非对称周期波纹漏波天线单元、天线组阵以及天线系统的制作方法

1.本技术实施例涉及天线的技术领域，具体而言，涉及一种非对称周期波纹漏波天线单元、天线组阵以及天线系统。


背景技术：

2.太赫兹是位于红外与微波之间的频率波段，而太赫兹技术也成为被关注的一个非常重要的交叉前沿领域。
3.目前，太赫兹频段常用的一类行波辐射器是全金属周期波纹漏波天线，其具有简单的馈电网络与良好的频扫特性，已经得到如通信定位以及气体探测等多个领域的广泛研究。但是传统的全金属周期波纹漏波天线存在开阻带效应，在开阻带频率附近，由辐射单元引起所有反射波同相叠加，导致较大的回波损耗，能量无法有效地馈入天线，辐射性能急剧恶化，从而影响反射面天线系统所需的扫描特性。从天线的色散特性上看，开阻带效应表征为：在开阻带频段附近，由相位常数与衰减常数组成的色散曲线出现剧烈的波动特性。因此，为抑制开阻带效应，需获得在开阻带频率(相位常数趋近于0) 附近呈稳定线性变化的相位常数与基本稳定不变的衰减常数。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种非对称周期波纹漏波天线单元、天线组阵以及天线系统，旨在抑制周期波纹漏波天线中的开阻带效应。
5.第一方面，本技术实施例提供一种非对称周期波纹漏波天线单元，所述单元包括设置在金属板上的中心馈电部与周期排布的多组非对称辐射部，其中：
6.所述中心馈电部，用于与发射机的波导口连接或集成；
7.所述非对称辐射部包括宽度不同的第一圆环凹槽与第二圆环凹槽，所述第一圆环凹槽与所述第二圆环凹槽是以所述中心馈电部为圆心的同心圆环凹槽，且所述第一圆环凹槽与所述第二圆环凹槽的宽度与深度依据开阻带效应的抑制条件迭代确定；
8.所述多组非对称辐射部均以所述中心馈电部为圆心，周期排布。
9.可选地，所述中心馈电部为开设在所述金属板上的中心通孔，所述中心通孔的尺寸与标准波导尺寸一致。
10.可选地，所述非对称辐射部的组数与所述天线单元的辐射性能成正比。
11.可选地，所述非对称辐射部中各凹槽的宽度与深度，与所述天线单元对应的当前频段成正比。
12.第二方面，本技术实施例提供一种多频漏波馈源阵列天线组阵，包括设置在同一金属板上的多频段各自对应的非对称周期波纹漏波天线单元，所述多频段各自对应的非对称周期波纹漏波天线单元以共口径方式排布，其中，所述非对称周期波纹漏波天线单元是如实施例第一方面所述的天线单元。
13.可选地，同一高频段对应的非对称周期波纹漏波天线单元设置有多组。
14.可选地，一个低频段对应的非对称周期波纹漏波天线单元设置有一组。
15.可选地，一个低频段对应的一组非对称周期波纹漏波天线单元，周围分布有同一高频段对应的多组非对称周期波纹漏波天线单元。
16.第三方面，本技术实施例提供一种天线系统，包括：太赫兹柱形反射面与如实施例第二方面所述的多频漏波馈源阵列天线组阵，所述多频漏波馈源阵列天线组阵位于所述太赫兹柱形反射面的焦线处。
17.有益效果：
18.非对称周期波纹漏波天线单元，包括中心馈电部和周期排布的多组非对称辐射部，其中，中心馈电部用于与发射机的当前频段的波导口连接或集成；所述非对称辐射部包括宽度不同的第一圆环凹槽与第二圆环凹槽，所述第一圆环凹槽与所述第二圆环凹槽是以所述中心馈电部为圆心的同心圆环凹槽，所述多组非对称辐射部均以所述中心馈电部为圆心，周期排布。
19.波导口通过中心馈电部导入的能量，以表面波的形式在金属板的表面进行传输，在第一圆环凹槽与第二圆环凹槽处泄露到自由空间，构成辐射体，并通过调整第一圆环凹槽和第二圆环凹槽的深度与宽度的变化，实现漏波模式的阻抗匹配，从而抑制周期波纹漏波天线中的开阻带效应。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1是本技术一个实施例提出的非对称周期波纹漏波天线单元的结构示意图；
22.图2是本技术一个实施例提出的仿真实验中漏波天线相位常数随频率变化情况的示意图；
23.图3是本技术一个实施例提出的仿真实验中漏波天线衰减常数随频率变化情况的示意图；
24.图4是本技术一个实施例提出的多频漏波馈源阵列天线组阵的排布示意图；
25.图5是本技术一个实施例提出的天线系统的示意图。
具体实施方式
26.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
27.参照图1，示出了本发明实施例中的一种非对称周期波纹漏波天线单元的结构示意图，所述天线单元包括设置在金属板上的中心馈电部与周期排布的多组非对称辐射部。
28.所述中心馈电部，用于与发射机的波导口连接或集成，具体地，中心馈电部可以是开设在金属板上的中心通孔，所述中心通孔的尺寸与标准波导尺寸一致，便于与波导口进
行连接；在其他实施方式中，可以根据实际实施情况确定中心通孔的尺寸，示例地，中心通孔的尺寸也可以与波准波导尺寸一致，或采用谐振缝隙等多种形式。
29.所述非对称辐射部，包括宽度不同的第一圆环凹槽与第二圆环凹槽，第一圆环凹槽与第二圆环凹槽是以中心馈电部为圆心的同心圆环凹槽；当通过中心通孔导入的能量以表面波的形式在金属板的表面进行传输时，在第一圆环凹槽与第二圆环凹槽处泄露到自由空间，进而构成辐射体。
30.其中，第一圆环凹槽与第二圆环凹槽的宽度与深度由色散特性决定。为了消除因开阻带效应导致色散特性的波动，获得线性变化的相位常数β(色散特性的实部)与稳定不变的衰减常数α(色散特性的虚部)为目标，通过迭代计算的方法调整宽度与深度(w1，w2，h1，h2)的具体数值。
31.具体计算过程如下：根据频段与需求特性给定宽度与深度初值，一般选取两个相同的宽度和深度(w1＝w2,h1＝h2＝λ0/4)的传统对称单元作为初值；其次，基于矩量法等数值分析方法计算当前单元对应的相位常数与衰减常数，基于获得相位常数的线性度与衰减常数的平稳度计算是否达到了迭代终止的阈值要求，如没有，则根据迭代法则重新选择初值进行迭代计算，直至满足终止要求。
32.所述多组非对称辐射部均以所述中心馈电部为圆心，周期性均匀排布，多组非对称辐射部中多个第一圆环凹槽的深度和宽度均一致，多个第二圆环凹槽的深度和宽度均一致；由于漏波天线的辐射效率η由天线口径尺寸l与衰减常数α之间满足η＝1-2αl，而非对称辐射部组数越多，天线口径尺寸越大，最终获得的天线效率越高。
33.参照图2，是以0.4-0.6thz频段的非对称周期波纹漏波天线单元为例，通过矩量法仿真获得的漏波天线相位常数随频率变化情况的示意图，如图2 所示，由漏波天线相位常数与波束指向角的对应关系sinθ＝β/k0可知，在工作范围内通过非对称单元的引入，主波束实现了无隙扫描，说明了馈源阵列中漏波天线的开阻带效应成功被抑制，可以实现宽频带内的频率扫描。
34.参照图3，是以0.4-0.6thz频段的非对称周期波纹漏波天线单元为例，通过矩量法仿真获得的漏波天线衰减常数随频率变化情况的示意图。如图3 所示，在工作范围内通过非对称单元的引入，衰减常数基本保持稳定不变，说明了馈源阵列中漏波天线的开阻带效应成功被抑制，可以实现宽频带内的频率扫描。
35.如图2与图3所示，在0.4-0.6thz为工作频段，以传统对称单元作为初值，计算得到的相位常数与衰减常数在开阻带效应频率(0.45thz)附近明显存在较大的波动，说明开阻带效应没有得到有效抑制。经过迭代计算得到的非对称单元(w2＝0.912w1,h2＝0.95h1)的相位常数则可近似为一条直线，衰减常数基本保持不变，说明开阻带效应得到了有效抑制。
36.本技术实施例还提供一种多频漏波馈源阵列天线组阵，天线组阵包括设置在同一金属板上的多频段各自对应的非对称周期波纹漏波天线单元，所述非对称周期波纹漏波天线单元是如本实施例所述的天线单元，不同频率的波形对应的非对称周期波纹漏波天线单元仅存在尺寸参数的差异，结构无明显变化。
37.参照图4，是一种多频漏波馈源阵列天线组阵的排布示意图，如图4所示，由于太赫兹源能量随着频率的提升而降低，因此为保证反射面辐射性能在全频段内的稳定性，同一高频段对应的非对称周期波纹漏波天线单元设置有多组，一个低频段对应的非对称周期波
纹漏波天线单元设置有一组。
38.如图4所示，所述多频段各自对应的非对称周期波纹漏波天线单元以共口径方式排布，一个低频段对应的一组非对称周期波纹漏波天线单元，周围分布有同一高频段对应的多组非对称周期波纹漏波天线单元，相比将多频段馈源一字排布，在边缘馈源处容易出现较大的偏焦，因此将多频段馈源通过共口径方式排布，既可以提高金属板的利用率，还可以减少边缘馈源处容易出现偏焦的问题。
39.参照图5，示出了本技术实施例中的一种天线系统的示意图，包括：太赫兹柱形反射面与如本技术实施例所述的多频漏波馈源阵列天线组阵，所述多频漏波馈源阵列天线组阵位于所述太赫兹柱形反射面的焦线处。
40.柱形反射面的本身特性决定整体反射面天线的远场方向图基本和馈源一致，因此，利用漏波天线作为馈源，利用其频率扫描特性，根据相位常数与波束指向的关系可知，工作频率的不同，辐射波束的指向随之变化。通过调节各频段馈源的频率，无需额外的机械移动，即可实现反射面天线远场波束指向的变化，实现波束扫描功能，从而有利于保障天线系统的寿命。
41.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
42.尽管已描述了本技术实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术实施例范围的所有变更和修改。
43.最后，还需要说明的是，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”或者其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过程、方法、物品或者终端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，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。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过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
44.本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。