提高輻射效率的漏波天線及該漏波天線的設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種提高輻射效率的漏波天線及該漏波天線的設計方法，漏波天線包括：功分器和由周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成的天線陣列，第一漏波天線與第二漏波天線不同，第一漏波天線與第二漏波天線的輻射方向相同，天線陣列中的某個第一漏波天線或第二漏波天線，饋入外部能量并進行輻射，另一端將輻射后的剩余能量通過功分器分別饋入兩側相鄰的漏波天線；由饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線向兩側方向的漏波天線依次分別進行輻射并將輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線，直至輻射效率滿足設計要求或天線陣列最外側的漏波天線已進行輻射。本發(fā)明可提高漏波天線的輻射效率。
【專利說明】
提高輻射效率的漏波天線及該漏波天線的設計方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及電子及通信技術領域。更具體地，涉及一種提高輻射效率的漏波天線及該漏波天線的設計方法。
【背景技術】
[0002]漏波天線具有頻率掃描能力，很強的方向性，以及饋電結構簡單等優(yōu)點。然而，一般的漏波天線輻射效率都比較低，因為當能量到達天線末端時，只有一部分能量被漏泄輻射出去，剩余的能量則需要由末端的匹配負載吸收。為了提高其輻射效率，一種基本的方式是增加天線長度，然而對于典型的漏泄常數(shù)來說，想要達到90%的輻射效率，天線需要長達8-10個波長。而這樣的尺寸在大多數(shù)微波無線系統(tǒng)中是不切實際的。
[0003]現(xiàn)有的可提高漏波天線輻射效率的方式有:在天線外部加入一個環(huán)形耦合器，將天線末端的能量回收利用重新饋入始端，從而提高整個系統(tǒng)的輻射效率;另一種方式也是采用天線陣列的形式，將末端剩余的能量重新正向饋入多個具有同樣結構的天線，通過多次輻射達到提高輻射效率的效果。然而前者結構設計復雜，后者傳輸網(wǎng)絡復雜，整體結構不夠緊湊簡潔。
[0004]因此，需要提供一種結構簡單、功分方便的提高輻射效率的漏波天線及該漏波天線的設計方法。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種提高輻射效率的漏波天線及該漏波天線的設計方法，能夠有效地提高輻射效率和增益，解決現(xiàn)有技術中提高輻射效率的方式結構設計復雜、實現(xiàn)困難等問題，同時擴大漏波天線的應用場合和實用范圍。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用下述技術方案:
[0007]—種提高輻射效率的漏波天線，該漏波天線包括:
[0008]功分器和由周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成的天線陣列；
[0009]第一漏波天線與第二漏波天線的類型不同，第一漏波天線與第二漏波天線的輻射方向相同；
[0010]天線陣列中的某個第一漏波天線或第二漏波天線，饋入外部能量并進行輻射，另一端將輻射后的剩余能量通過功分器分別饋入兩側相鄰的漏波天線；由饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線向兩側方向的漏波天線依次分別進行輻射并將輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線，直至輻射效率滿足設計要求或天線陣列最外側的漏波天線已進行輻射。
[0011]優(yōu)選地，正端饋入剩余能量的漏波天線的負端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的負端，負端饋入剩余能量的漏波天線的正端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的正端。
[0012]優(yōu)選地，所述天線陣列為平面天線陣列。
[0013]優(yōu)選地，饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線位于天線陣列的中心。
[0014]優(yōu)選地，所述周期結構的第一漏波天線和所述周期結構的第二漏波天線分別為周期結構的基波輻射漏波天線、周期結構的-1次諧波輻射漏波天線或周期結構的左右手傳輸線漏波天線。
[0015]一種提高輻射效率的漏波天線的設計方法，包括如下步驟:
[0016]設計周期結構的第一漏波天線的結構參數(shù)，使其波束指向角度為θ0;
[0017]設計周期結構的第二漏波天線的結構參數(shù)，使其波束指向角度為，第一漏波天線與第二漏波天線的類型不同；
[0018]調整并優(yōu)化第二漏波天線的結構參數(shù)，使其波束指向角度與第一漏波天線的波束指向角度為θο相反；
[0019]將周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成天線陣列；
[0020]在天線陣列中饋入外部能量的漏波天線的負端與天線陣列中心的漏波天線的兩側相鄰的漏波天線的負端之間設置功分器，調整并優(yōu)化功分器的結構參數(shù)，使天線陣列中饋入外部能量的漏波天線進行輻射后的剩余能量無損耗地反向饋入到兩側相鄰的漏波天線的負端。
[0021]優(yōu)選地，正端饋入剩余能量的漏波天線的負端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的負端，負端饋入剩余能量的漏波天線的正端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的正端。
[0022]優(yōu)選地，周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成的天線陣列為平面天線陣列。
[0023]優(yōu)選地，饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線位于天線陣列的中心。
[0024]優(yōu)選地，所述周期結構的第一漏波天線和所述周期結構的第二漏波天線分別為周期結構的基波輻射漏波天線、周期結構的-1次諧波輻射漏波天線或周期結構的左右手傳輸線漏波天線。
[0025]本發(fā)明的有益效果如下:
[0026]本發(fā)明所述技術方案具有原理明確、設計簡單的優(yōu)點，可以按照具體所需的輻射效率和方向圖進行天線結構參數(shù)的設計以及陣列大小的選擇，從而可以顯著地提高漏波天線輻射效率和增益，直到滿足設計要求為止。同時，本發(fā)明所述技術方案結構緊湊、饋電簡單，易于加工和批量生產，具有更好的實用性。
【附圖說明】
[0027]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步詳細的說明。
[0028]圖1示出提高輻射效率的漏波天線的整體設計方案示意圖。
[0029]圖2示出提高輻射效率的漏波天線中周期結構的基波輻射漏波天線的結構示意圖。
[0030]圖3示出提高輻射效率的漏波天線中周期結構的基波輻射漏波天線的增益方向圖。
[0031]圖4示出提高輻射效率的漏波天線中周期結構的-1次諧波輻射漏波天線的結構示意圖。
[0032 ]圖5示出提高輻射效率的漏波天線中周期結構的-1次諧波輻射漏波天線的增益方向圖。
[0033]圖6示出提高輻射效率的漏波天線中天線末端的功分器的結構示意圖。
[0034]圖7示出提高輻射效率的漏波天線中天線末端的功分器的散射參數(shù)。
[0035]圖8示出提高輻射效率的漏波天線中3X I天線陣列的總體結構示意圖。
[0036]圖9示出提高輻射效率的漏波天線中3X I天線陣列的增益方向圖。
【具體實施方式】
[0037]為了更清楚地說明本發(fā)明，下面結合優(yōu)選實施例和附圖對本發(fā)明做進一步的說明。附圖中相似的部件以相同的附圖標記進行表示。本領域技術人員應當理解，下面所具體描述的內容是說明性的而非限制性的，不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0038]采用基波輻射方式的傳統(tǒng)漏波天線，其輻射主瓣方向是固定不變。然而對于周期均勻的縫隙漏波天線而言，當在適當范圍內改變縫隙周期P時，除了基波輻射外，其它空間諧波也可能產生輻射，并且輻射諧波的傳播常數(shù)會隨周期顯著改變，因而可通過改變周期實現(xiàn)空間諧波波束指向的變化。同時，通過合理地選擇介電常數(shù)并設計天線結構尺寸，可以抑制其基波，使其處于僅有-1次諧波輻射的狀態(tài)。
[0039]本實施例提供的提高輻射效率的漏波天線，將周期結構的不同漏波天線組成平面天線陣列，其中一種周期結構的漏波天線采用基波輻射方式，另一種周期結構漏波天線采用-1次諧波輻射方式(或其他可以實現(xiàn)負向輻射的結構，如左右手傳輸線漏波天線，這里均以前者為例來進行解釋說明)，將這兩種周期性結構相間隔地排列成平面陣列，上述周期結構包括周期橫縫結構、左右手復合結構和連續(xù)縫隙周期結構等。能量從其中某一基波(或-1次諧波)輻射漏波天線(最好是位于陣列中心的，這樣可以最大化的進行剩余能量的再次輻射)一端饋入，在該天線的末端將剩余能量由末端的功分器反向饋入兩側相鄰的-1次諧波(或基波)輻射漏波天線，也可不用功分器，直接饋入一側相鄰的-1次諧波(或基波)輻射漏波天線，在-1次諧波(或基波)輻射漏波天線的末端，再將剩余的能量正向饋入到其相鄰的未饋電的天線，以此類推，即饋入外部能量的漏波天線向兩側方向的漏波天線依次分別進行輻射并將輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線，直到輻射效率滿足設計要求或天線陣列最外側的漏波天線已進行輻射為止。通過合理選擇設計相鄰基波和-1次諧波輻射漏波天線的結構參數(shù)，使-1次諧波輻射漏波天線的輻射方向與基波輻射漏波天線的輻射方向相同，從而達到提高天線效率和天線增益的目的。
[0040]本實施例提供的提高輻射效率的漏波天線的設計方法為:
[0041]合理地選擇并設計周期結構的第一漏波天線(本實施例中周期結構的第一漏波天線為周期結構的基波輻射漏波天線)的結構參數(shù)，使其處于僅有基波輻射狀態(tài)，此時得到的增益方向圖中，基波指向角度為θο;
[0042]合理地選擇并設計周期結構的第二漏波天線(本實施例中周期結構的第二漏波天線為周期結構的-1次諧波輻射漏波天線，也可用其他可以實現(xiàn)負向輻射的結構，如左右手傳輸線漏波天線，這里均以前者為例來進行解釋說明)的結構參數(shù)，使其處于僅有-1次諧波輻射狀態(tài)，此時得到的增益方向圖中，-1次諧波指向角度為Θ-1;
[0043]根據(jù)基波輻射漏波天線的基波指向角度θο，通過調整并優(yōu)化-1次諧波輻射漏波天線的結構參數(shù)，使其-1次諧波指向角度θ-1基本滿足如下關系:
[0044]θ-ι = -θ0
[0045]將周期結構的基波輻射漏波天線與周期結構的-1次諧波輻射漏波天線間隔排列組成平面天線陣列；
[0046]在天線陣列中心的漏波天線的負端與天線陣列中心的漏波天線的兩側相鄰的漏波天線的負端之間設置功分器，調整并優(yōu)化功分器的結構參數(shù)，使天線陣列中心的漏波天線進行輻射后的剩余能量無損耗地反向饋入到兩側相鄰的漏波天線的負端，從而使剩余能量能夠通過相鄰天線再次輻射出去，達到提高天線效率和天線增益的效果。
[0047]下面代入具體的參數(shù)值對本實施例提供的提高輻射效率的漏波天線作進一步地說明。
[0048]如圖1所示，提高輻射效率的漏波天線主要包括三部分，分別是:基波輻射漏波天線，波束指向角為正向輻射;-1諧波輻射漏波天線，波束指向角為負向輻射;天線末端的功分器，將基波輻射漏波天線的末端剩余能量反向饋入兩側相鄰的-1次諧波輻射漏波天線進行二次輻射。
[0049]圖2示出基波輻射漏波天線結構示意圖，具體實現(xiàn)形式是開有周期橫縫的基片集成波導(SIW)漏波天線。其中，波導寬度和高度分別為ai = 6.4mm和h= 1.524mm，天線長度為1^=1351111]1，工作頻率為€=166!^。介電常數(shù)為￡1^ = 3，金屬通孔的直徑為(1 = 0.91111]1，兩個金屬通孔的間距為s = 1.6 mm?；刹▽У纳辖饘俦陂_有周期橫縫，縫隙周期為PI = 1.5 mm，縫隙尺寸為3mm X 0.5mm。縫隙兩端采用漸進的形式來減小反射。
[0050]圖3示出基波輻射漏波天線增益方向圖，從圖3中可以看出，此時天線處于基波輻射狀態(tài)。基波的波束指向θο = 40°，天線增益Gain = 11.99dB，天線效率η = 20.66 %。
[0051]圖4示出-1次諧波輻射漏波天線結構示意圖，具體實現(xiàn)形式是開有周期橫縫的基片集成波導(SIW)漏波天線。其中，波導寬度和高度分別為a2 = 9.6mm和h=l.524mm，天線長度為1=1351111]1，工作頻率為€=166取。介電常數(shù)為￡1^ = 3，金屬通孔的直徑為(1 = 0.9_，兩個金屬通孔的間距為S = 1.6mm?；刹▽У纳辖饘俦陂_有周期橫縫，縫隙周期為P2 =8.7mm，縫隙尺寸為5mmX 1mm。縫隙兩端采用漸進的形式來減小反射。
[0052]圖5示出-1次諧波輻射漏波天線增益方向圖，從圖5中可以看出，此時天線處于-1次諧波輻射狀態(tài)。-1次諧波的波束指向θ-ι = _40°，天線增益Gain= 14.88dB，天線效率η =60.51%。
[0053]圖6示出本發(fā)明的天線末端功分器結構示意圖，具體采用基片集成波導結構形式的功分器。其中SIW的基本結構參數(shù)(介電常數(shù)er、金屬通孔直徑d、相鄰金屬通孔間距s)與圖2和圖4中所述保持一致。三個調諧金屬通孔分別起到功率分配和直角轉換的作用。中間的調諧金屬通孔直徑CU= 1.1mm，距末端的距離dP = 2.5mm。兩側的調諧金屬通孔關于y軸完全對稱，直徑d2 = 1mm,距兩邊軸線的距離dx = 7mm，dy = 3.5mm。
[0054]圖7示出天線末端的功分器的散射參數(shù)，對于該功分器能量由I端口饋入，經中間的調諧金屬通孔后分向兩側，再由兩側的調諧金屬通孔反向饋入兩側天線中。從圖7中可以看出，此時中心頻率f = 16GHz處的S參數(shù)為Sn = -15.5dB，S21 = S31 = -3.4dB，滿足功分器的基本要求。
[0055]圖8示出3X1天線陣列總體結構示意圖，該天線陣列分別由圖2、圖4及圖6所示的基波輻射漏波天線、-1次諧波輻射漏波天線、末端功分器三部分組成，具體結構參數(shù)與上述說明保持一致。
[0056]圖9示出3X I天線陣列增益方向圖，從圖9中可以看出，此時的天線方向圖只有一個波束輻射，波束指向角Θ = θο=θ-ι = 40°，與基波輻射漏波天線的輻射指向角保持一致。值得指出的是，此時天線增益Gain =14.46dB，天線效率η = 41.11 %。相比于能量饋入的基波輻射漏波天線，天線效率提高了約I倍，天線增益增加了2.47dB。此時中心頻率f = 16GHz處的3參數(shù)為311 = -17.84(18，521 = 331 = -9.23(18。
[0057]顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定，對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬于本發(fā)明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發(fā)明的保護范圍之列。
【主權項】
1.一種提高輻射效率的漏波天線，其特征在于，該漏波天線包括: 功分器和由周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成的天線陣列； 第一漏波天線與第二漏波天線的類型不同，第一漏波天線與第二漏波天線的輻射方向相同； 天線陣列中的某個第一漏波天線或第二漏波天線，饋入外部能量并進行輻射，另一端將輻射后的剩余能量通過功分器分別饋入兩側相鄰的漏波天線；由饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線向兩側方向的漏波天線依次分別進行輻射并將輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線，直至輻射效率滿足設計要求或天線陣列最外側的漏波天線已進行輻射。2.根據(jù)權利要求1所述的漏波天線，其特征在于，正端饋入剩余能量的漏波天線的負端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的負端，負端饋入剩余能量的漏波天線的正端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的正端。3.根據(jù)權利要求1所述的漏波天線，其特征在于，所述天線陣列為平面天線陣列。4.根據(jù)權利要求1所述的漏波天線，其特征在于，饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線位于天線陣列的中心。5.根據(jù)權利要求1所述的漏波天線，其特征在于，所述周期結構的第一漏波天線和所述周期結構的第二漏波天線分別為周期結構的基波輻射漏波天線、周期結構的-1次諧波輻射漏波天線或周期結構的左右手傳輸線漏波天線。6.—種提高輻射效率的漏波天線的設計方法，其特征在于，包括如下步驟: 設計周期結構的第一漏波天線的結構參數(shù)，使其波束指向角度為θο; 設計周期結構的第二漏波天線的結構參數(shù)，使其波束指向角度為，第一漏波天線與第二漏波天線的類型不同； 調整并優(yōu)化第二漏波天線的結構參數(shù)，使其波束指向角度θ-1與第一漏波天線的波束指向角度為θο相反； 將周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成天線陣列； 在天線陣列中饋入外部能量的漏波天線的負端與天線陣列中心的漏波天線的兩側相鄰的漏波天線的負端之間設置功分器，調整并優(yōu)化功分器的結構參數(shù)，使天線陣列中饋入外部能量的漏波天線進行輻射后的剩余能量無損耗地反向饋入到兩側相鄰的漏波天線的負端。7.根據(jù)權利要求6所述的提高輻射效率的漏波天線的設計方法，其特征在于，正端饋入剩余能量的漏波天線的負端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的負端，負端饋入剩余能量的漏波天線的正端將該漏波天線輻射后的剩余能量饋入相鄰且未饋電的漏波天線的正端。8.根據(jù)權利要求6所述的提高輻射效率的漏波天線的設計方法，其特征在于，周期結構的第一漏波天線與周期結構的第二漏波天線間隔排列組成的天線陣列為平面天線陣列。9.根據(jù)權利要求6所述的提高輻射效率的漏波天線的設計方法，其特征在于，饋入外部能量的第一漏波天線或第二漏波天線位于天線陣列的中心。10.根據(jù)權利要求6所述的提高輻射效率的漏波天線的設計方法，其特征在于，所述周期結構的第一漏波天線和所述周期結構的第二漏波天線分別為周期結構的基波輻射漏波天線、周期結構的-1次諧波輻射漏波天線或周期結構的左右手傳輸線漏波天線。
【文檔編號】H01Q21/00GK105914473SQ201610232299
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月14日
【發(fā)明人】王均宏, 耿云杰
【申請人】北京交通大學