一种近场聚焦圆极化径向线缝隙阵列天线及设计方法

本发明属于电磁场与微波，更进一步涉及无线能量传输中的一种近场聚焦圆极化径向线缝隙阵列天线及设计方法。本发明设计的天线可以提高无线输能系统中电磁聚焦的效率以及具有焦点可控、圆极化可调的特性。

背景技术：

1、在工程实践中，天线设计的关注点为天线的远场辐射特性、效率等方面。传统的天线在辐射近场区域因为功率发散、副瓣较高等原因并不适于通信应用，为了满足某些特定场合的需求，却需要近场聚焦天线。例如在微波热疗方面，天线需要提高病变组织的温度，但不能影响周围健康生物组织。在无线输能系统中，发射天线往往需要具有小尺寸、效率高、传输速率稳定、多设备同时供能等特点。传统的径向线缝隙天线以其剖面低、增益高、损耗小等特点在卫星通信、深空探测等方面具有广阔的应用前景，但是目前大部分径向线缝隙阵列天线设计集中在波束控制、馈源结构设计、快速数值分析等方面。现有的近场聚焦径向线缝隙阵列天线为轴向线极化而非切向圆极化，应用场景受到了限制；或是基于结构复杂的双层径向线阵列天线形式，在加工便捷性和成本方面缺乏优势。

2、mauro ettorre等人发表的论文“on the near-field shaping and focusingcapability of a radial line slot array”(ieee transactions on antennas andpropagation,vol.62,no.4,pp.1991-1999,april 2014.)中提出了一种近场聚焦的径向线缝隙阵列天线及设计方法。该近场聚焦天线采用环形分布的缝隙对布局，辐射电磁波的极化为为轴向/沿天线法向的线极化，而非传统的圆极化或线极化，因而应用场景受限。该设计方法通过快速傅里叶变换推导天线口径场的分布，借助交替投影法和矩量法设计缝隙对的尺寸和位置，计算效率和精度高，据此方法设计的天线能够显著地汇聚能量。但是，该设计方法仍然存在的不足之处是，该设计方法需要编写快速傅里叶变换、交替投影法、矩量法的相关代码，实现过程较为困难。

3、电子科技大学在其申请的专利文献“用于近场聚焦的内向零阶hankel漏波天线”(申请号：cn201710103235.7，申请公布号：cn 1068485821 a)中提出了一种用于近场聚焦的内向零阶hankel漏波天线。该天线主要由径向波导构成，径向波导内部沿径向设置一平行于径向波导底板的圆形金属板，金属板将径向波导分隔为上、下两介质层。该天线的圆形金属板边缘与径向波导内壁之间设置有间隙，间隙沿径向波导周向形成一环形缝隙，径向波导上层介质表面设有用来激励起漏波模式的阻抗表面结构。该天线可以采用不同的阻抗表面实现不同波数的te和tm漏波，设置不同的宽带平面周期性结构消除天线中心的余波，天线具有尺寸小、效率可调等优点。但是，该天线仍然存在的不足之处是，第一，因该天线基于双层径向波导，结构复杂且加工成本较高。第二，该天线聚焦区域的副瓣电平较高，并且没有考虑高次模的影响，没有达到最佳的辐射效率。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种近场聚焦圆极化径向线缝隙阵列天线及设计方法，主要解决的问题是，第一，采用环形分布缝隙对径向线缝隙阵列天线的极化方式固定、应用场景受限的缺点。第二，双层径向线缝隙天线结构带来的原理复杂、加工成本高的问题。第三，近场聚焦hankel漏波天线存在的焦区副瓣电平较高、辐射效率偏低、存在高次模影响的问题。第四，基于电磁算法分析技术不易实现的问题。

2、实现本发明目的的具体思路是：由于本发明的天线采用了螺旋分布缝隙对实现近场聚焦效应，螺旋分布缝隙对辐射的圆极化波既可以接收相同/不同旋向的圆极化波也可以接收线极化波，克服了现有技术采用环形分布缝隙对的天线极化方式固定、应用场景受限的缺点。本发明的天线采用了单层径向波导组成的径向线缝隙阵列天线，单层板结构只含有一个介质层，规避了现有技术采用双层径向波导结构的径向线缝隙阵列天线带来的原理复杂、加工成本高的缺点。本发明的天线具有波导缝隙阵列天线固有的辐射效率高、传输损耗小的优势，并且通过加载短路探针抑制了天线高次模的影响，解决了现有近场聚焦技术采用hankel漏波天线存在的焦区副瓣电平较高、辐射效率偏低、存在高次模影响的问题。本发明的设计方法通过等效分析模型仿真和解析公式计算实现，代码实现的复杂度低，天线设计过程效率高，解决了现有技术电磁算法分析技术不易实现的问题。为实现上述目的，本发明的近场聚焦圆极化径向线缝隙阵列天线，包括介质板、同轴馈电接头、短路探针、以及金属底板。所述的介质板为单面覆铜板，介质板和金属底板之间填充慢波材料；所述介质板的覆铜层中心区域刻蚀1个圆环形缝隙、覆铜层外围区域刻蚀1个螺旋形缝隙、覆铜层上螺旋排布n个矩形缝隙对，n的取值由天线聚焦位置与天线口径大小决定；所述天线通过同轴馈电接头从金属底板的中心进行馈电；所述的短路探针位于圆环形缝隙周围且关于圆环形缝隙成旋转对称分布，短路探针数量为m个，m的取值由同轴馈电接头和圆环形缝隙的尺寸决定。

3、本发明天线设计方法的步骤包括如下：

4、步骤1，确定近场聚焦径向线缝隙阵列天线的口径场幅相分布：

5、根据天线的辐射特性确定其口径场幅度分布，并依口径场幅度分布确定缝隙对的尺寸及位置的取值范围；根据聚焦特性确定天线的口径场相位分布，相位包括由缝隙长度决定的主极化分量的辐射相位以及由径向位置决定的传输相位两组相位之和，并依据相位分布确定矩形缝隙对的补偿相位和对应的移动距离；

6、步骤2，提取辐射单元等效分析模型的端口传输系数和主极化分量辐射相位：

7、建立由缝隙对、介质板、空气层和金属底板组成的周期边界等效分析模型，根据步骤1确定的缝隙尺寸取值范围对应修正等效分析模型中缝隙的尺寸，对等效分析模型进行仿真并提取端口的传输系数和主极化分量的辐射相位；

8、步骤3，根据天线的口径场幅相分布建立端口传输系数、主极化分量的辐射相位、传输相位和缝隙尺寸、位置的对应关系，根据此对应关系修正矩形缝隙对的尺寸和径向位置以实现近场聚焦，矩形缝隙对的对应关系与天线的聚焦特性一一对应。

9、本发明与现有技术相比具有以下优点：

10、第一，本发明的天线采用螺旋分布缝隙对实现近场聚焦效应，通过更改缝隙对布局和缝隙的指向改变焦点位置和圆极化方向，克服了现有技术采用环形分布缝隙对的极化方式固定、应用场景受限的缺点，使得本发明的天线具有极化方式灵活可控、应用场景广阔的优点。

11、第二，由于本发明的天线基于单层径向波导结构实现，克服了现有技术中双层径向波导结构所固有的结构复杂、加工成本高的缺点以及近场聚焦hankel漏波天线存在的焦区副瓣电平较高、辐射效率偏低、存在高次模影响的缺点，使得本发明的天线具有结构简单，加工成本低、焦区副瓣电平低、辐射效率高、高次模影响小的优点。

12、第三，本发明的设计方法通过等效分析模型仿真和解析公式计算来实现，克服了现有技术基于电磁算法分析技术不易实现的缺点，使得本发明的设计方法具有实用性强、操作简单、设计效率高的优点。