一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线

摘要

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，包括第一介质基板、第二介质基板、表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部分。本发明的平板端射天线，利用表面波波导和高阻抗表面分别对于表面波的传导与抑制功能实现了端射效果，具有良好的辐射增益、前后比以及增益平坦度等特性；本发明能够激励起表面波波导内的两个谐振模式，采用了具有宽阻带特性的高阻抗表面，实现了端射天线的宽带功能，相对中心带宽达到33.5％；本发明实现了平板天线的端射辐射性能和宽带阻抗带宽功能，结构简单、易于实施与集成，能有效增强雷达、通信、遥感遥测、电子对抗等应用中天线的性能。

说明书

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射 天线。

背景技术

由于具有强方向性和高增益等优点，平板端射天线在当代军事与民用应用中显示了良好 的性能并发挥着重要的作用。传统的平板端射天线主要包括有平板偶极子阵列、八木偶极子 阵列，对数周期偶极子阵列、Vivaldi天线以及其他的一些设计，这些设计或因其阻抗带宽很 窄，或因其在带宽内辐射增益平坦度较差，在实际应用中往往受到诸多限制。因此，拓宽天 线的阻抗带宽并且保证带宽内的增益平坦度是平板端射天线研究与设计的难点，并且具有非 常重大的现实意义。

近年来，利用表面波技术的平板端射天线逐渐吸引研究者们的注意。电磁表面波是一种 附着在两种传输煤质之间表面的特殊波，在偏离表面方向上呈指数衰减。文献“Horizontal Dipole Located Close to Ground Plane With Bidirectional EndfireRadiation，(Mei Li，Shao-Qiu Xiao，Jiang Xiong and Bing-Zhong Wang，IEEE Antennasand Wireless Propagation Letters，2014， 13:1144-1147)”通过将水平偶极子放置在周期表面波波导之上提出了一种具有双端射辐射性 能的平板天线。所设计的表面波波导能够激励其TE模式的表面波并在波导两侧的不连续处 产生辐射，从而形成双端射方向图。然而，该设计的弊端是无法形成单向端射方向图，并且 天线的阻抗带宽很窄，很难满足大多数实际应用的需求。

文献“A Yagi-Uda Plasma Monopole Array，(F.Sadeghikia，F.Hodjat-Kashani，J. Rashed-Mohassel，A.A.Lotfi and J.Ghayoomeh-Bozorgi，Journal ofElectromagnetic Waves and Applications，2012，26:885-894)”提出了一种基于表面波的八木单极子阵列天线，其可以在 保证天线的增益与方向性几乎不变的前提之下通过改变等离子体单极子的激励功率实现天线 谐振频率的重构(重构范围为中心频率的0.6倍频到1.6倍频)，从而展宽该端射天线的工作 带宽。然而，该天线较高的设计复杂度以及宽带实现方式成为了其在实际应用中的障碍。

从上述文献中可以看出，宽带平板端射天线在实际应用具有非常重要的研究意义与价值， 因此需要在设计简单的基础之上大幅展宽平板端射天线的带宽。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带 端射天线的设计方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射天线，包括第一介质基板、第二介质基板、 表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部分，所述第一介质基板设置在第二介质 基板的上方，所述表面波波导部分包括上层矩形贴片阵列和下层矩形贴片阵列，所述上层矩 形贴片阵列设置在第一介质基板的上表面，所述下层矩形贴片阵列设置在第二介质基板的下 表面，所述高阻抗表面部分包括上层十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列、探针阵列、下层 地板贴片，所述上层十字形贴片阵列设置在第一介质基板的上表面，所述中层方形贴片阵列 设置在第一介质基板和第二介质基板之间，所述下层地板贴片设置在第二介质基板的下表面， 所述探针阵列贯穿第一介质基板，且探针阵列的两端分别与上层十字形贴片阵列、中层方形 贴片阵列连接，所述表面波激励器部分包括激励贴片、激励探针和探针接头，所述激励贴片 设置在第一介质基板和第二介质基板之间，所述探针接头设置在下层矩形贴片阵列的底部， 并构成射频输入，所述激励探针贯穿第二介质基板，且激励探针的两端分别与激励贴片、射 频输入连接。

进一步地，所述上层矩形贴片阵列、激励贴片、下层矩形贴片阵列自上而下依次对应设 置。

进一步地，所述十字形贴片阵列、中层方形贴片阵列、下层地板贴片自上而下依次对应 设置。

进一步地，所述上层矩形贴片阵列由3×3个矩形贴片周期排布组成。

进一步地，所述上层十字形贴片阵列由2×3个十字形贴片周期排布组成。

进一步地，所述十字形贴片由方形贴片四角刻蚀四分之一圆形缝隙得到，且十字形贴片 相互无缝连接。

进一步地，所述中层方形贴片阵列由2×3个方形贴片周期排布组成，并且方形贴片相互 之间存在缝隙。

进一步地，所述下层矩形贴片阵列的结构与上层矩形贴片阵列的结构相同，在xoy平面 上位置相同，在z方向上的距离为第一介质基板的厚度加上第二介质基板的厚度。

本发明的工作原理：天线通过SMA接头探针馈电，激励信号通过激励探针传输到激励 贴片上，使得激励贴片形成偶极子电流分布，在表面波波导内部激励起表面波；天线的辐射 性能主要来源于表面波辐射，在表面波波导中的表面波沿着±x两个方向传播，其中沿+x方向 传播的表面波由于右侧高阻抗表面的带阻特性而被抑制传播，沿着-x方向传播的表面波则在 表面波波导的左侧边缘由于结构的不连续性向外辐射，因而形成了向-x方向的端射辐射性能； 天线的宽带性能主要来源于多个模式表面波的协同工作，在表面波波导中，TE₁和TE₂模式>

本发明的有益效果是：

(1)本发明提出了一种新型的平板端射天线，不同于常见的平板端射天线，其主要是利 用表面波波导和高阻抗表面分别对于表面波的传导与抑制功能实现了端射效果，具有良好的 辐射增益、前后比以及增益平坦度等特性；

(2)本发明能够激励起表面波波导内的两个谐振模式，并且采用了一种具有宽阻带特性 的高阻抗表面，成功地实现了端射天线的宽带功能，相对中心带宽达到33.5％；

(3)本发明最终实现了平板天线的端射辐射性能和宽带阻抗带宽功能，同时具有结构简 单易于实施与集成的优点。通过本发明的实施，能有效增强雷达、通信、遥感遥测、电子对 抗等应用中天线的性能。

附图说明

图1为本发明天线的侧视图；

图2为本发明天线的俯视图；

图3为图1中的AA截面的示意图；

图4为本发明天线的仰视图；

图5为本发明天线的反射系数的仿真曲线；

图6为本发明天线的4.5GHz频率上的xoz平面和xoy平面内的仿真辐射方向图；

图7为本发明天线的5.5GHz频率上的xoz平面和xoy平面内的仿真辐射方向图；

图8为本发明天线在带宽内仿真增益随频率的变化曲线；

图中，1-第一介质基板，2-第二介质基板，3-上层矩形贴片阵列，4-下层矩形贴片阵列， 5-上层十字形贴片阵列，6-中层方形贴片阵列，7-探针阵列，8-下层底板贴片，9-激励贴片， 10-激励探针，11-探针接头。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不 局限于以下所述。

本实施例提供一种基于表面波波导和高阻抗表面的宽带端射平板天线，其侧视图如图1 所示，能够在保证良好的远场端射性能的同时实现较宽的阻抗带宽(中心相对带宽为33.5％)， 包括第一介质基板1、第二介质基板2、表面波波导部分、高阻抗表面部分和表面波激励器部 分，所述第一介质基板1设置在第二介质基板2的上方，所述表面波波导部分包括上层矩形 贴片阵列3和下层矩形贴片阵列4，所述上层矩形贴片阵列3设置在第一介质基板1的上表 面，所述下层矩形贴片阵列4设置在第二介质基板2的下表面，所述高阻抗表面部分包括上 层十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6、探针阵列7、下层地板贴片8，所述上层十字形 贴片阵列5设置在第一介质基板1的上表面，所述中层方形贴片阵列6设置在第一介质基板 1和第二介质基板2之间，所述下层地板贴片8设置在第二介质基板2的下表面，所述探针 阵列7贯穿第一介质基板1，且探针阵列7的两端分别与上层十字形贴片阵列5、中层方形贴 片阵列6连接，所述表面波激励器部分包括激励贴片9、激励探针10和探针接头11，所述激 励贴片9设置在第一介质基板1和第二介质基板2之间，所述探针接头11设置在下层矩形贴 片阵列4的底部，并构成射频输入，所述激励探针10贯穿第二介质基板2，且激励探针10 的两端分别与激励贴片9、射频输入连接。

所述第一介质基板1、第二介质基板2为绝缘材料制成，所述上层矩形贴片阵列3、下层 矩形贴片阵列4、十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6、探针阵列7、下层地板贴片8、激励贴片9、激励探针10和探针接头11均为金属导电材料制成。

宽带超表面天线的俯视结构如图2所示，对应的是表面波波导部分的上层矩形贴片阵列 3、高阻抗表面部分的上层十字形贴片阵列5、探针阵列7、以及第一介质基板1；上层矩形 贴片阵列3由3×3个矩形贴片周期排布组成，上层十字形贴片阵列5由2×3个十字形贴片周 期排布组成，这些十字形贴片由方形贴片四角刻蚀四分之一圆形缝隙得到，且这些十字形贴 片相互连接，中间并无缝隙，具体形状结构如图2所示。

图1中的AA截面的示意图如图3所示，对应的是高阻抗表面部分的中层方形贴片阵列 6、探针阵列7、表面波激励器部分的激励贴片9、激励探针10、以及第二介质基板2；中层方形贴片阵列6由2×3个方形贴片周期排布组成，并且方形贴片之间存在缝隙，激励探针10的作用是为激励贴片9提供射频激励，从而在表面波波导内激励起表面波。

宽带超表面天线的仰视结构如图4所示，对应的是表面波波导部分的下层矩形贴片阵列 4、高阻抗表面部分的下层地板贴片8、以及介质基板3；下层矩形贴片阵列4在结构上与上 层矩形贴片阵列3完全相同，在xoy平面上位置相同，在z方向上的距离为第一介质基板1 的厚度加上第二介质基板2的厚度。优选地，所述上层矩形贴片阵列3、激励贴片9、下层矩 形贴片阵列4自上而下依次对应设置；所述十字形贴片阵列5、中层方形贴片阵列6、下层地 板贴片8自上而下依次对应设置。

图5是宽带平板端射天线的反射系数的仿真曲线；从图中可以看出，所述天线的-10dB 谐振带宽为4.08GHz～5.72GHz，中心相对带宽为33.5％。

图6是宽带平板端射天线在4.5GHz处的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述天线 在该频率处的辐射增益为6.64dBi，前后比为-15.3dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常 低。

图7是宽带平板端射天线在5.5GHz处的仿真辐射方向图，从图中可以看出，所述天线 在该频率处的辐射增益为7.56dBi，前后比为-12.3dB，且在边射方向上的交叉极化分量非常 低。

图8是宽带平板端射天线在带宽内仿真增益随频率的变化曲线，从图中可以看出，在谐 振频率内，所述天线的辐射增益的变化范围为6.53dBi～7.67dBi，所述天线具有良好的增益 平坦度(±0.6dB)。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式， 不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述 构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动 和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。