[发明专利]一种二维沟槽定向微带贴片天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种高辐射性能微带贴片天线的设计方法，特别涉及一种二维沟槽定向微带 贴片天线的设计方法。

背景技术

微带贴片天线由于具有成本低，重量轻，低剖面等特点在军用和民用领域都有很大的发 展前景，但是这类天线也存在一些缺点，如由于表面波的损耗，天线的辐射效率很低，并且 频率带宽极窄，又限制了它的发展。如何减小表面波的损耗，提高贴片天线的辐射性能成为 天线领域研究的一个重点方向，常用的有以下两种方法：一是人工电磁波软表面，即传统周 期沟槽结构，在软表面上任意极化的电场强度均为零，即沿着表面没有电磁波的辐射，所以 使用传统周期沟槽结构可以抑制表面波的传播来提高天线的性能。另外一种方法则是近年来 出现了一种新型结构——电磁禁带结构，它是一种周期性分布的人工结构，在特定的频率范 围内能够有效地禁止电磁波的传播。如果贴片天线的工作频率在这种结构的禁带范围内，则 可抑制表面波的传播，提高天线的辐射性能。这两种方法都是通过对表面波的抑制来提高天 线的辐射性能，但是天线的增益增加的很小，一般为2dB左右。

近些年来在光波段又取得了一些令人振奋的结果：即当光通过环绕着环形沟槽结构(称 作“牛眼”沟槽)的亚波长孔径或亚波长金属孔阵列时，将会表现出非常奇异的光学效应：即 透过率异常增强和远场的beaming效应。这些新现象引起了许多研究人员的兴趣，H.J.Lezec 等人利用金属表面等离子体的共振激发来解释这种沟槽产生的异常透射现象，即当使用周期 沟槽结构的金属表面时，入射光能够获得额外来自光栅结构的倒晶格矢量而激发表面等离子 体共振，于是在入射波长处可以增强透过率；在出射面上，由于表面等离子体能量耦合成出 射光向自由空间辐射，在法线方向相干叠加，在离轴方向相消减弱，于是就出现了beaming 效应。在光波段，表面波就是表面等离子体；而在微波和太赫兹波段，即使是金属为理想金 属(PEC)，表面波由于在沟槽间的相互作用也是存在的。最近，光波段的周期沟槽结构已被 放大到微波波段，并且相关实验已经证明：这种周期沟槽结构在微波波段也存在异常透射和 beaming效应的现象。M.Bertete等人基于这一理论，利用“牛眼”沟槽结构设计了一种新型的 低剖面缝隙馈电天线，可以大幅度提高天线的增益，但经过分析发现金属板边沿表面波的绕 射比较严重，导致天线的后向辐射增强，降低了天线辐射能量的前后比。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种二维沟槽定向微带贴片 天线的设计方法，利用“牛眼”沟槽结构调制表面波的能量分布，并使之二次辐射出去，可以 大幅度提高微带贴片天线增益，同时在在“牛眼”沟槽结构外圈集成传统沟槽结构抑制表面波 传播，减小后向辐射，从而提高天线辐射能量的前后比。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种二维沟槽定向微带贴片天线的设计方 法，其特征在于步骤如下：

(1)确定贴片天线激励源的工作波长λ；

(2)选择一种金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在金属板上放上微带贴片天线作为辐射源，其中微带贴片天线和金属板之间用介质 基底隔开。

(4)利用同轴线对微带贴片天线进行馈电；

(5)在金属板的出射面，微带贴片天线周围周期性排布N1个环形“牛眼”沟槽结构，沟 槽的周期为P1，深度为d1，宽度为w1；

(6)在“牛眼”沟槽结构外紧接着周期性排布N2个传统沟槽结构，沟槽的周期为P2，深 度为d2，宽度为w2；一种二维沟槽定向微带贴片天线设计完成。

所述步骤(2)中的金属板材料在微波波段选择为金属铝，其形状可以为正方形，矩形或圆形。

所述步骤(5)中的沟槽深度d1取值为0.18λ～0.22λ，沟槽宽度w1为0.5λ～0.7λ。

所述步骤(5)中的周期数目N1为大于等于1的整数，并且N1越大，微带贴片天线辐 射产生的表面波受到“牛眼”沟槽调制地更充分，表面波能量大部分都二次辐射出去，因此 该天线的增益也越大，但是N1增加到一定值，天线的增益会达到饱和，同时考虑到整个天线 系统小型化的要求，这里根据具体需要来设置“牛眼”沟槽结构的周期数目N1。

所述步骤(5)中的“牛眼”沟槽结构沟槽周期确定过程如下所示：

根据以下公式(1)表面等离子体的色散关系和公式(2)光栅方程：