一种基于圆形对称开口环的漏波天线

技术领域

本发明属于天线波束扫描技术领域，具体涉及一种基于圆形对称开口环的漏波天线。

背景技术

漏波天线(Leaky-Wave Antenna，LWA)是在主传输线结构上通过连续或周期性加载辐射元，使得主传输线携带的电磁能量不断向自由空间泄露而形成辐射的天线，漏波天线的物理结构将馈电/移相网络与辐射单元进行集成，使得漏波天线的结构更加紧凑；相比于相控阵天线，漏波天线不需要任何外部的T/R组件，具有体积小、重量轻的特点。漏波天线以其独特的窄波束辐射特性和具有波束扫描能力，在微波成像、目标探测和跟踪、高精度点对点通信领域具有广泛的应用前景，目前漏波天线朝着单侧扫描向双侧扫描、高效率、波束扫描连续性方向发展。

目前，频率扫描的漏波天线通过调整两个结构相似但不相同的辐射单元之间间距，使得天线波束扫描至边射方向时保持平稳的增益特性，消除了周期漏波天线的开阻带效应的影响，同时，还利用了高介电常数的介质产生敏感的色散-频率响应，实现了大角度连续波束扫描；但是还存在以下不足：(1)、频率扫描天线的波束扫描角不能实现180度的全空间扫描，并且辐射效率较低；(2)辐射模式较单一，目前现有的绝大多数频率扫描漏波天线都不能实现端射的辐射状态。然而对于现有的固定波束辐射漏波天线不具备频率扫描功能；(3)具备全空间频率扫描特性的漏波天线的相关报道比较罕见，尤其是到目前为止还没有基片集成波导型全空间扫描的漏波天线。

因此，亟需改善现有技术中存在的上述不足。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于圆形对称开口环的漏波天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供一种基于圆形对称开口环的漏波天线，包括多个阵列排布的天线单元，天线单元包括：

第一金属层，第一金属层包括第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构均为镂空结构；第一谐振结构和第二谐振结构用于延长电流路径；

第二金属层，第二金属层包括第三谐振结构和第四谐振结构，第三谐振结构和第四谐振结构均为镂空结构；第三谐振结构和第四谐振结构用于延长电流路径，第三谐振结构与第一谐振结构旋转对称，第四谐振结构与第二谐振结构旋转对称；

介质层，位于第一金属层与第二金属层之间，介质层包括相对设置的两排金属化过孔，金属化过孔用于连接第一金属层和第二金属层，以形成基片集成波导结构。

本发明的有益效果：

(1)本发明提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，延长了电流的有效路径，增加了有效谐振长度，即单位长度内引入了更大的相位差，极大的提高了色散敏感度，使得天线实现扫描角度的提升以及波束全空间扫描占用的频带更窄。

(2)本发明提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，具有更强的切割电流能力，使得衰减常数较大，即单位长度的能量泄露量更多，最终形成有效的天线辐射，进而实现了天线的小型化，同时较大的衰减常数使得天线的辐射能量更多。

(3)本发明提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，实现相位常数β从-k

(4)本发明提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，实现了端向固定波束辐射模式及频率扫描模式的集成，拓展了基片集成波导漏波天线的功能。

(5)本发明提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，实现了双波束的辐射特性，带来了全空间的辐射，实现更广阔的空域覆盖范围。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的漏波天线单元的一种俯视图；

图2是本发明实施例提供的漏波天线单元的一种结构示意图；

图3是本发明实施例提供的漏波天线单元中电流的一种示意图；

图4是本发明实施例提供的漏波天线的一种结构示意图；

图5(a)是本发明实施例提供的相位常数随频率变化的一种示意图；

图5(b)是本发明实施例提供的衰减常数随频率变化的一种示意图；

图6是本发明实施例提供的S参数曲线的一种示意图；

图7(a)是本发明实施例提供的漏波天线的辐射方向图；

图7(b)是本发明实施例提供的可实现增益及辐射效率的示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

现有技术中，对于基片集成波导(Substrate integrated waveguide，SIW)型漏波天线而言，主要存在以下不足：(1)频率扫描天线的波束扫描角不能实现180度的全空间扫描，并且辐射效率较低；(2)辐射模式较单一，目前现有的绝大多数频率扫描漏波天线都不能实现端射的辐射状态。然而对于现有的固定波束辐射漏波天线不具备频率扫描功能；(3)具备全空间频率扫描特性的漏波天线的相关报道比较罕见，尤其是到目前为止还没有基片集成波导型全空间扫描的漏波天线。

有鉴于此，针对现有技术中频率扫描天线、尤其是基于SIW型的频率扫描漏波天线存在的不足，本发明提供一种基于圆形对称开口环的漏波天线，具有全空间扫描、双波束辐射、兼具频率扫描和端射扫描模式、以及高辐射效率的特点。

请参见图1和图2所示，图1是本发明实施例提供的漏波天线单元的一种俯视图，图2是本发明实施例提供的漏波天线单元的一种结构示意图，本发明所提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，包括多个阵列排布的天线单元，天线单元包括：

第一金属层10，第一金属层10包括第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构暴露出第一金属层10；第一谐振结构和第二谐振结构用于延长电流路径；

第二金属层30，第二金属层30包括第三谐振结构和第四谐振结构，第三谐振结构和第四谐振结构暴露出第二金属层30；第三谐振结构和第四谐振结构用于延长电流路径，第三谐振结构与第一谐振结构旋转对称，第四谐振结构与第二谐振结构旋转对称；

介质层20，位于第一金属层10与第二金属层30之间，介质层20包括相对设置的两排金属化过孔21，金属化过孔21用于连接第一金属层10和第二金属层30，以形成基片集成波导结构。

具体而言，请继续参见图1和图2所示，本发明提供的一种基于圆形对称开口环的漏波天线，包括依次层叠设置的第一金属层10、介质层20和第二金属层30，其中，第一金属层10和第二金属层30结构相同，第一金属层10设置有第一谐振结构和第二谐振结构，第一谐振结构和第二谐振结构均为镂空结构，第一谐振结构和第二谐振结构暴露出介质层20，第二金属层30设置有第三谐振结构和第四谐振结构，第三谐振结构和第四谐振结构均为镂空结构，第三谐振结构和第四谐振结构暴露出介质层20，第一谐振层与第三谐振层旋转对称，第二谐振层与第四谐振层旋转对称；介质层20包括相对设置的两排金属化过孔21，且两排金属化过孔21分别位于介质层20沿第一方向的两侧，金属化过孔21用于导电，金属化过孔21连接第一金属层10和第二金属层30，以形成基片集成波导结构；本实施例中，请参考3所示，图3是本发明实施例提供的漏波天线单元中电流的一种示意图，在第一金属层10中设置第一谐振结构和第二谐振结构，能够延长电流的有效路径，有效电流路径长度越长，漏波天线的有效谐振长度也越长，使得相位常数在相同的频率带宽内变化越剧烈，进一步使得天线单元单位长度内引起的相位差更大，极大的提高了色散敏感度，从而提高漏波天线扫描角度，以及波束全空间扫描占用的频带更窄；在第一金属层10中设置第一谐振结构和第二谐振结构，在第二金属层30中设置第三谐振结构和第四谐振结构，实现了双波束的辐射特性，带来全空间的辐射，实现更广阔的空域覆盖范围。

需要说明的是，图1所示实施例仅示意性示出了第一金属层10、介质层20和第二金属层30的一种位置示意图，并不代表实际尺寸；图2所示实施例仅示意性示出了第一金属层10和第二金属层30中谐振结构的一种示意图，并不代表实际尺寸；图2所示实施例仅示意性示出了介质层20中两排金属化过孔21的一种结构示意图，并不代表其实际尺寸；图3所示实施例仅示意性示出了电流的一种路径示意图，并不代表其实际情况。

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图1～图3所示，第一谐振结构在第一金属层10的投影为长方形，第二谐振结构在第一金属层10的投影为圆形，且第一谐振结构与第二谐振结构通过通道连通。

具体而言，请继续参见图1～图3所示，本实施例中，第一谐振结构在第一金属层10的投影为长方形，第二谐振结构在第一金属层10的投影为圆形，且包括沿第一谐振结构对称的两个圆形，第二谐振结构包括的两个圆形图案与第一谐振结构通过通道连通，第一谐振结构与第二谐振结构均沿垂直于第一金属层10厚度方向贯穿第一金属层10；请继续参见图3所示，设置有第一谐振结构和第二谐振结构的电流的有效路径相比于不设置谐振结构的电流有效路径更长，更能增加有效谐振长度，有效电流路径长度越长，漏波天线的有效谐振长度也越长，使得相位常数在相同的频率带宽内变化越剧烈，进一步使得天线单元单位长度内引起的相位差更大，极大的提高了色散敏感度，从而提高漏波天线扫描角度，以及波束全空间扫描占用的频带更窄；另一方面，将第一谐振结构设置为长方形，将第二谐振结构设置为圆形，使得相位常数在相同的带宽内变化越激烈，切割电流的能力越强，衰减常数越大，即单位长度的能量泄漏更多，最终形成有效的天线辐射，实现天线的小型化，同时较大的衰减常数造成了天线的辐射能量更多。

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图1和图2所示，第一谐振结构沿第一方向的尺寸为3.5mm～4.5mm，第一谐振结构沿第二方向的尺寸为0.2mm～0.3mm，第一谐振结构沿第三方向的尺寸为0.03mm～0.05mm；其中，第一方向、第二方向相交和第三方向均相交。

具体而言，请继续参见图1和图2所示，本实施例中，第一谐振结构沿第一方向的尺寸l

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图1和图2所示，第二谐振结构在第一金属层10的圆形投影的直径为1mm～1.5mm，通道沿第一方向的尺寸为0.08mm～0.12mm，第一谐振结构在第一金属层10的长方形投影的中心点与通道的垂直距离为0.3mm～0.7mm。

具体而言，请继续参见图1和图2所示，本实施例中，第二谐振结构在第一金属层10的圆形投影的直径D为1.2mm，通道沿第一方向的尺寸g为0.1mm，第一谐振结构在第一金属层10的长方形投影的中心点与通道的垂直距离d

在本发明的一种可选地实施例，请继续参见图1和图2所示，天线单元沿第一方向的尺寸为5mm～9mm，天线单元沿第二方向的尺寸为3.5mm～5.5mm。

具体而言，请继续参见图1和图2所示，本实施例中，天线单元沿第一方向的尺寸w

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图1和图2所示，金属化过孔21的直径为0.4mm～0.8mm，相邻金属化过孔21的中线点之间的距离为0.3mm～0.7mm。

具体而言，请继续参见图1和图2所示，本实施例中，金属化过孔21的直径d为0.6mm，相邻金属化过孔21的中线点之间的距离s为0.5mm。

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图1和图2所示，第一谐振结构与第三谐振结构的旋转对称角度为180°，第二谐振结构与第四谐振结构的旋转对称角度为180°。

在本发明的一种可选地实施例中，请参见图4所示，图4是本发明实施例提供的漏波天线的一种结构示意图，还包括：转换结构，位于阵列排布的天线单元的两侧，转换结构与第一金属层10固定连接，转换结构用于将微带传输线转换为基片集成波导传输线。

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图4所示，转换结构包括固定连接的第一支部和第二支部，第二支部位于第一支部与第一金属层10之间；第二支部沿第三方向的尺寸渐变，由第一支部指向第二支部的方向逐渐变大；第一支部沿第三方向的尺寸为1.3mm～1.7mm，第一支部沿第二方向的尺寸为2mm～4mm，第二支部靠近第一金属层10的一侧沿第三方向的尺寸为1.8mm～2.2mm，第二支部沿第二方向的尺寸为3mm～5mm。

具体而言，请继续参见图4所示，本实施例中，第一支部沿第三方向的尺寸w

需要说明的是，天线的整体的长度L为104mm，为8.67λ

在本发明的一种可选地实施例中，请继续参见图2所示，介质层20沿第三方向的尺寸为0.4mm～0.6mm，且介质层20的介电常数为2.2。

具体而言，请继续参见图2所示，本实施例中，介质层20沿第三方向的尺寸h为0.508mm，介质层20的介电常数为2.2。

在本发明的一种可选地实施例中，对上述实施例提供的天线单元进行色散仿真，探究天线单元的相位常数与衰减常数随着频率的变化情况，请参见图5(a)～5(b)所示，图5(a)是本发明实施例提供的相位常数随频率变化的一种示意图，图5(b)是本发明实施例提供的衰减常数随频率变化的一种示意图；由图5(a)可见，天线单元在21.2GHz～29.8GHz的范围内实现相位常数β从-k

需要说明的是，相位常数β是描述传输线上传播的电磁波在传播中相位变化的物理量，如果实现全空间扫描，则相位常数β从-k

在本发明的一种可选地实施例中，对上述实施例提供的漏波天线进行S参数仿真，得到S参数曲线，请参见图6所示，图6是本发明实施例提供的S参数曲线的一种示意图，由图6可见，漏波天线在整个工作频段21.4GHz～29.6GHz范围内S

在本发明的一种可选地实施例中，对上述实施例提供的漏波天线进行辐射特性的仿真，得到辐射方向图和可实现增益及效率的仿真曲线，请参见图7(a)～图7(b)所示，图7(a)是本发明实施例提供的漏波天线的辐射方向图，图7(b)是本发明实施例提供的可实现增益及辐射效率的示意图，由图7(a)所示，漏波天线在整个工作频段21.6GHz～29.4GHz可实现-90°～+90°的全空间扫描特性，各频点处副瓣较小，端射频点的前后比小于15dB，实现了端向固定波束辐射模式及频率扫描模式的集成，拓展了基片集成波导漏波天线的功能；由图7(b)所示，漏波天线的辐射效率的变化范围是61％～92％，均值为85％；从天线增益来看，后向端射频点的增益较高，这是由于双波束合成为单波束，方向性得到显著提升，结合较高的辐射效率形成高增益特性。随着频率升高，单波束分裂为双波束，增益有所下降，频率升至前向端射频点时，由于辐射效率较低，且天线长度相比于计算的有效辐射长度较小，天线辐射口径受限，结合欠佳的反射系数，导致增益下降，但仍能实现8.5dBi～12.4dBi的波动范围，说明该天线具备稳定增益特性的全空间扫描能力。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。