一种高效率漏波天线的制作方法

1.本发明涉及电子及通信技术领域。更具体地，涉及一种提高辐射效率的漏波天线。


背景技术：

2.作为一种典型的行波天线，漏波天线通常由波导壁上开周期性缝隙构成，天线工作时波导内部沿波导轴线传输的电磁波能量不断地从波导壁上的周期性缝隙处漏泄出来，产生辐射，形成高指向性、可频率控制波束扫描的辐射方向图。也正是由于行波结构的特点，对于长度有限的漏波天线，往往只能漏泄出部分能量用于辐射，其余能量会在输出端口被匹配负载吸收。因此，无论是用于实现均匀的无线电波覆盖或高定向通信，它的辐射效率都不是很高。
3.能够提高漏波天线辐射效率的方式有很多，其中最简单有效的方式是通过增大天线的长度来增加口面上漏泄缝隙的数量，使得漏泄出来的能量增多，进而实现辐射效率的提高。然而，如果通过上述方式实现高于90％的辐射效率，漏波天线长度需要是其自由空间波长的8到10倍。该尺寸的漏波天线纵向长度过长，不易于与微波无线通信系统集成，不具备工程实用性。除此之外，可有效提高漏波天线辐射效率的方式还有：基于能量循环网络，将漏波天线单元末端未辐射的能量引入到阵列中的其它漏波天线单元进行循环辐射，从而提高辐射效率。其能量循环网络的实现是基于环形耦合器或多层耦合馈电的形式，其单元设计及传输网络设计复杂，加工难度大，整体结构的横向尺寸为单一漏波天线单元的数倍，具有明显的设计缺陷。因此，寻找新的结构紧凑、设计方法简单的高效率漏波天线结构是非常必要的。
4.目前，大多数漏波天线辐射效率提升设计仅在工作频点及其很窄的频带范围内实现了高效率，常见的提升后的辐射效率在75％到86％之间。虽然漏波天线本身具备宽频带的特性，但仅在有限的频率范围实现高辐射效率，在其余频段出现低辐射效率，这样会使天线在频率扫描时出现波束增益的较大波动。这对物联网或车联网等依靠频率调制实现波束扫描、建立多物理量间信息交互的通信系统来说，难以应用。本发明不仅考虑漏波天线在设计频点处的效率提升问题，同时还考虑了整个工作频带内天线辐射效率的提升问题。也就是说，本发明以效率提升和整个工作频带内天线增益稳定为共同目标进行参数优化设计。
5.此外，基于基片集成波导的漏波天线具有剖面低、易于与平面电路集成的特点，适应于功能多样化、集成度高的未来毫米波通信系统。因此，本发明将提供一种基于基片集成波导的高效率漏波天线，所设计的天线通过单个漏波天线单元即可实现高辐射效率，无须组阵和依靠复杂的馈电网络，且设计方法简单，易于加工测试，是毫米波通信中具有应用前景的天线。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有新颖缝隙形状的基片集成波导(siw)漏波天线(lwa)，所设计的辐射缝隙为阿基米德螺旋型缝隙，其缝隙轮廓
是由两条等距外扩的阿基米德曲线及连接两者尾部的直线段封闭构成。该缝隙可取代传统方法设计的形状单一的横向缝隙、纵向缝隙或横纵组合型缝隙。传统的漏波天线往往基于以上三种常见的缝隙，其缝隙受到基片集成波导宽度和阻抗匹配的限制，无法合理且充分地增大尺寸，如横向缝隙的长度最大也需要小于基片集成波导宽度，而长度越大往往阻抗匹配越差，影响天线馈电，进而恶化天线的辐射性能，因此现有的基片集成波导漏波天线中的辐射缝隙尺寸较小，通过缝隙口面漏泄出来的辐射能量十分有限，这正是传统漏波天线辐射效率难以提升的原因。在本发明中，采用的阿基米德螺旋型缝隙具有螺旋型的缝隙形状，能够减小电磁波传输时在缝隙处所产生的反射波，改善馈电端口的阻抗匹配。因此，它的几何结构特点赋予了它既不恶化阻抗匹配又可增大自身尺寸的能力。这意味着具有阿基米德螺旋型缝隙的漏波天线可具有大尺寸的辐射缝隙口面，能够有效增强其能量漏泄，提高漏波天线的辐射效率。值得一提的是，其螺旋型逐渐外扩的缝隙结构具备频率响应不敏感的特点。基于此，加载阿基米德螺旋型缝隙的漏波天线不仅能够在设计频点及其周围的窄频带内实现效率的提升，而且在整个通信频段内均能有效地提高辐射效率，这是其他辐射效率提升的工作无法实现的。由于漏波天线结构的天然色散特性，它具有随频率变化而波束方向随之变化的频率波束扫描能力，可在实际通信系统中通过频率调制实现多波束的切换，使得无线链路的建立具备灵活可调的特性。一般来说，依据频率变化而得到的多个波束之间的增益值具有明显的起伏。而同样基于阿基米德螺旋型缝隙平缓的频率响应特征，加载阿基米德螺旋型缝隙的漏波天线可在有效提高整个通信频段的辐射效率的同时，还能够减缓多波束间的增益起伏，降低多波束间的增益差值，实现稳定的频扫多波束表现。综上所述，与传统的基片集成波导漏波天线相比，本发明可以实现宽频带内的高辐射效率，能够稳定频扫多波束的增益表现，具有比现有高增益基片集成波导漏波天线更为简单和小型化的结构，且保持了基片集成波导所带来的低剖面和易于与电路系统集成的特点，对于毫米波通信中的应用很有吸引力。
7.为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
8.一种高效率漏波天线，包括：基片集成波导，所述基片集成波导的上表面开有呈周期分布的阿基米德螺旋型缝隙，阿基米德螺旋型缝隙由两条等距外扩的阿基米德曲线及连接两者尾部的直线段封闭构成，直线段随着两条阿基米德曲线的变化而变化，其中外侧阿基米德曲线的定义式为x1坐标方程式和y1坐标方程式，如公式(1)所示，内侧阿基米德曲线的定义式为x2坐标方程式和y2坐标方程式，如公式(2)所示，
[0009][0010][0011]
其中i和o分别对应内侧阿基米德曲线和外侧阿基米德曲线每单位角度内的半径扩展宽度，决定了阿基米德螺旋型缝隙的宽度，im和om分别对应内侧阿基米德曲线和外侧阿基米德曲线的旋转角度，决定了阿基米德螺旋型缝隙的长度；
[0012]
所述阿基米德螺旋型缝隙在基片集成波导上的布局由自旋角度t确定。
[0013]
在上述方案的基础上，所述基片集成波导的上下表面均为金属表面，中间为介质
填充，且两侧设有小尺寸、等间隔的金属通孔阵列，两侧的金属通孔阵列形成波导壁的低剖面波导结构。
[0014]
在上述方案的基础上，所述基片集成波导的一端馈电，另一端接匹配负载。
[0015]
在上述方案的基础上，所述金属通孔的直径为d，d＝0.79mm，两个金属通孔的间距为s，s＝1.34mm，两排金属通孔的间距为a，间距a等效为基片集成波导的宽度，a＝6.3mm，基片集成波导的高度为h，h＝1.524mm，漏波天线的长度为l，l＝75mm，漏波天线的工作频率为f，f＝28ghz，阿基米德螺旋型缝隙周期为p，p＝5.9mm，漏波天线的介电常数为εr，εr＝2.2。
[0016]
在上述方案的基础上，上述i＝0.198mm、o＝0.201mm、im＝8.5mm、om＝10.8mm、t＝180
°
。
[0017]
本发明提出了具有阿基米德螺旋线特征的辐射缝隙，将其加载于漏波天线后，能够有效增加能量漏泄，提高漏波天线的辐射效率。具有阿基米德螺旋型缝隙的漏波天线的辐射效率主要取决于阿基米德螺旋型缝隙的尺寸和摆放位置。其中阿基米德螺旋型缝隙的尺寸由其所对应的阿基米德曲线定义式中的四个参量共同决定，任一参量都可改变阿基米德螺旋型缝隙的等效宽度和等效长度；此外，阿基米德螺旋型缝隙的自旋转角度决定了它的摆放位置。以上五个参量的合理选择在保证良好的端口阻抗匹配的条件下，可显著增大阿基米德螺旋型缝隙的有效尺寸，使得传统缝隙无法实现的大辐射口面成为可能，进而提高漏波天线的辐射效率。此外，在天线辐射效率得到有效提升的同时，其频率扫描波束的增益值相比于传统漏波天线也更加稳定。
[0018]
本发明的有益效果是：设计的阿基米德螺旋型缝隙打破了传统漏波天线辐射缝隙采用横向、纵向或横纵组合型缝隙尺寸较小的局限性，使得传统漏波天线无法实现高辐射效率的问题得以解决。所提出的高效率漏波天线基于简单设计的基片集成波导(siw)，在基片集成波导的上表面开阿基米德螺旋型缝隙，且在基片集成波导的一端馈电，另一端接匹配负载。由于阿基米德螺旋型缝隙具有低反射、高漏泄和结构的频率响应平缓的特点，使得漏波天线的阻抗匹配情况良好、辐射效率高且在整个工作频带的波束增益稳定。
附图说明
[0019]
本发明有如下附图：
[0020]
图1为本发明高效率漏波天线的结构示意图；
[0021]
图2为阿基米德螺旋型缝隙的整体示意图；
[0022]
图3为阿基米德螺旋型缝隙的外侧轮廓示意图；
[0023]
图4为阿基米德螺旋型缝隙的内侧轮廓示意图；
[0024]
图5为连接内外轮廓线尾端的直线段示意图；
[0025]
图6、7、8为本发明中不同参数取值下的阿基米德螺旋型缝隙形状示意图；
[0026]
图9为本发明的散射参数示意图(表征端口阻抗匹配情况的参数)；
[0027]
图10为本发明的辐射效率示意图；
[0028]
图11为本发明的频率扫描波束增益方向图。
具体实施方式
[0029]
以下结合附图1
‑
11对本发明作进一步详细说明。
[0030]
基片集成波导漏波天线(siwlwa)是一种慢波结构的行波天线，利用周期性缝隙的加载引入其慢波结构的不连续性，并在结构不连续处对传导电流产生截断效应，激发位移电流，进而产生辐射。基片集成波导的上下表面均为金属表面，中间为介质填充，且两侧设有小尺寸、等间隔的金属通孔阵列，两侧的金属通孔阵列形成波导壁的低剖面波导结构。其中两排金属通孔的间距a可等效为基片集成波导的宽度。当介质的介电常数εr确定时，间距a能够改变波导内部电磁波的传播常数，传播常数的改变会使得加载有周期性缝隙的漏波天线的辐射波束指向角度产生变化。同时，缝隙周期p的大小也会影响漏波天线的传播常数和辐射角度。本发明通过合理地选择介电常数并设计天线结构尺寸，使其处于
‑
1次谐波辐射的状态。
[0031]
对于某一确定工作频率f的基片集成波导漏波天线来说，所加载周期型缝隙的尺寸和摆放位置决定着其对基片集成波导上表面传导电流的有效截断，进而决定了所激发的可产生辐射的位移电流的大小，是影响漏波天线辐射效率的关键。基于此，本发明提出具有大尺寸的阿基米德螺旋型缝隙，其螺旋型的缝隙形状可分布式地、多角度地切割传导电流，进而获得较大的位移电流源，提高漏波天线的辐射效率。为了更清楚地说明本发明提供的提高辐射效率的基片集成波导漏波天线的设计方法，下面将结合实施例1进行阐述：
[0032]
【实施例1】
[0033]
本发明所提出的加载阿基米德螺旋型缝隙的漏波天线基于基片集成波导(siw)，其设计的重点是基片集成波导上表面所开出的阿基米德螺旋型缝隙。其缝隙轮廓由两条等距扩大的阿基米德曲线确定。自然界中，在千姿百态的生命体上发现了阿基米德螺线。如砂盘虫化石、蛇盘绕起来形成的曲线等都可以构成阿基米德螺线。阿基米德螺线之所以在生命体中广泛存在，是由于其螺线的若干优良性质所确定。而这些优良性质直接或间接地使生命体在生存斗争中获得最佳效果。阿基米德曲线在自然、工程科学和日常生活中已经得到了应用。最早，为解决用尼罗河水灌溉土地的难题，阿基米德发明了螺旋扬水器；在工程上，它的应用有阿基米德螺旋泵；在生活中，我们使用的蚊香的外侧曲线，正是阿基米德螺线。基于此，本发明通过优良的螺线模型来设计漏波天线的辐射缝隙。
[0034]
下面对本发明做出详细说明。如图1所示，本发明具体实现形式是开有阿基米德螺旋型缝隙的基片集成波导(siw)漏波天线。其中，波导宽度和高度分别为a＝6.3mm和h＝1.524mm，漏波天线长度为l＝75mm，工作频率为f＝28ghz。介电常数为εr＝2.2，金属通孔的直径为d＝0.79mm，两个金属通孔的间距为s＝1.34mm。基片集成波导的上表面开有周期缝隙，缝隙周期为p＝5.9mm。本发明中采用的辐射缝隙是由两条阿基米德曲线并将其尾部用直线连接形成封闭的阿基米德螺旋型缝隙，其中外侧阿基米德曲线的定义式为公式(1)，内侧阿基米德曲线的定义式为公式(2)。公式(1)和(2)均为阿基米德曲线的平面笛卡尔坐标方程式，即x坐标方程式和y坐标方程式。其中公式(1)和(2)的x和y方程式以下标1、2作为区分，如下所示：
[0035][0036]
[0037]
其中i和o分别对应内侧阿基米德曲线和外侧阿基米德曲线每单位角度内的半径扩展宽度，决定了阿基米德螺旋型缝隙的宽度，im和om分别对应内侧阿基米德曲线和外侧阿基米德曲线的旋转角度，决定了阿基米德螺旋型缝隙的长度。
[0038]
图2为阿基米德螺旋型缝隙的整体示意图，图3为阿基米德螺旋型缝隙的外侧轮廓示意图，图4为阿基米德螺旋型缝隙的内侧轮廓示意图，图5为连接内外轮廓线尾端的直线段示意图，该直线段随着内外阿基米德曲线段的变化而变化。其中，阿基米德曲线定义式中可决定缝隙有效宽度的两个参数值分别为：i＝0.198mm、o＝0.201mm；阿基米德曲线定义式中可决定缝隙有效长度的两个参数值分别为：im＝8.5mm、om＝10.8mm。我们将结合图6、图7来说明上述取值变化时，对于阿基米德螺旋型缝隙形状的影响，从而理解各个参数如何实现对其有效尺寸的调节。
[0039]
图6、图7、图8给出了i、o、im、om的不同取值对缝隙形状的影响，可用来说明如何通过上述取值的变化实现缝隙有效尺寸的调节，且示出缝隙自旋角度值t对缝隙在基片集成波导内布局的影响。图6、7中的图形1为本发明最终采用的并进行自旋之前的阿基米德螺旋型缝隙示意图，对应参数取值为：i＝0.198mm、o＝0.201mm、im＝8.5mm、om＝10.8mm、t＝0。其余图形相对图形1来说，均改变了上述四个参数i、o、im、om中的某一个参数的取值。图6中图形2改变了参数o的取值，其他三个参数保持不变，具体参数为：i＝0.198mm、o＝0.18mm、im＝8.5mm、om＝10.8mm、t＝0。可以看出，当o的取值减小时(由0.201mm减小为0.18mm)，阿基米德螺旋型缝隙宽度减小。这是由于外侧阿基米德曲线随着o的减小，更靠拢缝隙的螺旋中心，即阿基米德曲线的起点，使得缝隙有效的宽度减小。这种情况下，阿基米德螺旋型缝隙的外侧轮廓内收，整个曲线封闭形成的缝隙的几何尺寸减小。由此可知，当o的取值增大时，阿基米德螺旋型缝隙宽度增大，外侧轮廓外展，整个缝隙的几何尺寸增大。图6中图形3改变了参数i的取值，其他三个参数保持不变，具体参数为：i＝0.15mm、o＝0.201mm、im＝8.5mm、om＝10.8mm、t＝0。可以看出，当i的取值减小时(由0.198mm减小为0.15mm)，阿基米德螺旋型缝隙宽度增大。这是由于内侧曲线随着i的减小，更靠拢缝隙的螺旋中心，即阿基米德曲线的起点，使得缝隙有效的宽度增大。这种情况下，阿基米德螺旋型缝隙的内侧轮廓内收，整个封闭形成的缝隙的几何尺寸增大。由此可知，当i的取值增大时，阿基米德螺旋型缝隙宽度减小，内侧轮廓外展，整个封闭形成的缝隙的几何尺寸减小。图7中图形2改变了参数om的取值，其他三个参数保持不变，具体参数为：i＝0.198mm、o＝0.201mm，im＝8.5mm、om＝11.8mm、t＝0。可以看出，当om的取值增大时(由10.8mm增大为11.8mm)，阿基米德螺旋型缝隙长度增大。这是由于外侧曲线随着om的增大，对应曲线长度延长，整个封闭形成的缝隙的几何尺寸增大。由此可知，当om的取值减小时，对应曲线长度缩短，整个封闭形成的缝隙的几何尺寸减小。图7中图形3改变了参数im的取值，其他三个参数保持不变，具体参数为：i＝0.198mm、o＝0.201mm、im＝7.5mm、om＝10.8mm、t＝0。可以看出，当im的取值减小时(由8.5mm减小为7.5mm)，阿基米德螺旋型缝隙长度减小。这是由于内侧曲线随着im的减小，对应曲线长度缩短，整个封闭形成的缝隙的几何尺寸减小。由此可知，当im的取值增大时，对应曲线长度延长，整个封闭形成的缝隙的几何尺寸增大。图8中的图形相对于两条曲线自然形成的螺旋型缝隙(如图6或7的图形1所示)来说进行了自旋，对应自旋角度为t。图8中图形1、2和3的自旋角度分别为：t＝90
°
、t＝180
°
、t＝270
°
。我们可以看出缝隙自旋并不会改变其几何尺寸，只是改变了缝隙在基片集成波导内的布局，或者是说改变了缝隙到基片集成
波导侧壁之间的距离。正是由于自旋带来的缝隙相对位置的调整，会一定程度减弱对于波导内的电磁波的反射，改善阻抗匹配，并更为有效地切断横向电流，产生位移电流，从而增强辐射。通过仿真观察辐射效率、阻抗匹配和带宽内增益稳定情况，我们最终确定自旋角度为：t＝180
°
。通过以上设计过程分析，本发明的辐射缝隙选择为图8中图形2，其各项参数为：i＝0.198mm、o＝0.201mm、im＝8.5mm、om＝10.8mm、t＝180
°
。
[0040]
图9示出本发明的散射参数并更为有效地切断横向电流，产生位移电流，从而增强辐射。通过仿真观察辐射效率、阻抗匹配和带宽内增益稳定情况，我们最终确定自旋角度为：t＝180
°
。通过以上设计过程分析，本发明的辐射缝隙选择为图8中的图形2，其各项参数为：i＝0.198mm、o＝0.201mm、im＝8.5mm、om＝10.8mm、t＝180
°
。其中能量由左侧端口馈入，经由周期的阿基米德螺旋型缝隙漏泄产生辐射后，由右侧端口匹配吸收。从图9中可以看出，此时工作频率f＝28ghz处的s参数为s
11
＝
‑
25.7db，s
21
＝
‑
15.2db，可见阻抗匹配良好，s
11
的取值远远低于阻抗匹配通常要求的低于
‑
10db，s
21
小于
‑
15db，这意味着输入端口馈入的绝大部分已被有效辐射，只有很小一部分到达输出端口并被吸收。
[0041]
图10示出本发明的辐射效率。在工作频点f＝28ghz处辐射效率为93％。在本发明的可使用频带内(s
11
小于
‑
10db)，即：26.8ghz
‑
35.1ghz和35.9ghz
‑
37ghz(9.4ghz的频带宽度，中间的阻带为漏波天线周期结构带来的天然阻带效应)的范围内，辐射效率大于90％的频带为：27.8ghz
‑
31.9ghz，占可用频带的43％，辐射效率大于80％的频带为：27.3ghz
–
35ghz和36.3ghz
‑
36.6ghz，占可用频带的83.3％，最低辐射效率在26.8ghz处取得，为72％。由上述结果可见，本发明具有很高的辐射效率，且不仅限于工作频率处，整个工作频带内的辐射效率均呈现较高水平，能够满足我们的设计目标。其电长度为7个自由空间波长，且只有一个漏波单元(是指基片集成波导漏波天线)，无须组阵。而采用能量循环网络或组阵实现高效率的现有方法能够实现工作频率处高于80％
‑
86％的辐射效率，具有更大的天线电长度(8
‑
14个自由空间波长)、更宽的横向尺寸和复杂的结构设计。除此之外，相比于利用能量循环或组阵实现辐射效率提高的方法来说，本发明的效率提升不仅存在于设计频点及其周围的窄频带内，其在接近8ghz的频带宽度内都能实现大于80％的辐射效率，这是在目前已提出的高辐射效率漏波天线设计中所无法实现的。与此同时，仅在单频点或窄频带内实现高辐射效率时，会对频扫多波束的增益稳定性产生不利影响，存在高辐射效率频点处取得的波束增益值和非高辐射效率频点取得的波束增益值相差很多的现象。这种现象会使得频率调制的多波束天线系统的无线链路能量配置不均，通信质量的稳定性不强。本发明在83.3％的频带范围内均可实现80％以上的辐射效率，使得绝大多数的频带范围内，口面辐射强度都很高，远场增益水平较高且起伏较小，能够避免上述无线链路能量配置不均匀、通信不稳定的问题。
[0042]
图11示出本发明频率扫描时的波束增益方向图表现，其中对应频点以27ghz为起点，以1ghz为扫频间隔，得到的11个频点处的波束增益方向图，以此来观察频扫增益值的稳定性。由图10可见，其11个频扫多波束对应的增益取值十分稳定，获得的增益值在13.2db
‑
15.6db范围内，最大增益差值为2.4db，可见本发明在很大的频率跨度下产生的波束增益差仍小于3db，展现出良好的频扫波束增益稳定性。
[0043]
此外，需要着重说明的是本发明所采用的带有高辐射效率的螺旋型辐射缝隙，形状不是唯一的。其它具有相同效果的辐射缝隙形状也应囊括在本发明保护范围。据初步研
究，符合该高辐射效率的螺旋型缝隙，其外型可设计为月牙形、风扇形等其他多边、组合型的几何形状。本实施例着重通过阿基米德螺旋型缝隙设计来提出来说明如何通过合理地扩展口面辐射缝隙尺寸这一方法，实现漏波天线的辐射效率提升，并获得稳定的增益表现。
[0044]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。