一种波束可重构漏波天线
阅读说明：本技术 一种波束可重构漏波天线 (Wave beam reconfigurable leaky-wave antenna ) 是由 李建星 徐开达 陈娟 贺未雨 施俊威 于 2021-08-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种波束可重构漏波天线,包括介质基板、设置在介质基板上的两个共面波导馈电部分、两个过渡部分及漏波结构；漏波结构位于两个过渡部分之间；两个过渡部分分别通过一个共面波导馈电部分与天线端口相连；漏波结构包括SSPP传输线及若干金属贴片；SSPP传输线位于介质基板的中心线上；SSPP传输线包括金属带及若干SSPP单元槽,金属带的两端分别与两个过渡部分相连；若干SSPP单元槽等间距排列在金属带的同一侧；每个SSPP单元槽与金属带之间设有变容二极管,若干金属贴片均匀分布在SSPP传输线的同一侧,且与SSPP单元槽同侧设置；本发明实现了在宽频带内波束从后向到前向的连续扫描特性和单一频点的波束扫描特性,扫描范围大,结构紧凑。(The invention discloses a wave beam reconfigurable leaky-wave antenna, which comprises a dielectric substrate, two coplanar waveguide feed parts arranged on the dielectric substrate, two transition parts and a leaky-wave structure, wherein the two coplanar waveguide feed parts are arranged on the dielectric substrate; the leaky wave structure is positioned between the two transition parts; the two transition parts are respectively connected with the antenna port through a coplanar waveguide feed part; the leaky wave structure comprises an SSPP transmission line and a plurality of metal patches; the SSPP transmission line is positioned on the central line of the dielectric substrate; the SSPP transmission line comprises a metal strip and a plurality of SSPP unit grooves, and two ends of the metal strip are respectively connected with the two transition parts; the SSPP unit grooves are arranged on the same side of the metal belt at equal intervals; a variable capacitance diode is arranged between each SSPP unit groove and the metal belt, and a plurality of metal patches are uniformly distributed on the same side of the SSPP transmission line and are arranged on the same side of the SSPP unit groove; the invention realizes the continuous scanning characteristic of the wave beam from back to front in the broadband and the wave beam scanning characteristic of a single frequency point, and has large scanning range and compact structure.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种波束可重构漏波天线。
背景技术
天线是无线通信系统中关键的组成部分，起到转换导行电磁波与辐射电磁波能量的作用，其性能将直接影响整个无线通信系统的各项指标。近年来，随着在天线领域研究的深入，要求不同的通信系统设计出不同的天线。
可重构天线是指多天线阵列中各阵元之间的关系是可以根据实际情况灵活可变的，而非固定的；它主要是通过调整状态可变器件，实现天线性能的可重构；可重构天线可以动态改变天线的工作模式以满足不同通信需求，可以通过单个天线实现多种功能。
目前，现有的可重构天线可以实现在频带内波束从后向到前向的连续扫描特性或者单一频点的波束扫描特性，但尚未发现既具有在宽频带内波束从后向到前向的连续扫描特性，又具有单一频点的波束扫描特性的可重构天线。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种波束可重构漏波天线，以解决现有的可重构天线无法实现在宽频带内波束从后向到前向的连续扫描，且不具有单一频点的波束扫描特性的技术问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
本发明提供了一种波束可重构漏波天线，包括介质基板、设置在介质基板上的两个共面波导馈电部分、两个过渡部分及漏波结构；漏波结构位于两个过渡部分之间；两个过渡部分分别通过一个共面波导馈电部分与天线端口相连；
漏波结构包括SSPP传输线及若干金属贴片；SSPP传输线位于介质基板的中心线上；SSPP传输线包括金属带及若干SSPP单元槽，金属带的两端分别与两个过渡部分相连；若干SSPP单元槽等间距排列在金属带的同一侧；
每个SSPP单元槽与金属带之间设置有变容二极管，变容二极管的正极与金属带相连，变容二极管的负极与SSPP单元槽相连；若干金属贴片均匀分布在SSPP传输线的同一侧，且与SSPP单元槽同侧设置。
进一步的，共面波导馈电部分包括中心信号线及两个金属地；中心信号线位于介质基板的中心线上，中心信号线的一端与天线端口相连，另一端与过渡部分相连；两个金属地分别设置在中心信号线的两侧，金属地与中心信号线之间设置缝隙，金属地与过渡部分相连。
进一步的，过渡部分包括传输线及两个渐变地；传输线的一端与共面波导馈电部分相连，另一端与漏波结构相连；两个渐变地分别设置在传输线的两侧，渐变地的一端与共面波导馈电部分相连；渐变地的另一端朝着漏波结构的方向，逐渐张开呈喇叭形并远离传输线。
进一步的，传输线的一侧开设有若干排布凹槽，相邻排布凹槽的中心间距相等；若干排布凹槽的开口长度从靠近共面波导馈电部分的一端向靠近漏波结构的一端由小到大依次渐变设置。
进一步的，金属贴片采用圆形贴片，圆形贴片的半径为13mm，相邻圆形贴片的中心间距为36mm；圆形贴片与SSPP单元槽的最小间距为1.5mm。
进一步的，介质基板采用F4B基板；其中，F4B基板的厚度为0.5mm，相对介电常数为2.56，损耗正切角为0.003。
进一步的，调节变容二极管的正负极偏压，能够调节所述波束可重构漏波天线的波束指向及波束宽度特性。
进一步的，共面波导馈电部分的特征阻抗与过渡部分的特征阻抗相匹配，且过渡部分的特征阻抗与漏波结构的特征阻抗相匹配。
进一步的，变容二极管的容值为0.23-2.1pF。
进一步的，调节SSPP单元槽的结构尺寸，能够调节所述波束可重构漏波天线的工作频带特性；其中，SSPP单元槽的结构尺寸包括SSPP单元槽的槽深、槽宽及相邻SSPP单元槽的中心间距。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明提供了一种波束可重构漏波天线，通过在介质基板上设置共面波导馈电部分、过渡部分及漏波结构，电磁信号经过过渡部分从共面波导馈电部分传输至漏波结构的SSPP传输线上，SSPP传输线支持慢波表面波模式，慢波是不能辐射到自由空间，通过在SSPP传输线凹槽侧加载若干金属贴片引入周期性调制，激发出高次空间谐波，从而使其结构变成能够辐射的漏波结构，将电磁信号辐射至自由空间中，由于漏波天线背面没有金属地，因此天线的方向图上下空间内呈现对称特性，在宽频段内实现了波束从后向到前向的宽角度扫描；通过在SSPP的金属带与SSPP单元槽之间加载变容二极管，通过调节变容二极管两端偏压，使SSPP单元的有效槽深不同，从而改变SSPP单元的色散曲线，从而改变漏波天线的主辐射方向，能够实现在单一频点的波束扫描特性，得到波束可重构的漏波天线；本发明提供的波束可重构漏波天线扫描范围大，结构紧凑，成本低廉，适合于平面集成通信系统。
进一步的，馈电部分采用中心信号线与两个金属地的组合作为共面波导，共面波导的金属地和导带在同一平面，更有利于所设计的器件集成化。
进一步的，过渡部分采用渐变地结构，在两个渐变地之间设置传输线，并在传输线上开设若干开口渐变的排布凹槽，实现由共面波导部分向漏波结构部分的转换；共面波导是一种以准TEM模传播的双导体传输线，SSPP传输线依靠单导体传播，传播模式为TM模，通过指数渐变的金属地以及在传输线上开设若干开口渐变的排布凹槽，完成由共面波导部分向漏波结构部分的转换，在过渡部分中，准TEM模与TM模表面波都存在；通过合理设计过渡结构的尺寸，既可以实现阻抗匹配，又能减小能量在过渡结构处辐射，提高传输效率。
进一步的，将圆形贴片周期性的排布在SSPP传输线凹槽侧，引入周期性调制，激发出高次空间谐波，从而使其结构变成能够辐射的漏波结构，将电磁信号辐射至自由空间中。
进一步的，F4B基板损耗小，介电常数稳定，耐辐射性能好，具有良好的电气性能和较高的机械强度，是一种优良的微波印制电路基板。
附图说明
图1为实施例所述的波束可重构漏波天线的结构示意图；
图2为实施例所述的波束可重构漏波天线中的过渡部分结构示意图；
图3为实施例所述的波束可重构漏波天线中的SSPP传输线的局部结构示意图；
图4为实施例所述的波束可重构漏波天线的变容二极管的容值为0.23pF至0.42pF对应的S11和增益的仿真结果图；
图5为实施例所述的波束可重构漏波天线的变容二极管的容值为0.60pF至2.10pF对应的S11和增益的仿真结果图；
图6为实施例所述的波束可重构漏波天线在X-Z面变容二极管的容值为0.23pF时的波束角度随频率扫描的辐射方向图；
图7为实施例所述的波束可重构漏波天线不同容值时主辐射方向随频率变化的关系图；
图8为实施例所述的波束可重构漏波天线在X-Z面频率为4GHz的波束扫描方向图。
其中，1共面波导馈电部分，2过渡部分，3漏波结构，4介质基板；11中心信号线，12金属地；21传输线，22渐变地；211排布凹槽；31SSPP传输线，32金属贴片；311金属带，312SSPP单元槽，313变容二极管。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题，技术方案及有益效果更加清楚明白，以下具体实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种波束可重构漏波天线，包括两个共面波导馈电部分1、两个过渡部分2、漏波结构3及介质基板4，共面波导馈电部分1、过渡部分2及漏波结构3均设置在介质基板4上；漏波结构3位于两个过渡部分2之间，漏波结构3的两端分别与两个过渡部分2相连；两个过渡部分2分别通过一个共面波导馈电部分1与天线端口相连；其中，共面波导馈电部分1的一端为过渡部分2，另一端为天线端口；过渡部分2的一端与共面波导馈电部分1相连，另一端与漏波结构3相连。
共面波导馈电部分1包括中心信号线11及两个金属地12，中心信号线11位于介质基板4的中心线上；中心信号线11的一端与天线端口相连，另一端与过渡部分2相连；两个金属地12分别设置在中心信号线11的两侧，金属地12与过渡部分2相连，且金属地12与中心信号线11之间设置缝隙。
过渡部分2包括传输线21及两个渐变地22，传输线21位于介质基板4的中心线上，传输线21的一端与共面波导馈电部分1的中心信号线11相连，传输线21的另一端与漏波结构3相连；传输线21的一侧开设有若干排布凹槽211，相邻排布凹槽211的中心间距相等；若干排布凹槽211的开口长度从靠近共面波导馈电部分1的一端向靠近漏波结构3的一端由小到大依次渐变设置；两个渐变地22分别设置在传输线21的两侧，且渐变地22与传输线21之间设置缝隙；渐变地22的一端与共面波导馈电部分1的金属地12相连，渐变地22的另一端朝着漏波结构3的方向，逐渐张开呈喇叭形并远离传输线21。
漏波结构3包括SSPP传输线31及若干金属贴片32，SSPP传输线31位于介质基板4的中心线上；SSPP传输线31的一端与其中一个过渡部分2的传输线相连，另一端与另一个过渡部分2的传输线相连；SSPP传输线31包括金属带311及若干SSPP单元槽312，金属带311位于介质基板4的中心线上，且位于两个过渡部分2之间；金属带311的一端与其中一个过渡部分2的传输线相连，金属带311的另一端与另一个过渡部分2的传输线相连。
若干SSPP单元槽312等间距排列在金属带311的同一侧；每个SSPP单元槽312与金属带311之间设置有变容二极管313，变容二极管313的正极与金属带311相连，变容二极管313的负极与SSPP单元槽312相连；若干金属贴片32均匀分布在SSPP传输线31的同一侧，若干金属贴片32等间距周期性排布；并且，金属贴片32与SSPP单元槽312同侧设置，SSPP单元槽312位于金属贴片32与金属带311之间。
介质基板4采用F4B基板；其中，共面波导馈电部分1、过渡部分2及漏波结构3通过印刷电路板工艺制作在F4B基板的表面。
工作原理：
电磁信号经过过渡部分2，由共面波导馈电部分1馈入漏波结构3的SSPP传输线31上；之后，SSPP传输线31支持慢波表面波模式，慢波是不能辐射到自由空间，通过在SSPP传输线31凹槽侧加载若干金属贴片32引入周期性调制，激发出高次空间谐波，从而使其结构变成能够辐射的漏波结构，将电磁信号辐射至自由空间中，由于漏波天线背面没有金属地，因此天线的方向图上下空间内呈现对称特性，在宽频段内实现了波束从后向到前向的宽角度扫描；在SSPP单元311和312上加载变容二极管313，通过改变其两端偏压，使SSPP单元的有效槽深不同，从而改变SSPP单元的色散曲线，从而改变漏波天线的主辐射方向，能够实现在单一频点的波束扫描特性，得到波束可重构的漏波天线。
实施例
如附图1-3所示，本实施例提供了一种波束可重构漏波天线，包括两个共面波导馈电部分1、两个过渡部分2、漏波结构及介质基板4；共面波导馈电部分1、过渡部分2及漏波结构3均设置在介质基板4上。
本实施例中，共面波导馈电部分1、过渡部分2及漏波结构3均通过印刷电路板工艺制作于介质基板4上；介质基板4采用F4B基板；其中，F4B基板的尺寸特征为：长×宽＝320×62mm，厚度为0.5mm；F4B基板的相对介电常数为2.56，损耗正切角为0.003。
漏波结构3具有辐射能力，漏波结构3位于两个过渡部分2之间；漏波结构3的两端分别与两个过渡部分2相连，两个过渡部分2分别通过一个共面波导馈电部分1与天线端口相连；过渡部分2作为共面波导馈电部分1与漏波结构3之间的过渡，第一个过渡部分的一端与漏波结构3的一端相连，第一个过渡部分的另一端与第一个共面波导馈电部分的一端相连，第一个共勉波导馈电结构的另一端与其中一个天线端口相连；漏波结构3的另一端与第二个过渡部分的一端相连，第二过渡部分的另一端与第二个共面波导馈电部分的一端相连，第二个共面波导馈电部分的另一端与另一个天线端口相连。
共面波导馈电部分1包括中心信号线11及两个金属地12，中心信号线11位于介质基板4的中心线上；中心信号线11的一端与天线端口相连，另一端与过渡部分2中的传输线21相连；两个金属地12分别设置在中心信号线11的两侧，金属地12与过渡部分2中的渐变地22相连，金属地12与中心信号线11之间设置缝隙。
本实施例中，共面波导馈电部分11的长度方向与介质基板4的长度方向一致，共面波导馈电部分11的长度为10mm；其中，中心信号线11的宽度为5mm；金属地12与中心信号线11之间的缝隙宽度为0.28mm。
本实施例中，过渡部分2的长度方向与介质基板4的长度方向一致；过渡部分2的长度为60mm；过渡部分2包括传输线21及两个渐变地22，传输线21位于介质基板4的中心线上，传输线21的一端与共面波导馈电部分1的中心信号线11相连，传输线21的另一端与漏波结构3的金属带311相连；传输线21的一侧开设有若干传输线21的一侧开设有若干排布凹槽211，相邻排布凹槽211的中心间距相等，排布凹槽211的开口方向与漏波结构3的金属贴片同侧设置。
若干排布凹槽211的开口长度从靠近共面波导馈电部分1的一端向靠近漏波结构3的一端由小到大依次渐变设置；两个渐变地22分别设置在传输线21的两侧，且渐变地22与传输线21之间设置缝隙；渐变地22的一端与共面波导馈电部分1的金属地12相连，渐变地22的另一端朝着漏波结构3的方向，逐渐张开呈喇叭形并远离传输线21。
漏波结构3包括SSPP传输线31及若干金属贴片32，SSPP传输线31位于介质基板4的中心线上；SSPP传输线31的一端与其中一个过渡部分2的传输线相连，另一端与另一个过渡部分2的传输线相连；SSPP传输线31包括金属带311及若干SSPP单元槽312，金属带311位于介质基板4的中心线上，且位于两个过渡部分2之间；金属带311的一端与其中一个过渡部分2的传输线相连，金属带311的另一端与另一个过渡部分2的传输线相连。
若干SSPP单元槽312等间距排列在金属带311的同一侧；每个SSPP单元槽312与金属带311之间设置有变容二极管313，变容二极管313的正极与金属带311相连，变容二极管313的负极与SSPP单元槽312相连；若干金属贴片32均匀分布在SSPP传输线31的同一侧，若干金属贴片32等间距周期性排布；并且，金属贴片32与SSPP单元槽312同侧设置，SSPP单元槽312位于金属贴片32与金属带311之间。
本实施例中，漏波结构3的长度方向与介质基板4的长度方向一致；漏波结构3的长度为200mm，即金属带311的长度为311mm；金属带311的宽度为5mm；若干SSPP单元槽312沿金属带311呈周期性排布，相邻SSPP单元槽312的中心间距为5mm，SSPP单元槽312的槽宽为3mm，槽深为4mm；若干金属贴片32沿金属带311呈周期性直线排布；优选的，金属贴片32采用圆形贴片；相邻金属贴片32的中心间距为36mm，圆形贴片与SSPP单元槽312的最小间距为1.5mm。
本实施例中，变容二极管313的容值为0.23-2.1pF；调节变容二极管313的正负极偏压，能够调节所述波束可重构漏波天线的波束指向及波束宽度特性。
以下结合具体仿真结果对本实施例所述的波束可重构漏波天线的性能进行说明。
定义：电磁波馈入所述的波束可重构漏波天线的方向为X方向，垂直于所述的波束可重构漏波天线的平面向上为Z方向，并按照右手定则确定Y方向；其中，漏波结构3的SSPP传输线31与X方向平行。
如附图4所示，附图4中给出了所述的波束可重构漏波天线的变容二极管的容值为0.23pF至0.42pF对应的S11和增益的仿真结果图；如附图5所示，附图5中给出了所述的波束可重构漏波天线的变容二极管的容值为0.60pF至2.10pF对应的S11和增益的仿真结果图；其中，变容二极管的容值分别为0.23pF、0.27pF、0.36pF、0.42pF、0.60pF、0.92pF、1.44pF及2.10pF。
从附图4-5中可以看出，在变容二极管从0.23pF增至2.1pF时，所述的波束可重构漏波天线在4GHz-8GHz内的S11均低于-10dB，阻抗匹配性能良好。所述的波束可重构漏波天线的增益在8.2dBi至10.5dBi之间浮动；可以得出，加载变容二极管对漏波天线的阻抗匹配性能以及增益影响较小，可以利用加载变容二极管的方式实现漏波天线的波束可重构。
如附图6所示，附图6中给出了所述的波束可重构漏波天线在X-Z面变容二极管的容值为0.23pF时的波束角度随频率扫描的辐射方向图；并且，当变容二极管的容值为其他值时，可得到类似的附图6所示的方向图；通过提取出天线的上半空间内各主辐射方向的角度，绘制得到如附图7所示的所述的波束可重构漏波天线不同容值时主辐射方向随频率变化的关系图。
从附图6-7中可以看出，所述的波束可重构漏波天线，在4GHz-8GHz频段内，容值为0.23pF时，主辐射方向从-46°扫描至27°；容值为0.27pF时，主辐射方向从-46°扫描至30°；容值为0.36pF时，主辐射方向从-45°扫描至35°；容值为0.42pF时，主辐射方向从-44°扫描至38°；容值为0.6pF时，主辐射方向从-43°扫描至48°；容值为0.92pF时，主辐射方向从-42°扫描至62°。在4GHz-7.5GHz频段内，容值为1.44pF时，主辐射方向从-41°扫描至52°；容值为2.1pF时，主辐射方向从-40°扫描至59°。
上述结果说明：加载变容二极管的波束可重构漏波天线，在各容值下均可以实现波束的连续扫描，即任一容值时的天线均可作为传统的漏波天线应用；另外，综合上述数据进行分析，可以总结出：通过调节变容二极管的容值，所述的波束可重构漏波天线的主辐射方向能够从后向-46°连续扫描至前向62°，总波束扫描范围达108°。
如附图8所示，附图8中给出了所述的波束可重构漏波天线在X-Z面频率为4GHz的波束扫描方向图；当频率为其他值时，也可以得到类似的方向图；从附图8中可以看出，不同容值下，所述的波束可重构漏波天线在相同的频率处具有不同的波束指向角度；其中，频率为4GHz时，波束扫描范围为6°；频率为4.5GHz时，波束扫描范围为9°；频率为4GHz时，波束扫描范围为9°；频率为5GHz时，波束扫描范围为10°；频率为5.5GHz时，波束扫描范围为12°；频率为6GHz时，波束扫描范围为18°；频率为6.5GHz时，波束扫描范围为6°；频率为7GHz时，波束扫描范围为22°；频率为7.5GHz时，波束扫描范围为39°；频率为8GHz时，波束扫描范围为35°；当频率固定时，改变变容二极管的容值即可改变天线的辐射方向图，即波束可重构。因此，该天线也可以作为定频波束扫描天线使用。
本发明中，共面波导馈电部分的特征阻抗是50Ω，过渡部分采用渐变地结构，通过在传输线上设置若干渐变的排布凹槽，以使过渡部分的特征阻抗与漏波结构的特征阻抗相匹配；具有辐射能力的漏波结构采用在SSPP传输线附近周期性加载圆形贴片，形成表面等离激元。
表面等离激元是光波段存在于金属和介质分界面的一种自由电子共振现象，具有近场增强、被束缚在金属表面、波长短等优良特性；表面等离激元在微波波段可以产生类似于表面等离激元的色散与传播特性；因其具有的特殊传播特性，表面等离激元被广泛应用于微波以及太赫兹频段的器件研究与设计；表面等离激元具有波数大、波长短的特点，能够实现人工表面等离激元器件的小型化；另外，表面等离激元对于电磁波具有超强的场束缚性，因此设计表面等离激元天线将能够减少天线之间的耦合，利于在狭小空间内应用。
本发明所述的波束可重构漏波天线，通过在介质基板上设置共面波导馈电部分、过渡部分及漏波结构，电磁信号经过过渡部分从共面波导馈电部分传输至漏波结构的SSPP传输线上，经过SSPP传输线耦合至金属贴片，并通过金属贴片辐射至自由空间；通过在SSPP的金属带与SSPP单元槽之间加载变容二极管，通过调节变容二极管两端偏压，得到波束可重构的漏波天线，实现了在宽频带内波束从后向到前向的连续扫描特性和在单一频点的波束扫描特性，具有扫描范围大，结构紧凑，成本低廉，适合于平面集成通信系统的特点。
本发明所述的波束可重构漏波天线，包括设置在共面波导馈电部分、过渡部分及漏波结构；其中，过渡部分，用于实现由共面波导馈电部分向具有辐射能力的漏波结构的过渡；本发明中，过渡部分采用渐变地结构，还需排布槽深渐变的单元，以实现阻抗匹配；具有辐射能力的漏波结构部分采用在SSPP传输线的同一侧周期性加载圆形贴片形成，电磁波能量首先经过过渡部分从共面波导馈电部分传输到SSPP传输线上，然后从SSPP传输线耦合至圆形贴片，再通过圆形贴片辐射至自由空间；其中，SSPP传输线采用在金属带的单边开槽，形成单边开槽的金属条带SSPP单元结构，通过改变SSPP单元槽的结构尺寸，可以改变天线的工作频带；通过在SSPP单元槽与金属带之间加载变容二极管，通过改变变容二极管两端偏压使天线成为波束可重构的漏波天线。
上述实施例仅仅是能够实现本发明技术方案的实施方式之一，本发明所要求保护的范围并不仅仅受本实施例的限制，还包括在本发明所公开的技术范围内，任何熟悉本技术领域的技术人员所容易想到的变化、替换及其他实施方式。
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