专利名称：基于半模基片集成波导的周期性漏波天线的制作方法
技术领域：
半模基片集成波导馈电的周期性漏波天线是一种频率扫描天线，适用于具有波束 扫描功能的微波毫米波天馈系统，如智能天线和雷达等。
背景技术：
漏波天线最突出的性能是通过调节工作频率，可以实现波束扫描。因此，这类天 线被广泛应用于设计研制具有波束扫描功能的微波毫米波天馈系统，如预警雷达、智能天 线等。在结构上，漏波天线的馈电部分和辐射部分通常结合在一起，因而结构较为紧凑。迄今为止，人们根据应用场合的不同，基于各类微波传输线成功研制了满足不同 系统要求的漏波天线。例如，在对天馈设备轮廓、重量不做过多限制的场合中(如地基雷 达)，人们利用金属波导实现了损耗低、功率容量大的漏波天线。再如，人们基于各类平面传 输线(如微带线、平行板板波导、介质板波导等)设计实现了轮廓低、重量轻的漏波天线，以 适用于需要天线集成、共性的微波毫米波电路和系统。基于金属波导和平面传输线的漏波天线在结构和性能上恰好互补。前者损耗低， 功率容量大，但是轮廓高，重量大，不易集成；而后者重量轻，易集成，易共性，但是通常损耗 较大，功率容量有限。因此，人们一直在努力研制集上述两类微波传输线优点于一身的新型 微波传输线，以及相应的漏波天线。基片集成波导和半模基片集成波导即属于满足上述要 求的这样一类新型微波传输结构。但是两者相比而言，半模基片集成波导具有更小的横向 尺寸和更宽的单模工作区域。正因为具有这些特点和优势，半模基片集成波导被应用于研 制具有应用前景的漏波天线。
发明内容技术问题本发明的目的为了实现一种基于半模基片集成波导的周期性漏波天 线，在性能上具有低损耗，在结构上具有轮廓低、重量轻、易集成、易共性等优点，这类天线 能够应用于地基或者移动平台上(如飞机)的天馈系统。技术方案基于半模基片集成波导的周期性漏波天线是由在一段直通半模基片集 成波导的金属上表面或者金属地面周期性蚀刻横向缝隙而构成的。设计时，首先根据天线 工作频段，选择合适的介质基片材料和厚度，设计合理的半模基片集成波导宽度，以保证天 线工作于波导的低损耗区(即最佳工作频段)。然后，根据对天线工作频段及波束扫描范围 的要求，计算选取合适的缝隙间距即缝隙周期。其次，根据对副瓣电平及增益的要求，计算 选取合适的缝隙长度。最后，优化设计天线与均勻半模基片集成波导之间的阻抗匹配网络， 以保证天线具有较宽的工作带宽，并接收到较高的输入功率。本发明的基于半模基片集成波导的周期性漏波天线包括上表面金属层构成的均 勻微带馈线、设有一排金属化通孔的中间介质层、设有周期性横向缝隙的底面金属层，其 中，均勻微带馈线的两端分别设有梯形微带阻抗变换器，金属化通孔与均勻微带馈线、底面 金属层上对应的孔相连通。[0008]所述均勻微带馈线上，一排金属化通孔的各金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导 宽度w，金属化通孔的间距s为3/2通孔直径d，梯形微带阻抗变换器的长度It为1/4中心 频率波导波长。底面金属层上，缝隙单元的间距D为中心频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙 单元的宽度W为真空中波长的1/20-1/10，缝隙单元的长度L为波导宽度w的1/10-4/5。通过在均勻半模基片集成波导上表面金属层或金属地面周期性蚀刻一列横向窄 缝隙，可以使得第η = -1阶空间谐波具有快波特性的，而其余各阶空间谐波则为慢波，从而 实现了微波能量在沿半模基片集成波导传输过程中源源不断地向自由空间辐射，形成了随 频率变化而扫描的波束。通过调节缝隙间距(即周期)，一方面可以调节天线的工作频段， 另一方面可以控制波束扫描的速率(即波束扫描角速度对频率的变化率)。通过调节缝隙 长度，可以控制波瓣形状(如半功率波瓣宽度、副瓣电平等)和天线辐射效率。有益效果基于半模基片集成波导的周期性漏波天线具有以下特点1)具有波束扫描功能。如果选取相对介电常数较高(> 10)的基片，能够实现波 束在较大角度范围内(约从-75°至+75° )扫描。2)具损耗低，辐射效率高的特点。理论和实验数据表明，半模基片集成波导工作在 远离截止频率时，具有较低的插入损耗。这保证了基于该波导研制的天线具有较高的辐射 效率。3)结构简单，且因为制作于介质基片上，所以天线轮廓低、重量轻、易集成、易共 性。4)成本低。可以使用成熟的PCB加工工艺制作，制造精度高，利于批量生产。
图1是半模基片集成波导周期性漏波天线结构3D图，图2是顶视图，图3是底视 图，图4是波束指向后上半空间时的辐射方向图，图5是波束指向天线正上方时的辐射方向图，图6是波束指向前上半空间时的辐射方向图，图7是波束指向随频率的变化示意图，W-半模基片集成波导宽度D-缝隙单元的间距(即周期)1-半模基片集成波导的长度L-缝隙单元的长度S-金属化通孔的间距W-缝隙单元的宽度d-金属化通孔的直径Wt-梯形微带阻抗变换器的宽度It-梯形微带阻抗变换器的长度
具体实施方式
本发明的基于半模基片集成波导的周期性漏波天线包括上表面金属层构成的均 勻微带馈线1、设有一排金属化通孔21的中间介质层2、设有周期性横向缝隙31的底面金 属层3，其中，均勻微带馈线1的两端分别设有梯形微带阻抗变换器11，金属化通孔21与均勻微带馈线1、底面金属层3上对应的孔相连通。所述均勻微带馈线1上，一排金属化通 孔21的各金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽度w，金属化通孔的间距s为3/2通孔 直径d，梯形微带阻抗变换器的长度It为1/4中心频率波导波长。底面金属层3上，缝隙单 元的间距D为中心频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的宽度W为真空中波长的 1/20-1/10，缝隙单元的长度L为波导宽度w的1/10-4/5。1.该漏波天线为一平面结构，建立在上下表面敷铜的介质基片上，如图1所示。2.根据天线工作频段，选取合适的介质基片厚度和相对介电常数。3.设计合理的半模基片集成波导宽度W，以保证天线工作于波导的单模工作频段 内，同时又远离波导的截止频率。4.根据对天线辐射特性的要求，如副瓣电平、半功率波瓣宽度、辐射效率等，计算 口径分布，进而计算第η = -1阶空间谐波的相位常数和衰减常数。5.选择合适的缝隙数目，同时优化设计缝隙的长度L和间距D，以实现步骤4中所 需的第η = -1阶空间谐波的相位常数和衰减常数。6.优化设计梯形微带阻抗变换器，以实现较宽阻抗带宽和较高的输入功率。7.图2为在0. 254mm厚的Rogers5880介质基片上实现的一条工作于30GHz_50GHz 的漏波天线。从图3至图5所示的辐射方向图可以看到，漏波天线能够产生随频率变化而 在天线纵轴方向扫描的窄波束。天线增益在10. OdB上下。图6显示，随频率从32. 5GHz上 升到58.0GHz，波束从后上半空间(42° )逐渐扫描至前上半空间(120° )。我们设计了一条工作于30.0GHz_50.0GHz的半模基片集成波导周期性漏波天 线。基片介质材料为Rogers5880，其厚度为0. 254mm，相对介电常数为2. 2，损耗角正切为 0. 0009。为了加工便利，我们用一条内壁金属化的细长纵向缝隙取代金属化通孔栅栏来等 效实现限制、弓I导微波能量在波导内部传输。表1半模基片集成波导周期性漏波天线结构尺寸(单位mm)
权利要求一种基于半模基片集成波导的周期性漏波天线，其特征在于该天线包括上表面金属层构成的均匀微带馈线(1)、设有一排金属化通孔(21)的中间介质层(2)、设有周期性横向缝隙(31)的底面金属层(3)，其中，均匀微带馈线(1)的两端分别设有梯形微带阻抗变换器(11)，金属化通孔(21)与均匀微带馈线(1)、底面金属层(3)上对应的孔相连通。
2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的周期性漏波天线，其特征在于所述 均勻微带馈线(1)上，一排金属化通孔(21)的各金属化通孔的直径d为1/8-1/10波导宽 度w，金属化通孔的间距s为3/2通孔直径d，梯形微带阻抗变换器的长度It为1/4中心频 率波导波长。
3.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导的周期性漏波天线，其特征在于底面 金属层⑶上，缝隙单元的间距D为中心频率对应的真空中波长的1/8-1/2，缝隙单元的宽 度W为真空中波长的1/20-1/10，缝隙单元的长度L为波导宽度w的1/10-4/5。
专利摘要基于半模基片集成波导的周期性漏波天线是一种频率扫描天线，适用于具有波束扫描功能的微波毫米波天馈系统，如智能天线和雷达等。该天线包括上表面金属层构成的均匀微带馈线(1)、设有一排金属化通孔(21)的中间介质层(2)、设有周期性横向缝隙(31)的底面金属层(3)，其中，均匀微带馈线(1)的两端分别设有梯形微带阻抗变换器(11)，金属化通孔(21)与均匀微带馈线(1)、底面金属层(3)上对应的孔相连通。在性能上具有低损耗，在结构上具有轮廓低、重量轻、易集成、易共性等优点，这类天线能够应用于地基或者移动平台上(如飞机)的天馈系统。
文档编号H01Q13/20GK201732867SQ20102027223
公开日2011年2月2日 申请日期2010年7月27日 优先权日2010年7月27日
发明者克利斯托弗·夫莫, 洪伟, 赖清华 申请人:东南大学