本發(fā)明屬于微帶漏波天線領(lǐng)域，具體的說，是涉及一種引入金屬圓孔負(fù)載的微帶漏波天線及其控制方法，特別是對(duì)微帶天線第一高階模eh1模態(tài)泄漏區(qū)頻率的控制方法。

背景技術(shù)：

微帶線是目前混合微波集成電路和單片微波集成電路中使用最多的一種平面型傳輸線。微帶天線是在一個(gè)薄介質(zhì)基片上，一面附上金屬薄層作為接地板，另一面用光刻腐蝕方法制成一定形狀的金屬貼片，利用微帶線或同軸探針對(duì)貼片饋電構(gòu)成的天線。微帶天線分為兩大類：第一，貼片形狀是一細(xì)長(zhǎng)帶條，則為微帶振子天線；第二，貼片是一個(gè)面積單元時(shí)，則為微帶天線。

在微帶線和微帶天線工作的過程中，電磁波沿微帶線軸線一邊傳播一邊不斷地向空間輻射能量而產(chǎn)生漏波。這種漏波在某些情況下是有害的，因?yàn)樗鼘⒃斐上到y(tǒng)各部分間的干擾而使系統(tǒng)總體性能下降；但在另一些場(chǎng)合下則是有用的，譬如利用微帶線泄漏波輻射能量的性質(zhì)可以制作各種形式的微帶線漏波天線和應(yīng)用漏波來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)和定位的雷達(dá)系統(tǒng)等等。

傳統(tǒng)微帶線的泄漏模，也就是第一高階模eh1模態(tài)首先是由oliner教授在1986年發(fā)現(xiàn)提出[1]，文章中闡述：在微帶天線的輻射區(qū)發(fā)現(xiàn)了泄漏模態(tài)的存在，包括eh0模態(tài)，eh1模態(tài)和eh2模態(tài)，并對(duì)以上三個(gè)模態(tài)做了特性研究，描繪出了三個(gè)模態(tài)的色散常數(shù)曲線并說明了三組曲線之間的關(guān)系以及三組曲線和介電常數(shù)值之間的關(guān)系。由微帶線的泄漏特性而制作的微帶天線，在性能上有諸多優(yōu)勢(shì)，如：高增益，高效率，頻率掃描特性以及制作簡(jiǎn)單等。[2,3,4,5,6]

傳統(tǒng)的漏波微帶天線一般是靠調(diào)節(jié)橫截面方向微帶線的寬度和介質(zhì)材料的介電質(zhì)常數(shù)來控制第一高階模eh1模態(tài)的截止頻率及泄漏區(qū)頻率，利用微帶線寬度的變化可以制作在不同頻率區(qū)域泄漏能量的微帶漏波天線。[7]

傳統(tǒng)的微帶漏波天線雖然有諸多的好處，但是一直以來面臨著尺寸過大的問題。由經(jīng)驗(yàn)可知，微帶漏波天線在波的傳播方向和橫截面方向至少分別需要四個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度與半個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)度，因此若達(dá)到有效減小天線面積的作用，就要從減小波的傳播方向尺寸和減小橫截面方向尺寸兩個(gè)方面入手。

若波傳播方向尺寸小于四個(gè)操作頻率所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，就會(huì)使得反射波能量增加，天線h平面方向圖反射瓣增益過大，因此若想從減小傳播方向尺寸方面入手來減小天線的有效面積，則需要解決的就是抑制反射波能量增加的問題：

1.chien-jenwang等研究人員在微帶漏波天線末端加入了輻射單元(相當(dāng)于一條泄漏路徑)，這種做法可以有效避免剩余能量的反射，因而有效抑制天線后瓣增益的大小[8]。具體來說，光圈可以將傳播剩余能量引入背面的貼片天線中。當(dāng)改變操作頻率時(shí)，可以在漏波天線的h平面看到頻率掃描特性，可以明顯看到后瓣增益減小。

2.y.x.li等設(shè)計(jì)利用兩個(gè)帶有短路邊緣的貼片耦合輻射能量的方法來抑制后瓣能量。

近年來，一些改變微帶天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法被應(yīng)用在傳統(tǒng)微帶天線上來控制eh1模態(tài)的截止頻率及泄漏區(qū)頻率以達(dá)到減小橫截面方向?qū)挾鹊淖饔茫?/p>

(1)研究人員利用在金屬地平面上開槽的方式控制eh1模態(tài)的截止頻率向低頻移動(dòng)[9]，但是雖然這種方式確實(shí)可以有效減小橫截面方向的寬度，但是會(huì)導(dǎo)致阻抗匹配的情況發(fā)生，因此另外在微帶漏波天線的信號(hào)線上開了兩個(gè)矩形槽，這兩個(gè)矩形槽既能達(dá)到阻抗匹配的目的，又能起到抑制反射波能量的作用。

(2)另一組研究人員利用eme(電場(chǎng)-磁場(chǎng)-電場(chǎng))慢波結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)漏波微帶天線在兩個(gè)頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生了泄漏模[10]，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)泄漏模eh1截止頻率的控制：此eme微帶線融合了pbg結(jié)構(gòu)，并在微帶線上引入了周期性干擾。實(shí)驗(yàn)證明eme結(jié)構(gòu)的引入不僅可以減小漏波天線的尺寸，也繼承了傳統(tǒng)微帶漏波天線的優(yōu)勢(shì)，如窄瓣和頻率掃描特性。

在研究siw(基片集成波導(dǎo))的過程中，a.niembro-martin金屬圓孔被引入傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)信號(hào)線中使得波導(dǎo)中模態(tài)的色散特性曲線產(chǎn)生變化[11]。金屬圓孔的引入使得結(jié)構(gòu)的慢波系數(shù)增加,在相同的操作頻率下,此結(jié)構(gòu)中等效波長(zhǎng)減小,結(jié)果是可以使siw的長(zhǎng)度寬度尺寸都下降,文章中還對(duì)產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因做了電磁學(xué)分析。雖然傳統(tǒng)漏波天線在性能上有諸多優(yōu)勢(shì)，但是一直以來還面臨著尺寸過大的問題。

[1]a.a.olinerandk.s.lee:“thenatureoftheleakagefromhighermodesonmicrostripline,”ieeemtt-sint.microw.symp.dig.(1986)57(doi:10.1109/mwsym.1986.1132108).

[2]a.a.oliner:“l(fā)eakagefromhighermodesonmicrostriplinewithapplicationtoantennas,”radiosci.22(1987)907(doi:10.1029/rs022i006p00907).

[3]c.luxeyandj.m.laheurte:“simpledesignofdual-beamleaky-waveantennasinmicrostrips,”ieeproc.microw.antennaspropag.144(1997)397(doi:10.1049/ip-map:19971407).

[4]j.l.gómez-tornero,etal.:“designoftaperedleaky-waveantennasinhybridwaveguide-planartechnologyformillimeterwavebandapplications,”ieeetrans.antennaspropag.53(2005)2563(doi:10.1109/tap.2005.850741).

[5]c.n.huandc.k.tzuang:“analysisanddesignoflargeleaky-modearrayemployingthecoupled-modeapproach,”ieeetrans.microw.theorytech.49(2001)629(doi:10.1109/22.915436).

[6]y.d.lin,etal.:“analysisanddesignoffeedingstructuresformicrostripleakywaveantenna,”ieeetrans.microw.theorytech.44(1996)1540(doi:10.1109/22.536602).

[7]c.n.huandc.k.tzuang:“injection-lockedcoupledmicrostripleaky-modeantennaarray,”ieeproc.microw.antennaspropag.147(2000)364(doi:10.1049/ip-map:20000599).

[8]c.j.wang,etal.:“two-dimensionalscanningleaky-waveantennabyutilizingthephasedarray,”ieeemicrow.wirelesscompon.lett.12(2002)311(doi:10.1109/lmwc.2002.802033)

[9]j.w.wu,etal.:“acompactwidebandleaky-waveantennawithetchedslotelementsandtaperedstructure,”ieeetrans.antennaspropag.58(2010)2176(doi:10.1109/tap.2010.2048847).

[10]c.k.wu,etal.:“compressed-widthleakyeh1modepbgantenna,”ieeemicrow.wirelesscompon.lett.13(2003)343(doi:10.1109/lmwc.2003.815692).

[11]a.niembro-martín,etal.:“slow-wavesubstrateintegratedwaveguide,”ieeetrans.microw.theorytech.62(2014)1625(doi:10.1109/tmtt.2014.2328974).

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種引入金屬圓孔負(fù)載的微帶漏波天線及其控制方法，本發(fā)明專利從縮小微帶漏波天線橫截面方向長(zhǎng)度問題出發(fā)，將金屬圓孔引入傳統(tǒng)微帶漏波天線結(jié)構(gòu)中來控制微帶漏波天線中第一高階模eh1模態(tài)的截止頻率及泄漏區(qū)頻率，使得兩個(gè)頻率均向低頻移動(dòng)，利用此特性可以使天線橫截面方向的長(zhǎng)度減小，縮小電路版面面積，縮小產(chǎn)品體積。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種引入金屬圓孔負(fù)載的微帶漏波天線，由從上到下依次設(shè)置的信號(hào)線層、介質(zhì)層和金屬接地板構(gòu)成，所述介質(zhì)層設(shè)置有至少兩層，所述信號(hào)線層和介質(zhì)層內(nèi)等間距的排列設(shè)置有金屬圓孔。

所述介質(zhì)層為三層。

所述介質(zhì)層由介電常數(shù)為4.7，損耗角正切值為0.008的介質(zhì)材制成。

所述金屬圓孔的直徑為120-180μm。

所述信號(hào)線層和所述金屬接地板均為金屬板層，厚度均為16μm。

所述金屬板層由銅材料構(gòu)成。

一種引入金屬圓孔負(fù)載的微帶漏波天線的控制方法，包括以下步驟：

(1)根據(jù)需要的漏波天線輻射頻率及材料參數(shù)，確定天線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；

(2)利用分析軟件進(jìn)行模擬分析，提取天線結(jié)構(gòu)s參數(shù)矩陣，用混合特征值法提取復(fù)數(shù)特征值γ，也即結(jié)構(gòu)的傳播常數(shù)；γ＝α+jβ，α是損耗常數(shù)，β是相位常數(shù)，根據(jù)算出的復(fù)數(shù)特征值γ以繪制損耗常數(shù)曲線及相位常數(shù)曲線，也即是色散曲線；

(3)根據(jù)步驟(2)可得到天線結(jié)構(gòu)的色散曲線，從理論上確定天線結(jié)構(gòu)可對(duì)天線中第一高階模(eh1)模態(tài)的截止頻率及泄漏區(qū)頻率進(jìn)行控制；

(4)利用天線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作天線；

(5)繪制并觀察天線在泄漏區(qū)的方向圖，觀察其在漏波天線泄漏區(qū)是否有頻率掃描現(xiàn)象，并觀察天線增益，通過實(shí)踐證明其對(duì)第一高階模(eh1)模態(tài)的控制特性。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案所帶來的有益效果是：

采用本發(fā)明對(duì)微帶漏波天線的控制方法，通過在傳統(tǒng)微帶漏波天線基礎(chǔ)上引入金屬圓孔的方式，在結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)不變的前提下有效的對(duì)天線中第一高階模eh1模態(tài)的截止頻率及泄漏區(qū)頻率進(jìn)行控制，使兩個(gè)頻率向低頻移動(dòng)，并且金屬圓孔高度越大，移動(dòng)程度越大。由于已知天線橫截面長(zhǎng)度越長(zhǎng)，eh1模態(tài)泄漏區(qū)也會(huì)向低頻移動(dòng)，這就說明本發(fā)明漏波天線在工業(yè)設(shè)計(jì)的好處為：在其他參數(shù)條件不變的前提下，若要求傳統(tǒng)漏波天線及本發(fā)明漏波天線在同一頻率進(jìn)入泄漏區(qū)輻射能量，則本發(fā)明漏波天線橫截面積長(zhǎng)度可以比傳統(tǒng)漏波天線要短，這樣做可以縮小電路版面面積，進(jìn)而縮小產(chǎn)品體積。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工業(yè)制作簡(jiǎn)單，制作成本低。

附圖說明

圖1-1是本發(fā)明微帶漏波天線的三維結(jié)構(gòu)示意圖及其信號(hào)線層的單元結(jié)構(gòu)放大示意圖。

圖1-2是圖1-1的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1-1天線結(jié)構(gòu)的第一高階模eh1模態(tài)的歸一化色散常數(shù)曲線圖。

圖3是帶有200μm高金屬圓孔的微帶漏波天線實(shí)物圖。

圖4是帶有200μm高金屬圓孔的微帶漏波天線h平面方向圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

本發(fā)明保護(hù)一種引入金屬圓孔負(fù)載的微帶漏波天線，由從上到下依次設(shè)置的信號(hào)線層、介質(zhì)層和金屬接地板構(gòu)成，以下是本發(fā)明具體實(shí)施例的制作步驟及控制方法：

步驟1：該微帶漏波天線結(jié)構(gòu)采用四層金屬，三層介質(zhì)形式，金屬材料為銅，介質(zhì)材料參數(shù)為：介電常數(shù)4.7，損耗角正切值0.008。金屬層高度為16μm，介質(zhì)層高度為h1＝h2＝h3＝100μm,h＝h1+h2+h3＝300μm(見圖1-1和1-2所示)，以上可與制作廠商確定材料參數(shù)：

步驟2：根據(jù)需要的漏波天線輻射頻率及材料參數(shù)，確定設(shè)計(jì)天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)：

圖1-1和圖1-2所示，該實(shí)施例中天線上部為信號(hào)線層，下部為金屬接地板，中間為相間設(shè)置的金屬層和介質(zhì)層，信號(hào)線層和介質(zhì)層內(nèi)等間距的排列設(shè)置有金屬圓孔，金屬圓孔只與信號(hào)線層連接，不與金屬接地板連接，該天線采用四層金屬(metal1、metal2、metal3和metal4)及三層介質(zhì)層(sub1、sub2和sub3)結(jié)構(gòu)，三層介質(zhì)層高度分別為h1，h2，h3。其中w表示信號(hào)線寬度，p表示單元結(jié)構(gòu)周期，tsignal表示信號(hào)線層厚度，tground表示金屬接地板厚度，hp表示金屬圓孔的高度，dp為金屬圓孔的直徑，wh為信號(hào)線打孔距離。x方向?yàn)闄M截面方向，y方向?yàn)椴ǖ膫鞑シ较颉?/p>

步驟3：利用hfssansys^tm軟件進(jìn)行模擬分析，提取天線結(jié)構(gòu)s參數(shù)矩陣，用混合特征值方法(x.r.li,etal.:“anomalousdispersioncharacteristicsofperiodicsubstrateintegratedwaveguidesfrommicrowavetoterahertz,”ieeetrans.microw.theorytech.63(2015)2142(doi:10.1109/tmtt.2015.2431265).)提取復(fù)數(shù)特征值γ，也就是結(jié)構(gòu)的傳播常數(shù)。γ＝α+jβ，α是損耗常數(shù)，β是相位常數(shù)，根據(jù)算出的復(fù)數(shù)特征值可以繪制損耗常數(shù)曲線及相位常數(shù)曲線，也就是色散曲線。

提取復(fù)數(shù)特征值γ的公式為：

步驟4：根據(jù)步驟3的方法可以得到傳統(tǒng)天線結(jié)構(gòu)和本實(shí)施例天線結(jié)構(gòu)的色散曲線，圖2為圖1-1中天線結(jié)構(gòu)的色散曲線。具體參數(shù)設(shè)定為：w＝450μm,p＝600μm,tsignal＝tground＝16μm,dp＝150μm,wh＝150μm,h1＝h2＝h3＝100μm,h＝h1+h2+h3＝300μm,sub1，sub2，sub3的材料介電質(zhì)常數(shù)為4.7，材料損耗角正切值為0.008，hp分別設(shè)置為0μm、100μm和200μm。

圖2中分別有hp為0μm、100μm和200μm時(shí)漏波天線的第一高階模eh1模態(tài)的歸一化色散常數(shù)，虛線代表歸一化損耗常數(shù)，具體數(shù)值在右側(cè)縱軸表示，實(shí)線代表歸一化相位常數(shù)，具體數(shù)值在左側(cè)縱軸表示。本發(fā)明中將歸一化損耗常數(shù)α/β0與歸一化損耗常數(shù)β/β0的交點(diǎn)頻率定義為截至頻率；hp為0μm表示，在上述結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料參數(shù)條件下，傳統(tǒng)在信號(hào)線上打孔的漏波天線的截止頻率為10.6ghz；通過對(duì)比hp為0μm與hp為100μm可以得出，當(dāng)將100μm高的金屬圓孔加到信號(hào)線上，截至頻率由10.6ghz下降到10.1ghz，下降4.7％；通過對(duì)比hp為100μm與hp為200μm可以得出，當(dāng)將200μm高的金屬圓孔加到信號(hào)線上，截至頻率由10.6ghz下降到9.2ghz，下降13.2％。與此同時(shí)，漏波天線的泄漏區(qū)(β/β0＝0.2-0.8)也會(huì)向低頻移動(dòng)。由圖2可以看出，將金屬圓孔引入傳統(tǒng)漏波天線的方法顯然可以控制漏波天線的第一高階模eh1模態(tài)的截止頻率位置以及泄露區(qū)位置向低頻移動(dòng)，又因?yàn)橐阎獋鹘y(tǒng)漏波天線橫截面方向?qū)挾仍綄挘琫h1模態(tài)的截止頻率位置以及泄露區(qū)頻率越向低頻移動(dòng)，因此若要求傳統(tǒng)漏波天線及本發(fā)明漏波天線在同一頻率進(jìn)入泄漏區(qū)輻射能量，則本發(fā)明漏波天線橫截面積長(zhǎng)度可以比傳統(tǒng)漏波天線要短，這樣做可以縮小電路版面面積，進(jìn)而縮小產(chǎn)品體積。

此步驟從理論上證明了本發(fā)明保護(hù)的新天線結(jié)構(gòu)可以對(duì)天線中第一高階模eh1模態(tài)的截止頻率及泄漏區(qū)頻率進(jìn)行控制。

步驟5：利用本實(shí)施例新天線結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)制作天線。

圖3是用圖1-1中的結(jié)構(gòu)參數(shù)及材料參數(shù)制作的hp＝200μm的本發(fā)明新型微帶漏波天線以及50ω匹配線系統(tǒng)。天線采用四層印刷電路板(pcb)制程，橫截面方向(x方向)有11個(gè)單元結(jié)構(gòu)，波的傳播方向(y方向)有260個(gè)單元結(jié)構(gòu)，天線部分的尺寸為15.6cm×6.6mm。制作此天線的目的是為了證明圖2中的泄漏區(qū)確實(shí)會(huì)發(fā)生泄漏現(xiàn)象。

步驟6：繪制并觀察天線在泄漏區(qū)的方向圖，觀察其在漏波天線泄漏區(qū)是否有頻率掃描現(xiàn)象，并觀察天線增益：

圖4為制作的本實(shí)施例微帶漏波天線的h平面天線方向圖，觀察頻率為泄漏區(qū)的三個(gè)頻率：9.2ghz，9.3ghz，9.4ghz。實(shí)線為測(cè)量數(shù)值，虛線為用ansyshfss^tm軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析的數(shù)據(jù)?？梢钥闯鰷y(cè)量數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)吻合。當(dāng)頻率有9.2ghz變化到9.4ghz的時(shí)候，可以看到方向圖主瓣分別指向37°、41°和44°；天線增益分別為6.05dbi、5.17dbi和4.88dbi。這是微帶漏波天線典型的頻率掃描特性，證明了圖2中在色散曲線中的泄漏區(qū)確實(shí)發(fā)生了泄漏現(xiàn)象，證明了色散曲線的準(zhǔn)確性。

本發(fā)明并不限于上文描述的實(shí)施方式。以上對(duì)具體實(shí)施方式的描述旨在描述和說明本發(fā)明的技術(shù)方案，上述的具體實(shí)施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的。在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下還可做出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。