高效宽带微带漏波天线

摘要

提出并研究了一种基于锥形设计的漏波天线布局。设计新的锥形漏波天线(LWA)运行一个简单的程序,使用一个FDTD代码,并使用合适的金属墙壁的中心线沿着天线连接导体地带和地平面,它允许只使用一半的结构,采用一个简单的喂养,以及旁瓣的减小。与传统的均匀微带LWA相比，这种新型锥形微带LWA的优良性能主要表现在驻波比33%的宽频带，更高的增益(12 dBi)和更高的效率(高达85%)。此外，从理论分析可以看出，降低衬底的相对介电常数，漏波天线的带宽变得更宽，从而提高了漏波天线的性能。

1.介绍

近年来，基于微针高阶模式的漏波天线的研制取得了进展[1，2］.LWAs具有形状小、易于匹配、制作简单、频率/电扫描能力强等优点。但在某些应用中，特别是在点对点通信中，LWA的主波束变化应尽可能小。锥形步进微针LWA是获得固定主波束LWA的一种可能的解决方案，其中每个步进可以在随后的频率范围内照射[3.］.不幸的是，在该天线中，后续步骤之间的阻抗不匹配降低了带宽，而且没有主导模式扰动的高阶模式的激励需要更复杂的馈电方案。弯曲设计的锥形天线带有沿天线长度的物理接地结构，可以减少阻抗不匹配，抑制主导模式(绑定模式)。该方案提高了频带增益、效率，并简化了馈电。此外，由于图象理论的存在，可以只设计出具有相同整体特性的半天线，从而减小了均匀微带LWA的尺寸。如果使用相对介电常数接近1的衬底，则LWA的效率和频带性能将得到进一步提高。

在本文中，我们提出了一种新的曲线锥形LWA，如下节讨论。

2.微带曲线LWA的设计

通过对全波分析方法得到的色散特性方程的求解，可以解释微带LWAs的特性。这种方法可以通过复杂的传播常数来计算漏波的辐射区域,在那里第一高级模的相位常数是和吗为泄漏常数。全波分析的复杂性[4，5]来求解传播特性，建议使用一种简单的FDTD算法，该算法使用PML边界条件，如[6，得到归一化相位常数和衰减常数。从传播特性来看，只有在高阶模态的截止频率以上，以及在自由空间波数处相位常数相等的频率以下才会出现泄漏辐射现象。

从这些曲线的特性我们知道漏模辐射的频率范围，这可以用更有用的方法来表示我们的天线[3.]： 从(1)可以看出，随着天线宽度的减小，截止频率增加，并向高频方向移动。这种行为允许设计多节微带LWA根据[3.]叠加不同的部分，其中每个部分可以在不同的频率范围和随后的辐射，获得宽带天线。这样，每个部分都应该进入界限区、辐射区或无功区，以允许功率以不同频率均匀辐射。此外，我们注意到(1)使用相对介电常数接近1的衬底材料，漏波天线带宽变得更宽，并急剧增加。不幸的是，这个多部分的LWA(图中的布局类型I1(a))显示回波损耗曲线、伪旁瓣和阻抗失配的波纹。我们减少波纹和旁瓣的想法是设计一个光滑的轮廓天线，使用相同的截止相位常数或衰减常数曲线(＝)，这条曲线是根据每个微带段的不同宽度和长度而改变频率得到的，如[7，使用这个方程 该方程由色散特性的截止点的线性多项式插值给出，其中．通过在连接导体带和接地面的中心线上设置合适的金属壁，可以进一步减少波纹和伪旁瓣，允许采用简单的馈电平面线(图中布置类型II)2)．这个物理接地结构抑制了基本模式，迫使能量在下一个更高的模式中传播。如前所述，可以只设计整个曲线的一半为锥形LWA。半曲线锥形LWA具有与整体相同的特性，但尺寸比整体锥形LWA减少20%，比均匀微带LWA减少60%。III型天线布局(半曲线锥形LWA)如图所示3.是优化槽三维电磁仿真器(CST微波工作室),和回波损耗,辐射模式,和天线效率与multisection LWA (I型)和曲线锥形LWA (II型)。一个原型的设计、制备锥形LWA RT /特耐用5880衬底,厚度为0.787 mm。LWA的长度选择为120毫米。允许90%的辐射在9.5 GHz的频率上，15毫米的起始宽度，8.9毫米的最终宽度。在天线中心线上的孔中插入一系列的覆盖导线，沿天线的所有长度得到一个简单的物理接地结构(见图)4)．

此外，设计并制作了一个半锥形LWA的原型，使用前面提到的同一衬底，在边缘中心线上应用一根胶粘剂导体，沿天线的所有长度连接导体带和接地面(见图)5)．

因此，与传统的均匀微带LWAs相比，这种布局提高了带宽(驻波比< 2时为33%)、增益(12 dBi)和效率(高达85%)[8](当驻波比< 2时，带宽为22%，峰值增益可达10 dBi，效率可达75%)。

3.理论与实验结果

要在LWA中激发高阶模TE10，只需用50Ω的不对称平面馈线即可。事实上，沿着LWA中心线的物理接地结构可以抑制在天线中激发的主导模式。I型多截面锥形天线为开路天线，起始宽度为15mm，最终宽度为8.9 mm，设计采用根据[3.]，而LWA II型的平滑轮廓则是透过(2)．正如前面说的,获得的天线类型III只使用一半的横向尺寸天线II型,和(II型和III型)是作为一个开路LWA类型。我们已经实现了模拟使用衬底的厚度0.787毫米和相对介电常数为2.32。从Type I的return loss (S11)来看，如下图所示dB仅在三个短距离频率(见图)6)，而II型和III型的S11几乎相同，如下所示dB从8到11.2 GHz，如图所示7．此外，第II类及第III类激光雷达的驻波比(在8.01 ~ 11.17 GHz之间)的天线效率(在同一频率范围内约为85%)如图所示8(一个)-8 (b)和数字9(一个)-9 (b)．LWAs I型和III型在9.5 GHz时的主瓣图如图所示10和11．从图中可以看出，旁瓣减小，LWA III型增益峰值可达12 dBi, I型到III型主瓣变化不大。图中绘制了半LWA (III型)的测量回波损耗和半LWA (III型)的测量e场方向图(8ghz)的结果，与模拟回波损耗和模拟e场方向图(8ghz)的比较12和13，表示同意。

这些结果表明，III型天线的性能(33%的驻波比< 2，高天线效率和高功率增益)优于统一LWAs(20%的驻波比，peck功率增益高达10 dBi)，如[8］.然而，这一性能是获得降低高达60%的均匀天线尺寸。

最后,从(1),我们也要注意如果相对介电常数方法1,截止频率的变化对高频率和辐射地区的上限频率变得无限,大幅增加的带宽LWA,正如我们可以看到仿真回波损耗的天线类型III与获得1.1如图所示14．此外，从色散方程用时域有限差分法求解1.1以及III型天线(12mm)的平均宽度(见图)15)的平值接近0.8和持平的值接近0。这就产生了一个低变化的主瓣角()用于宽范围的高频和同一主瓣的窄形状。

4.结论

本文提出了一种高附加值的8 ~ 11ghz宽带微带漏波天线设计方案。利用时域有限差分(FDTD)编码，通过改变多段宽带微带LWA的频率计算出的截止相位常数或衰减常数曲线的插值，得到了LWA的传播常数，这是设计光滑的LWA轮廓所必需的。仿真和实测结果表明，该曲线锥形微带漏波天线在其长度上具有物理接地结构，与传统的宽带高增益均匀微带漏波天线相比具有良好的性能。当该结构对微波和毫米波应用的高性能微带漏波天线的设计具有吸引力。

参考文献

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3. w .香港T.-L。陈,彭译葶。Chang J.-W。辛,Y.-D。Lin，“宽带锥形微带漏波天线”天线与传播学报第51卷第1期第8页，1922-1928,2003。视图:出版商的网站|谷歌学者
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7. “一种新的宽带微带漏波天线设计”，刊于应用计算电磁学进展第23届年会论文集(ACES’07)， 2007年3月，意大利维罗纳。视图:谷歌学者
8. 钱云，张兆昌，陈克昌，张克昌，“微带结构中漏模的高效率和宽带激励”，中华人民大学学报(自然科学版)IEEE MTT-S国际微波会议摘要，第4卷，1419-1422页，美国加利福尼亚州阿纳海姆，1999年6月。视图:出版商的网站|谷歌学者

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