一种基于铁电薄膜的波束扫描天线

本发明涉及微波信号发射技术领域，特别是一种基于铁电薄膜的波束扫描天线。

背景技术：

随着万物互联时代的到来，无线通讯信息容量迅猛增长。无线通讯系统要求能制造出集成度更高、工作特性更稳定、功能更多样化的微波天线。漏波天线由于低剖面、高增益、低成本等特性受到研究者和工业界的青睐。然而传统漏波微波天线随着加工的完成，其功能即已固定，无法实时调控，这不利于复杂的应用场景下微波天线的应用。因此，工业界对单频点下可动态实现调谐的微波漏波天线迫切需求，固定频率下漏波操纵的实时性也是漏波天线领域的热点问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种基于铁电薄膜的波束扫描天线。本发明结构简单，传输损耗低、带宽灵活可控，波束扫描角大，抗电磁干扰能力强，有效适应了可控微波漏波天线的发展。

本发明的技术方案。一种基于铁电薄膜的波束扫描天线，包括介质板、介质板表面叠放有两层辐射段金属微带链，两层辐射段金属微带链间经铁电薄膜耦合；所述的辐射段金属微带链由沿介质板长度方向依次排列的微带组件构成；所述的微带组件包括一个以上沿介质板长度方向依次排列的微带单元，相邻两微带单元间设有辐射段耦合间隙；所述微带单元顶、底端的外边缘分别设有辐射段矩形凹槽，处于顶、底端的辐射段矩形凹槽沿介质板长度方向的中轴线对称，处于微带单元顶、底端的外边缘还沿介质板长度方向逐渐向中轴线靠拢。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的辐射段金属微带链一端还经过渡段微带与共面波导段微带连接，过渡段微带顶、底端分别设有沿中轴线对称的过渡段矩形凹槽，处于同一侧的过渡段矩形凹槽的槽底构成一条沿介质板长度方向逐渐向中轴线靠拢的倾斜直线。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的过渡段微带和共面波导段微带两侧还对称分布有金属地。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的金属地的边缘沿介质板长度方向呈渐开曲线。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的金属地与共面波导段微带间设有波导段耦合间隙。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的波导段耦合间隙为0.1～0.5mm。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的辐射段金属微带链的长度为60～240mm；辐射段矩形凹槽的宽度为0.15～5mm，深度为0.05～10.0mm；同一微带组件内相邻两辐射段矩形凹槽的间距为5～50mm；辐射段耦合间隙为0.01～0.1mm。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的介质板厚度为0.05～2.0mm。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的铁电薄膜厚度为0.01～0.05mm。

前述的基于铁电薄膜的波束扫描天线中，所述的过渡段矩形凹槽的宽度为0.15～5mm，深度为0.05～10.0mm，相邻过渡段矩形凹槽的间距为5～50mm。

有益效果

与现有技术相比，本发明的辐射段金属微带链利用了周期性镜像对称排布的辐射段矩形凹槽形成的人工等离激元传输线馈电，实现天线的辐射，其结构简单；再利用铁电薄膜在外加电场下的介电常数的变化，调整辐射单元的相位，从而可实时调控波束辐射方向，实现固定频率下天线方向图的可控性。此外，该矩形凹槽结构能让电磁场在平面传输时被束缚在矩形槽周围，从而大大降低了外界的电磁干扰，使得本发明抗干扰能力大大增强；同时通过改变辐射段矩形凹槽的凹槽深度对表面阻抗的周期性调制，可以有效地调制辐射段的表面阻抗，使导行电磁场转换成具有频率扫描特性的漏波辐射，并且辐射方向取决于表面阻抗的调制梯度。

本发明引入过渡段微带来连接共面波导段微带与辐射段金属微带链，实现了电磁场在l1段和l3段中传播的平稳过渡，避免了电磁场由准tem模式(l1段)转化为人工等离激元模式(l3段)传播时因模式和阻抗不匹配而出现的强烈的微波电场反射。此外，本发明中为了提升l2段的过渡效果，发明人经过大量调试，最终得出，当处于同一侧的过渡段矩形凹槽的槽底构成一条沿介质板长度方向逐渐向中轴线靠拢的倾斜直线时，过渡效果最佳，此时l2段的长度控制在10～50mm。

综上所述，本发明结构简单，传输损耗低、带宽灵活可控，波束扫描角大，抗电磁干扰能力强，有效适应了可控微波漏波天线的发展。

为了更好地证明本发明的有益效果，申请进行了如下实验：申请人设计一个具有固定频点波束扫描特性的基于铁电薄膜的带矩形槽结构和通过缝隙耦合的漏波天线样品，正面结构如图1，样品的参数如表1。

表1具有波束扫描特性的基于铁电薄膜的带矩形槽结构和通过缝隙耦合的漏波天线样品各部分参数(单位：mm)

该样品的介质板采用介电常数为2.2的介质基片，对该漏波天线样品散射参数及远场辐射特性采用有限积分的计算结果如图3～6所示。图中s11为天线反射系数，列举了该天线阵样品工作频段中的反射特性，其中当铁电薄膜介电常数为100时，天线反射小于-10db的频带范围为3.4～11.95ghz，当加载可调铁电薄膜后，天线辐射段引入可控相位，天线方向图发生变化，如图4～5所示。由图5可知，随着外加偏压的变化铁电薄膜的介电常数可由100动态连续调节至900，铁电薄膜介电常数及辐射段相位发生变化，天线波束可在固定频点发生扫描，而且其扫描角度可以由铁电薄膜的外置偏压方便的调节。使该天线具备固定频率下的波束扫描功能。对图1天线阵样品工作于6ghz时的远场电场分布做计算，其波束实时扫描角度可以从32°连续变化到19°，漏波天线增益大于7.5dbi，且漏波天线辐射效率均大于90％，如图6所示。人工等离激元辐射段(l3段)在工作时，电场能量被局域于波导矩形槽的周围，向四周扩散很小，这使得天线阵抗电磁干扰的能力大大加强。

附图说明

图1是本发明的天线的正面结构示意图；

图2是本发明的天线侧面结构示意图；

图3矩形槽深h＝3mm时，天线阵s11参数曲线随复合薄膜介电常数的变化；

图4工作频率6ghz，铁电薄膜介电常数er＝300时，天线远场电场分布图；

图5er随外场变化时，天线波束远场在固定频点6ghz下的波束扫描图；

图6工作频率6ghz，铁电薄膜介电常数变化时，天线增益及辐射效率图。

附图标记：1-介质板,2-铁电薄膜,3-微带组件,4-微带单元,5-辐射段耦合间隙，6-辐射段矩形凹槽，7-中轴线，8-过渡段矩形凹槽，9-倾斜直线，10-金属地，11-渐开曲线，12-波导段耦合间隙；l1-共面波导段微带，l2-过渡段微带，l3-辐射段金属微带链。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1。一种基于铁电薄膜的波束扫描天线，构成如图1和2所示，包括介质板1、介质板1表面叠放有两层辐射段金属微带链l3，两层辐射段金属微带链l3间经铁电薄膜2耦合；所述的辐射段金属微带链l3由沿介质板1长度方向依次排列的微带组件3构成；所述的微带组件3包括一个以上沿介质板1长度方向依次排列的微带单元4，相邻两微带单元4间设有辐射段耦合间隙5；所述微带单元4顶、底端的外边缘分别设有辐射段矩形凹槽6，处于顶、底端的辐射段矩形凹槽6沿介质板1长度方向的中轴线7对称，处于微带单元4顶、底端的外边缘还沿介质板1长度方向逐渐向中轴线7靠拢，该靠拢结构会使辐射段矩形凹槽6槽深渐次递减。

上述的两层辐射段金属微带链l3间经铁电薄膜2耦合(即经铁电薄膜2耦合)，目的是使其在人工等离激元辐射段中引入实时可控的相位梯度。相位梯度的值能通过外加偏压动态变化，从而实时调控天线的相位梯度，实现漏波天线的波束扫描。

上述的辐射段矩形凹槽6沿介质板1长度方向呈周期变化，形成人工等离表面激元；基于辐射段矩形凹槽6的槽深的周期调制可实现表面阻抗的周期调制，从而实现天线的辐射，即周期性矩形槽具有微波辐射模式。辐射段金属微带链l3的耦合通过铁电薄膜8完成，通过对铁电薄膜8施加直流偏置电压实现漏波天线的固定频率波束扫描；该结构的原理是利用基于铁电薄膜的加载，可以通过外加偏置电压的控制铁电薄膜的介电常数等电学参数，从而可以连续控制辐射段的相位变化梯度，在辐射段中引入连续可调的相位常数，从而该辐射段就可以给漏波天线不同的辐射波束，实现固定频点的波束扫描。

前述的辐射段金属微带链l3一端还经过渡段微带l2与共面波导段微带l1连接，过渡段微带l2顶、底端分别设有沿中轴线7对称的过渡段矩形凹槽8，处于同一侧的过渡段矩形凹槽8的槽底构成一条沿介质板1长度方向逐渐向中轴线7靠拢的倾斜直线9。

前述的过渡段微带l2和共面波导段微带l1两侧还对称分布有金属地10。

前述的金属地10的边缘沿介质板1长度方向呈渐开曲线11。

前述的金属地10与共面波导段微带l1间设有波导段耦合间隙12。

前述的波导段耦合间隙12为0.1～0.5mm。

前述的辐射段金属微带链l3的长度为60～240mm；辐射段矩形凹槽6的宽度为0.15～5mm，深度为0.05～10.0mm；同一微带组件3内相邻两辐射段矩形凹槽6的间距为5～50mm；辐射段耦合间隙5为0.01～0.1mm。

前述的介质板1厚度为0.05～2.0mm。

前述的铁电薄膜2厚度为0.01～0.05mm。

前述的过渡段矩形凹槽8的宽度为0.15～5mm，深度为0.05～10.0mm，相邻过渡段矩形凹槽8的间距为5～50mm。

工作原理：准tem模式的电磁场由左边的l1段传输到l2段，在l2段中逐渐渐变为人工等离激元模式的电磁场，且在l2段中准tem模式和sspps模式的电磁场共存，当传输到l3段时，完全转化为sspps模式，并在l3段进行漏波辐射。

为了简化铁电薄膜加载的开槽人工等离激元段模型，本发明选择一条具有周期性调制表面阻抗的h型传输线(即上述的辐射段金属微带链)来实现漏波天线。当l3段的表面阻抗周期性调制时，导行波可以转换为漏波辐射。其辐射角可计算为：

式中，x’＝xs/η0为平均表面电抗，η0为自由空间波阻抗，k0为自由空间波数，xs为等离激元段平均表面电抗，p为调制周期采用等离激元段的一次谐波来产生漏波辐射。漏波天线的辐射角与调制周期p和平均表面电抗xs有关。在本发明中，周期p是固定的，因此天线的辐射角θ-1只依赖于xs。

当施加外电场于铁电薄膜，其介电常数会发生连续变化，造成铁电薄膜在人工等离激元段产生相位梯度，或者说平均表面电抗变化梯度xs，从而形成天线的固定频率下的波束扫描。