阅读说明：本技术 出射角可定制的固定波束漏波天线 (Fixed beam leaky-wave antenna with customizable emergence angle ) 是由 程强 陈建锋 崔铁军 于 2019-08-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种出射角可定制的固定波束漏波天线,包括：间隙脊波导均匀漏波天线(1)、三角金属棱镜(2)以及透射型相位梯度表面结构(3)；间隙脊波导均匀漏波天线(1)的漏波面与三角金属棱镜(2)的入射面连接；三角金属棱镜(2)的出射面与透射型相位梯度表面结构(3)的入射面的正中间一排横向单元相连接；间隙脊波导均匀漏波天线(1)包括第一金属板和第二金属板、第一金属脊(11)和第二金属脊(12)、一排连接上下金属板的第一周期金属柱(13)和一排高度渐变的漏波金属柱(14)；所述三角形金属棱镜(2)包括尺寸相同的第三金属板和第四金属板、第二周期金属柱(21)和第三周期金属柱(22)。(the invention discloses a fixed beam leaky-wave antenna with a customizable emergence angle, which comprises: the gap ridge waveguide uniform leaky-wave antenna comprises a gap ridge waveguide uniform leaky-wave antenna (1), a triangular metal prism (2) and a transmission type phase gradient surface structure (3); the leaky-wave surface of the gap ridge waveguide uniform leaky-wave antenna (1) is connected with the incident surface of the triangular metal prism (2); the emergent surface of the triangular metal prism (2) is connected with a row of transverse units in the middle of the incident surface of the transmission type phase gradient surface structure (3); the gap ridge waveguide uniform leaky-wave antenna (1) comprises a first metal plate, a second metal plate, a first metal ridge (11), a second metal ridge (12), a row of first periodic metal columns (13) and a row of leaky-wave metal columns (14), wherein the first periodic metal columns are used for connecting the upper metal plate and the lower metal plate; the triangular metal prism (2) comprises a third metal plate, a fourth metal plate, a second periodic metal column (21) and a third periodic metal column (22) which are identical in size.)

出射角可定制的固定波束漏波天线

技术领域

本发明涉及新型天线技术领域，尤其涉及一种出射角可定制的固定波束漏波天线。

背景技术

漏波天线作为一种新型天线，具有许多传统谐振式天线所不具备或难以实现的特性，如行波模式、辐射角频扫、高阻抗带宽、高增益、结构简单等。在过去的几十年中，漏波天线受到了广泛的关注和研究。漏波天线的波束频扫特性对应频域-空域信号的转换，可应用于频谱分析、雷达传感器、全息成像等。周期调制漏波天线以及基于左右手传输线的漏波天线的提出，克服了传统均匀行波天线只能在天线前端辐射的限制，实现了辐射波束全空域的频率扫描。但对于定波束的应用场景，如点对点通信、大带宽信号传输、 SAR雷达等，漏波天线的频扫特性成为了其进一步推广应用的限制条件，可见漏波天线的应用存在局限性。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种出射角可定制的固定波束漏波天线。

为实现本发明的目的，提供一种出射角可定制的固定波束漏波天线，包括：间隙脊波导均匀漏波天线、三角金属棱镜以及透射型相位梯度表面结构；所述间隙脊波导均匀漏波天线的漏波面与三角金属棱镜的入射面连接；所述三角金属棱镜的出射面与透射型相位梯度表面结构的入射面的正中间一排横向单元相连接；

所述间隙脊波导均匀漏波天线包括尺寸相同的第一金属板和第二金属板、上下对称的第一金属脊和第二金属脊、一排连接上下金属板的第一周期金属柱和一排高度渐变的漏波金属柱；所述第一周期金属柱的一端接触所述第一金属板，所述第一周期金属柱的另一端接触所述第二金属板，所述第一周期金属柱和所述漏波金属柱均排列在同一块金属板上，且所述第一周期金属柱和所述漏波金属柱分别位于金属脊的两侧，所述第一周期金属柱的排列方向、所述漏波金属柱的排列方向、所述第一金属脊的设置方向和第二金属脊的设置方向相同；

所述三角形金属棱镜包括尺寸相同的第三金属板和第四金属板、第二周期金属柱和第三周期金属柱；所述第三金属板和所述第四金属板均呈三角形，所述第二周期金属柱覆盖在所述第三金属板的内侧，所述第三周期金属柱覆盖在所述第四金属板的内侧，所述第二周期金属柱和所述第三周期金属柱之间满足二维滑动对称性；

所述透射型相位梯度表面结构包括印刷在介质基板上的第一层周期金属结构单元、第二层周期金属结构单元和第三层周期金属结构单元；所述第一层周期金属结构单元、第二层周期金属结构单元和第三层周期金属结构单元分别具有相同的介质材料，且呈等间距排列，各层周期金属结构单元的单元尺寸沿着水平方向呈周期变化，沿着竖直方向保持不变，相邻周期金属结构单元之间的满足沿同一个旋转方向转动设定角度的对称性。

在其中一个实施例中，所述漏波金属柱一侧接触所述金属棱镜的入射面；所述第一金属板和所述第三金属板连为一体，所述第二金属板和所述第四金属板连为一体。

在其中一个实施例中，所述漏波金属柱的高度呈周期渐变。

在其中一个实施例中，所述第一金属脊和第二金属脊为尺寸相同的矩形金属条。

在其中一个实施例中，所述第二周期金属柱和所述第三周期金属柱具有相同的尺寸和排列规则。

在其中一个实施例中，所述间隙脊波导均匀漏波天线和所述三角金属棱镜均为硬性导电金属材质。

在其中一个实施例中，所述第三金属板和所述第四金属板之间的间距，与所述透射型相位梯度表面结构中最小单元的每一行之间的排列周期值相同。

在其中一个实施例中，所述第一周期金属柱、所述漏波金属柱、所述第二周期金属柱和所述第三周期金属柱均为矩形金属柱。

在其中一个实施例中，所述透射型相位梯度表面结构的介质基板的材料为FR-4材料。

上述出射角可定制的固定波束漏波天线结构中，由间隙脊波导均匀漏波天线辐射的电磁波可通过三角形金属棱镜的控制，实现出射波束的初步固定，然后通过透射型相位梯度表面结构在出射面提供的额外恒定梯度相位值，实现波束的进一步固定，同时按设计要求偏折到任意的方位角；具体可以通过改变透射型相位梯度表面结构沿着横向(水平方向)排列的单元尺寸，来改变透射型相位梯度表面结构的相位分布，从而为出射波束提供额外的切相量，这将导致出射波束的偏折，根据梯度表面的相位分布情况不同，最终的出射波束将指向不同的方向，实现对固定波束的定制；这便大大减缓了现有漏波天线辐射波束随频率快速扫描的特性，将辐射波束在大带宽内固定在较小的角度范围内，同时可按照具有要求定制所需的固定波束的角度范围，能直接应用于各类通信场景，具有较高的灵活性；且具有设计方法简便，加工成本较低，安装便利的优势。

附图说明

图1是一个实施例的出射角可定制的固定波束漏波天线的整体结构俯视图；

图2是一个实施例的出射角可定制的固定波束漏波天线的整体结构侧视图；

图3(a)是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线的上盖板内部俯视图；

图3(b)是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线的下盖板内部俯视图；

图3(c)是一个实施例的间隙脊波导均匀漏波天线的横截面视图；

图3(d)是一个实施例的三角金属棱镜x-z截面视图；

图3(e)是一个实施例的三角金属棱镜y-z截面视图；

图4(a)是一个实施例中相位梯度表面的整体透视图；

图4(b)是一个实施例中相位梯度表面的基本单元透视图；

图4(c)是一个实施例中相位梯度表面的基本单元中间层的结构图；

图5(a)是一个实施例中相位梯度表面的典型极化旋转透射效率图；

图5(b)是一个实施例中相位梯度表面不同结构单元尺寸对应的透射相位曲线；

图6是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线在工作频段内的辐射方向图；

图7(a)是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线的下金属盖板加工实物图；

图7(b)是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线的相位梯度表面加工实物图；

图8是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线在工作频带内的辐射方向图；

图9是一个实施例中出射角可定制的固定波束漏波天线的工作示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的出射角可定制的固定波束漏波天线结构示意图，包括：间隙脊波导均匀漏波天线1、三角金属棱镜2以及透射型相位梯度表面结构3；所述间隙脊波导均匀漏波天线1的漏波面与三角金属棱镜2的入射面连接；所述三角金属棱镜2的出射面与透射型相位梯度表面结构3的入射面的正中间一排横向单元相连接；

参考图2、图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)、图3(e)所示，所述间隙脊波导均匀漏波天线1包括尺寸相同的第一金属板(图2所示上盖板)和第二金属板(图 2所示下盖板)、上下对称的第一金属脊11和第二金属脊12、一排连接上下金属板的第一周期金属柱13和一排高度渐变的漏波金属柱14；所述第一周期金属柱13的一端接触所述第一金属板，所述第一周期金属柱13的另一端接触所述第二金属板(第一周期金属柱13的高度和第一金属板、第二金属板之间的间距相同)，所述第一周期金属柱13 和所述漏波金属柱14均排列在同一块金属板(第一金属板或者第二金属板)上，且所述第一周期金属柱13和所述漏波金属柱14分别位于金属脊(第一金属脊11和第二金属脊12)的两侧，第一周期金属柱13的排列方向、漏波金属柱14的排列方向、第一金属脊11的设置方向和第二金属脊12的设置方向相同；

所述三角形金属棱镜2包括尺寸相同的第三金属板(图中未示出)和第四金属板(图中未示出)、第二周期金属柱21和第三周期金属柱22；所述第三金属板和所述第四金属板均呈三角形，所述第二周期金属柱21覆盖在所述第三金属板的内侧，所述第三周期金属柱22覆盖在所述第四金属板的内侧，所述第二周期金属柱21和所述第三周期金属柱22之间满足二维滑动对称性；

参考图4(a)、图4(b)、图4(c)所示，所述透射型相位梯度表面结构3包括印刷在介质基板上的第一层周期金属结构单元31、第二层周期金属结构单元32和第三层周期金属结构单元33；所述第一层周期金属结构单元31、第二层周期金属结构单元32 和第三层周期金属结构单元33分别具有相同的介质材料，且呈等间距排列，各层周期金属结构单元(第二层周期金属结构单元32和第三层周期金属结构单元33)的单元尺寸沿着水平方向呈周期变化，沿着竖直方向保持不变，相邻周期金属结构单元之间的满足沿同一个旋转方向转动设定角度的对称性；上述设定角度可以为45°等值。

具体地，第一周期金属柱13和漏波金属柱14的尺寸不同；第一周期金属柱13的两端与上下金属板(第一金属板和第二金属板)相连，漏波金属柱14的高度呈周期渐变。上述第一金属脊11可以设置在第一金属板的内侧，第一金属脊11与第一金属板的内侧接触，上述第二金属脊12可以设置在第二金属板的内侧，第一金属脊12与第二金属板的内侧接触，第一金属脊11和第二金属脊12为尺寸相同的矩形金属长条。

其中，二维三角金属棱镜2为二维三角金属棱镜。第一周期金属柱13、第二周期金属柱21和第三周期金属柱22的排列方式均呈周期性变化。第二周期金属柱21和第三周期金属柱22的尺寸相同，两者排列方式的变化周期也相同。三角形金属棱镜2的上下金属盖板(第三金属板和第四金属板)上的金属柱(第二周期金属柱21和第三周期金属柱22)之间满足二维滑动对称性。

具体地，透射型相位梯度表面结构3包括三层阵列排布的金属单元(第一层周期金属结构单元31、第二层周期金属结构单元32和第三层周期金属结构单元33)，每一层的金属单元由相同的介质材料构成，两两之间的间距相同，每一层的单元尺寸沿着水平方向(横向方向)随周期变化，沿着竖直方向(纵向方向)保持不变，每一层的单元尺寸沿着水平方向的变化周期的总周期数为三，相邻层之间的金属单元满足沿同一个旋转方向转动45°的对称性。

在一个示例中，出射角可定制的固定波束漏波天线可由间隙脊波导均匀漏波天线1、三角金属棱镜2以及透射型相位梯度表面结构3串联组成。具体地，上述间隙脊波导均匀漏波天线1与三角金属棱镜2连为一体，连接面为间隙脊波导漏波天线1的漏波金属柱14一侧与三角金属棱镜的入射面一层，通过各部分的上下金属盖板完成连接，比如第一金属板和第三金属板连为一体，第二金属板和第四金属板连为一体。三角金属棱镜 2与透射型相位梯度表面结构3连为一体，连接面为三角金属棱镜2的出射面与透射型相位梯度表面结构3的入射面的正中间一排横向单元。其中，间隙脊波导均匀漏波天线 1的宽边和窄边分别由上下对称的金属盖板(第一金属板和第一金属板)以及周期排列的金属柱(第一周期金属柱13)组成，连接上下金属盖板的周期金属柱构成了非辐射的一侧，而高度渐变的金属柱(漏波金属柱14)构成了的天线辐射面，通过对金属高度的调整可实现对辐射能量的控制，间隙脊波导均匀漏波天线1的正中间为上下对称的一对矩形金属脊(第一金属脊11和第二金属脊12)，分别位于上下盖板的内表面。二维三角形金属棱镜2由相同尺寸的三角形金属板(第三金属板和第四金属板)以及具有滑动对称的二维正交周期排列的金属柱(第二周期金属柱21和第三周期金属柱22)构成，通过控制金属柱的尺寸和周期可实现对由间隙脊波导漏波天线辐射进来的波束的指向偏折，结合对三角形金属棱镜的三角形夹角的控制可实现对从棱镜中辐射出去的频扫波束的局部固定。透射型梯度表面3由三层阵列排列的金属单元组成，通过设计沿横向变化的单元，可提供恒定的梯度相位值，从而按照需求实现对由金属棱镜辐射出的波束的人为偏折。

上述出射角可定制的固定波束漏波天线结构中，由间隙脊波导均匀漏波天线1辐射的电磁波可通过三角形金属棱镜2的控制，实现出射波束的初步固定，然后通过透射型相位梯度表面结构3在出射面提供的额外恒定梯度相位值，实现波束的进一步固定，同时按设计要求偏折到任意的方位角。具体可以通过改变透射型相位梯度表面结构3沿着横向(水平方向)排列的单元尺寸，来改变透射型相位梯度表面结构3的相位分布，从而为出射波束提供额外的切相量，这将导致出射波束的偏折，根据梯度表面的相位分布情况不同，最终的出射波束将指向不同的方向，实现对固定波束的定制。这便大大减缓了现有漏波天线辐射波束随频率快速扫描的特性，将辐射波束在大带宽内固定在较小的角度范围内，同时可按照具有要求定制所需的固定波束的角度范围，能直接应用于各类通信场景，具有较高的灵活性；且具有设计方法简便，加工成本较低，安装便利的优势。

在一个实施例中，所述漏波金属柱一侧接触所述金属棱镜的入射面；所述第一金属板和所述第三金属板连为一体，所述第二金属板和所述第四金属板连为一体。这样，间隙脊波导均匀漏波天线中的上下金属盖板、二维三角金属棱镜中的上下金属盖板具有相同的高度。

在一个实施例中，所述漏波金属柱的高度呈周期渐变。

本实施例中，高度呈周期渐变的漏波金属柱可以构成了的天线辐射面，通过对相应高度的调整可实现对辐射能量的控制。

在一个实施例中，所述第一金属脊和第二金属脊为尺寸相同的矩形金属条。

在一个实施例中，所述第二周期金属柱和所述第三周期金属柱具有相同的尺寸和排列规则。

第二周期金属柱和第三周期金属柱的尺寸相同，排列规则也相同，即两者排列方式的变化周期相同。

在一个实施例中，所述间隙脊波导均匀漏波天线和所述三角金属棱镜均为硬性导电金属材质。

在一个实施例中，所述第三金属板和所述第四金属板之间的间距，与所述透射型相位梯度表面结构中最小单元的每一行之间的排列周期值相同。

上述排列周期为排列方式的变化周期，排列周期值可以为一个排列周期的长度，在各个排列周期中，相应结构(如透射型相位梯度表面结构的各个最小单元)具有相同或相似的排列形式。

进一步的，上述间隙脊波导均匀漏波天线的上下盖板间距、三角金属棱镜上下盖板间距以及透射型相位梯度表面结构的纵向(竖直)周期值相同。上述纵向周期值为纵向排列方式的变化周期，纵向周期值为一个纵向排列周期的长度。

在一个实施例中，所述第一周期金属柱、所述漏波金属柱、所述第二周期金属柱和所述第三周期金属柱均为矩形金属柱。

在一个实施例中，所述透射型相位梯度表面结构的介质基板的材料为FR-4材料。

进一步的，三角金属棱镜中的金属柱(第二周期金属柱和第三周期金属柱)呈二维正交周期排列。

进一步的，在出射角可定制的固定波束漏波天线的工作频带内，透射相位梯度表面中沿着表面法线方向排列的三个单元构成一组基本单元，对于完全由这组基本单元构成的周期表面可实现对入射电场的90°极化扭转，通过改变单元金属尺寸可实现透射相位 0～360°覆盖。

进一步的，所述出射角可定制的固定波束漏波天线的激励位置为间隙脊波导的一端，位于金属三角棱镜中没有任何加载的一条边的同侧，间隙脊波导的另一端连接50欧姆匹配负载。

在一个示例的出射角可定制的固定波束漏波天线的实际工作过程中，可以通过电磁超材料进行色散补偿，实现漏波天线辐射角度固定，并通过相位梯度超表面实现辐射角度的定制化。如图1所示，出射角可定制的固定波束漏波天线包括间隙脊波导均匀漏波天线1、二维三角金属棱镜2以及透射型相位梯度表面3。图2是上述出射角可定制的固定波束漏波天线的侧视图，整体结构由上下两层金属板覆盖(上层金属板覆盖包括第一金属板和第三金属板，下层金属板覆盖包括第二金属板和第四金属板)。图3(a)和图3(b)分别为出射角可定制的固定波束漏波天线上下盖板的内部结构示意图。均匀漏波天线部分包括两排上下对称的金属脊11和12、一排连接上下金属盖板的周期金属柱13和一排高度渐变的漏波金属柱14。通过设计漏波金属柱14的高度，可调节均匀漏波天线口面的漏波效率，如图3(c)所示。二维三角形金属棱镜2 由具有滑动对称性的周期金属柱21和22组成，如图3(d)和如图3(e)所示，通过设计金属柱的尺寸以及周期值来控制棱镜的色散特性。图4(a)是透射型相位梯度表面3的结构示意图，整体结构印刷在介质基板上，最小单元结构在竖直方向相同，而沿着水平方向是随周期变化的。图4(b)是透射型相位梯度表面最小单元的结构示意图，最小单元由三层金属结构31、32和33组成，每层之间金属结构呈45°旋转对称，即31的单元图案旋转45°可得到32的单元图案，32沿着同一个方向旋转45°可得到33的单元图案。图4(c)是本发明中梯度表面最新单元的中间层32的结构示意图，通过调节A₁、A₂、B₁和B₂来实现透射相位的变化。图5(a)是本发明中梯度表面所选取单元的典型透射幅度曲线，可以看出，大部分垂直入射的电磁波会被转化成水平极化的出射电磁波。图5(b)是本发明中梯度表面所选取单元在不同结构参数下的透射相位曲线，可以看出，在8～12GHz频段内，不同结构参数下的透射相位差覆盖0～180°，通过将中间单元32旋转90°并调节A₁、A₂、B₁和B₂即可实现另外180～ 360°相位差的覆盖。

为了验证设计的出射角可定制的固定波束漏波天线，采用CST软件进行了仿真。图6给出了所设计天线在工作频段内的辐射方向图。可以看出，在9.3～11.3GHz频带内，辐射主波束被固定在40°附近的范围内。

图7(a)是本示例中一种出射角可定制的固定波束漏波天线的下盖板加工实物图。图7(b)是本示例中出射角可定制的固定波束漏波天线的透射型相位梯度表面加工实物图，水平方向由35个等周期不通尺寸的单元组成，垂直方向由三排尺寸相同的单元组成，介质基板为介电常数2.5的FR-4材料。图8给出了本示例中出射角可定制的固定波束漏波天线的实物测试结果，包括出射角可定制的固定波束漏波天线在工作频带内的辐射方向图，图8表明本示例提供的中出射角可定制的固定波束漏波天线整体性能与仿真结果吻合良好，进一步验证了通过人工电磁材料进行色散补偿，实现漏波天线辐射角度的固定，并定制其出射角度的方法。

在一个示例中，出射角可定制的固定波束漏波天线的工作示意图可以参考图9所示，其中可以通过调节金属漏波柱的高度控制均匀漏波天线辐射进金属棱镜的功率大小；通过调节棱镜内金属柱的尺寸、周期以及棱镜入射面与出射面的夹角，实现对漏波天线辐射角度的非线性色散补偿；通过调整透射型相位梯度表面单元结构尺寸，以控制梯度表面的出射相位分布，从而实现对辐射角度的线性色散补偿以及出射角度的定制。上述出射角可定制的固定波束漏波天线设计方法简便，加工成本较低，安装便利，在点对点通信、大带宽信号传输、SAR雷达等方面具有重要的应用前景。

本示例提供的出射角可定制的固定波束漏波天线与传统技术相比，具有以下优点：

现有的低色散漏波天线需要设计复杂传输结构来减缓频率变化对波束指向的影响，但传输结构复杂，辐射角度变化依然较大；使用低色散的准TEM模式进行辐射，但辐射角度只能限制在端射角附近；使用惠更斯超表面进行辐射补偿，但单元设计复杂，且工作带宽小，辐射效率低。

本示例构建了一种能单独进行色散补偿的漏波天线，与现有低色散漏波天线相比，独立色散补偿的漏波天线能够按照实际漏波天线的色散情况进行有针对性的补偿，使得波束色散能被控制在很小的范围内，且设计流程中无需多部件之间的联动，具有很高的设计灵活性。

本示例构建的能定制出射角度的固定波束漏波天线，与现有低色散漏波天线相比，基于梯度表面加载的漏波天线能够对辐射角度进行按需定制，其定制角度范围覆盖整个 180°辐射面。

本示例的出射角可定制的固定波束漏波天线设计简便，加工成本低，安装便利，且易于集成，由良好的通用性，通过调整尺寸结构便可设计在不同工作频段内，易于推广应用。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。