线应运而生；电控扫描天线可分为相位控制扫描天线和频率控制扫描天线，同机械扫描天线相比，具有波束指向灵活、迅速、数据率高和波束扫描时间短等优点，同时实现识别、搜索、跟踪、无源探测和制导等多种功能。
[0004]波导缝隙天线实现天线波束的电控扫描通常采用相位控制扫描，这种方法是把多个波导缝隙天线在波导行波垂直方向上组成天线阵列结构，通过电子移相器对天线阵列进行馈电相位调节，可以实现天线在波导行波垂直方向上的宽角度波束扫描，但是相位控制扫描难以实现天线在波导行波方向上的波束扫描。例如，2010年，路志勇在《中国电子科学研究院学报》，国内刊号为CN11-5118，发表了题为“一维相控阵通信天线设计”的文章，该文章公开了一种多个波导缝隙天线组成阵列的波导缝隙阵天线结构，通过采用电子移相器给波导缝隙阵天线馈电的方式，实现了天线波束在波导行波垂直方向上31°的宽角度的相位控制扫描，但是该结构无法实现波导行波方向上的相位控制扫描。
[0005]另一方面，现有研究通过采用行波型波导缝隙天线，可以实现天线波束在其行波方向上的频率控制扫描，克服了相位控制扫描在波导行波方向上难以通过电子移相器实现天线波束扫描的缺陷，这种设计依赖于工作频率的改变来调节天线的波束指向，但是该种类型的天线在窄频带内波束扫描角度较小，无法实现天线在窄频带内的宽角度波束扫描。例如，2011年，李斌在的《火控雷达技术》，国内刊号为CN61 -1214/T J，发表了题为“频扫单脉冲天线技术研究”的文章，该文章公开了一种行波型波导缝隙天线的结构，采用了波导窄边开缝的方法，实现了天线波束在波导行波方向上的频率控制扫描，但是在7%的相对频带范围内，扫描角度变化只有6°左右，该天线在窄带内波束的扫描范围很小。再如，2012年，EvanD.Cul Iens在《IEEE TRANSACT1NS ON ANTENNAS AND PROPAGAT1N》，国际刊号为ISSN0018-926X，发表了的题为 “Micro-Fabricated 130_180GHz Frequency ScanningWaveguide Arrays”的文章，该文章公开了一种行波型波导缝隙天线的结构，采用了波导宽边开缝的方法，同样实现了天线波束在波导行波方向上的频率控制扫描，但是该天线的波束指向扫描30°需要28%的相对频带，虽然实现了宽角度扫描，但是需要很大的频率带宽，无法实现在窄频带内的宽角度扫描。
[0006]由于雷达等无线通信领域需要波束扫描角度覆盖一定的范围，对于需要宽角度扫描的雷达系统来说，行波型波导缝隙天线在窄频带内小范围的波束扫描无法满足其应用要求;虽然增大频率的带宽可以增加行波型波导缝隙天线的扫描角度，但是其它的窄频带天线无法接收宽频带的电磁波信号，限制了接收天线的类型，而且频率带宽的增加还降低了频带的利用率，因此实现天线波束在波导行波方向上频率扫描的波导缝隙天线的应用范围受到限制。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，利用超表面透射电磁波的角度色散特性，实现波导缝隙天线在波导行波方向上窄频带内的宽角度波束扫描，用于解决现有波导缝隙天线因为天线波束的指向在波导行波方向上难以实现窄频带内的宽角度频率扫描而导致的应用范围窄的技术问题。
[0008]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0009]—种基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，包括矩形波导I，该矩形波导I的单侧窄边开有缝隙，用于辐射电磁波;矩形波导I的单侧窄边为开放结构，在该矩形波导I开放结构一侧两个宽边的延伸方向上，各连接有一块金属板，且该两块金属板平行，构成波导福射器2，在该矩形波导I开放结构一侧，镶嵌有超表面3，且该超表面3与两块金属板垂直，用于实现窄频带内的宽角度波束扫描。
[0010]上述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，矩形波导I，由馈电连接器11、第一矩形波导12、梯度渐变矩形波导13和第二矩形波导14依次连接而成，其中第二矩形波导14的输出端为封闭结构。
[0011 ]上述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，梯度渐变矩形波导13，其两个宽边的形状为直角梯形，该直角梯形的直角边，用于连接波导辐射器2。
[0012]上述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，超表面3，包括介质板31，该介质板31的一个表面上印制有金属贴片，在该金属贴片上蚀刻有周期性排布的多个缝隙开口谐振环单元32。
[0013]上述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，缝隙开口谐振环单元32，其形状为一个短边带有开口的矩形环。
[0014]上述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，超表面3，其印制有金属贴片的表面，朝向矩形波导I空腔的方向，并与该矩形波导I的两个宽边相连。
[0015]本发明与现有技术相比，具有以下优点:
[0016]本发明由于矩形波导的单侧窄边为开放结构，该矩形波导开放结构一侧两个宽边的延伸方向上，连接有两块平行金属板组成的波导辐射器，在该矩形波导开放结构一侧，镶嵌有超表面;其中矩形波导的中间部分采用梯度渐变矩形波导结构，其两个宽边的形状为直角梯形，超表面的印制在介质板上的金属贴片蚀刻有周期性的多个缝隙开口谐振环单元，其形状为一个短边带有开口的矩形环，实现了天线波束的指向在波导行波方向上窄频带内的宽角度扫描，与现有的波导缝隙天线相比，有效地扩大了天线的应用范围。
[0017]仿真结果表明，本发明能够实现天线波束的指向在7%的相对频带范围内扫描30°左右，远大于现有的波导缝隙天线。
【附图说明】
[0018]图1是本发明的整体结构示意图；
[0019]图2是本发明的矩形波导的结构示意图；
[0020]图3是本发明的超表面的结构不意图；
[0021]图4是本发明的缝隙开口谐振环单元的结构示意图；
[0022]图5是本发明的梯度渐变矩形波导中的TEM波斜传播示意图；
[0023]图6是本发明的超表面不同入射角度的频率_321仿真图；
[0024]图7是本发明的频率-VSWR仿真图；
[0025]图8是本发明工作带宽内的频率-辐射角度仿真图；
[0026]图9是本发明不同频率工作下的扫描角度-增益仿真方向图。
【具体实施方式】
[0027]以下结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
[0028]参照图1，本发明包括矩形波导I，波导辐射器2和超表面3，其中矩形波导I和波导辐射器2采用轻质光滑导电率良好的金属材料。矩形波导I的单侧窄边为开放结构，其结构如图2所示，用于给超表面3馈电；在该矩形波导I开放结构一侧两个宽边的延伸方向上，各连接有一块金属板，且该两块金属板平行，构成波导辐射器2，该波导辐射器2长度L = LdL2+L3 = 121mm，宽度W3 = 15mm，平行金属板距离h = 7.9mm;在该矩形波导I开放结构一侧，镶嵌有超表面3，其结构如图3所示，超表面3具有透射角度色散特性，用于辐射电磁波，且该超表面与两块金属板垂直;本发明通过矩形波导I馈电，利用超表面3对电磁波透波角度的色散特性，可以实现天线在窄频带内的宽角度波束扫描。
[0029]参照图2，矩形波导I由馈电连接器11，第一矩形波导12，梯度渐变矩形波导13和第二矩形波导14依次连接而成。馈电连接器11，其四个过孔通过螺丝和WR-62波导固定相连馈电，其中WR-62波导的工作频率范围为12.4GHz-18GHz，另外一侧连接第一矩形波导12;第一矩形波导12高度h = 7.9mm，宽度Wi = 15.8mm，长度Li = 10mm，其单侧窄边为开放结构，接超表面3，输出端接梯度渐变矩形波导13;梯度渐变矩形波导13，其两个宽边的形状为直角梯形，高度h = 7.9mm，两边宽度分别为Wi = 15.8mm和W2 = 9.6mm，长度L2 = 91mm，该直角梯形的直角边一侧为开放结构，接超表面3，输入端和输出端端分别接第一矩形波导12和第二矩形波导14;第二矩形波导14，高度h = 7.9mm，宽度W2 = 9.6mm，长度Li = 20mm，其单侧窄边为开放结构，接超表面3，输入端接梯度渐变矩形波导13，输出端为封闭结构。
[0030]参照图3，超表面3，包括介质板31，该介质板31的一个表面印制有金属贴片，在该金属贴片上蚀刻有周期为d = 3mm的多个缝隙开口谐振环单元32，其结构如图4所示。介质板31高度h为7.9mm，长度L = L1+L2+L3=121mm，材质为FR4，其相对介电常数εr为4.4，厚度t =
0.2mm，高度h = 7.9mm，金属贴片由η = 39个缝隙开口谐振环单元32组成，超表面3印刷有金属贴片的表面朝向矩形波导I空腔的方向。
[0031]参照图4，缝隙开口谐振环单元32，其金属表面为高度h = 7.9mm，宽度d = 3mm的矩形金属贴片。金属贴片蚀刻有形状为一个短边带有开口的矩形环，开口矩形环高度Ch =7.6mm，宽度d2 = 2.7mm，缝宽do = 0.3mm，开口大小 cb = 0.2mm。
[0032]参照图5，本发明的工作原理是，矩形波导中的TEiq模等效于斜入射的TEM波在波导中来回反射叠加而成，其入射角Θ满足关系式cos0 = A/2W，A是指工作频率为f的电磁波在自由空间中的波长，W是波导宽边的长度；当波导宽边W的大小梯度渐变减小时，TEM波的入射角也梯度渐变减小，当W的大小等于波导的截止频率f。时，入射角Θ = 0，相当于垂直入射;通过把角度色散的超表面加载到波导的窄边，利用梯度渐变矩形波导的等效TEM波斜入射角度的渐变作用，从而实现了天线辐射方向的频率扫描特性。参照图2，Wj^大小应当等于WR-62 波导的尺寸， 胃2的大小应当使波导的截止频率 fc 为超表面垂直入射 θ=0 时的谐振频率 fo，其满足W2 = c/2fo，c为光速。
[0033]本发明的工作过程是，矩形波导通过WR-62波导馈电，当电磁波入射到梯度渐变矩形波导13时，可以通过超表面3辐射出来，由于梯度渐变矩形波导13不同位置处的TEM波斜入射角度不同，且超表面3不同入射角透射电磁波的频率不同，因此实现了天线的辐射角度随频率变化而扫描。
[0034]以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明。
[0035]1、仿真内容
[0036]1.1利用商业仿真软件CST MICROWAVE STUD1对上述实施例超表面3的S21参数进行仿真计算，结果如图6所示。
[0037]1.2利用商业仿真软件CST MICROWAVE STUD1对上述实施例波导缝隙天线的VSWR和远场辐射方向图进行仿真计算，结果分别如图7、图8和图9所示。
[0038]2、仿真结果
[0039]参照图6，当超表面3上下方向为理想金属，左右方向周期性排列时，其对入射角为Θ的TEM波具有角度色散特性，其中TEM波的电场矢量E为上下方向，波矢量k与超表面3的法向矢量的夹角为Θ;当入射角Θ分别为O度、15度、45度和60度时，谐振频率从15.35GHz逐渐减小到14.05GHz，可以看出超表面3的谐振频率随着TEM波斜入射角度的增加而逐渐减小，表现出角度色散特性。
[0040]参照图7，当工作频率在14.65GHz和15.65GHz之间时，天线输入端口的电压驻波比在2以下，说明了天线工作在这个频带内，其输入端匹配良好。
[0041 ] 参照图8，当天线的工作频率在14.65GHz-15.65GHz之间连续变化时，可以实现天线波束的指向在1-31度之间连续扫描，在7%的相对频带范围内，扫描角度变化30°左右，远大于现有的行波型波导缝隙天线。
[0042]参照图9，当天线工作在fi= 15.6GHz时，其H面方向图最大指向为3度方向；当天线工作在f2 = 15.2GHz时，其H面方向图最大指向为17度方向；当天线工作在f3 = 14.7GHz时，其H面方向图最大指向为26度方向；可以看出天线波束的指向随着工作频率改变而变化。
[0043]以上仿真结果说明，本发明实现了天线波束的指向在窄频带内的宽角度扫描。
[0044]以上描述仅是本发明的一个具体实施例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本
【发明内容】
和原理后，都可能在不背离发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，包括矩形波导(I)，该矩形波导(I)的单侧窄边开有缝隙，用于辐射电磁波;其特征在于，所述矩形波导(I)的单侧窄边为开放结构，在该矩形波导(I)开放结构一侧两个宽边的延伸方向上，各连接有一块金属板，且该两块金属板平行，构成波导辐射器(2)，在该矩形波导(I)开放结构一侧，镶嵌有超表面(3)，且该超表面(3)与两块金属板垂直，用于实现窄频带内的宽角度波束扫描。2.根据权利要求1所述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，其特征在于，所述矩形波导(I)，由馈电连接器(U)、第一矩形波导(12)、梯度渐变矩形波导(13)和第二矩形波导(14)依次连接而成，其中所述第二矩形波导(14)的输出端为封闭结构。3.根据权利要求2所述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，其特征在于，所述梯度渐变矩形波导(13)，其两个宽边的形状为直角梯形，该直角梯形的直角边，用于连接波导辐射器(2)。4.根据权利要求1所述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，其特征在于，所述超表面(3)，包括介质板(31)，该介质板(31)的一个表面上印制有金属贴片，在该金属贴片上蚀刻有周期性排布的多个缝隙开口谐振环单元(32)。5.根据权利要求4所述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，其特征在于，所述缝隙开口谐振环单元(32)，其形状为一个短边带有开口的矩形环。6.根据权利要求1所述的基于超表面的波导缝隙频率扫描天线，其特征在于，所述超表面(3)，其印制有金属贴片的表面，朝向所述矩形波导(I)空腔的方向，并与该矩形波导(I)的两个宽边相连。
【文档编号】H01Q13/22GK106099380SQ201610473030
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】杨锐, 张澳芳, 李冬, 李佳成, 师阿元, 雷振亚
【申请人】西安电子科技大学