一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线及其设计方法
本发明涉及电子及通信，更具体的说是涉及一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线及其设计方法。
背景技术：
1、漏波天线(lwas)因其具有带宽宽、指向性高、结构简单等独特优势，近年来备受关注。一般情况下，在单束辐射应用中只使用基波或-1次谐波。然而，由于双光束辐射能够同时聚焦两个目标，因此在某些情况下，双波束辐射是非常需要和期望的。双波束天线通过采用单个天线的两个波束同时聚焦两个物体，可以提升通信系统的信道容量，并减少架设天线的数量，减少系统功耗。为了满足这一需求，人们提出了一些关于双波束漏波天线的工作。到目前为止，漏波天线双波束成形的方法主要集中在：1)双漏泄源法；2)多模波导辐射；3)调制周期法；4)双谐波辐射。
2、在各类双波束成形方法中，双谐波法通过选择需要的谐波作为快波进行辐射，可以灵活地辐射多次谐波。然而，在采用双谐波方法时，随着频率的增加，两个谐波都将向前扫描，当两波束在边射方向(0°，即天线法相)对称时，多个周期槽反射的同相叠加会产生强反射，此时阻抗匹配差，影响两波束的增益，使得双波束无法连续扫描。因此，现有技术1(“dual-beam leaky-wave antenna array with capability of fixed-frequency beamswitching”，x.li,j.wang,z.li,y.li,m.chen andz.zhang，ieee access，vol.8，pp.28155-28163，2020)提出了一种基于基波和-1次谐波的开阻带(osb)抑制siw天线，然而，阵列中的每个siw lwa都工作在固定频率下，且通过siw通孔柱上局部通孔的交错半径放大来抑制开阻带的方法相对复杂，设计参数较多。现有技术2(“higher-orderspaceharmonics in substrateintegrated waveguide leaky-waveantennas”，m.r.rahimi,m.s.sharawi andk.wu，ieee trans.antennaspropag，vol.69，no.8，pp.4332-4346，aug.2021)中也提到，为了消除多次谐波共存时的开阻带问题，引入了额外的横向缝隙来消除反射，但是，额外的缝隙会直接增加天线设计的难度，增加设计参数的数量，不利于天线的优化。
3、因此，如何克服工作带宽受限、双波束扫描范围受限，抑制开阻带设计复杂，无法灵活快捷地设计具有各类扫描速率、带宽和辐射效率的漏波天线等缺点是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
技术实现思路
1、有鉴于此，本发明提供了一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线及其设计方法，解决了背景技术存在的问题。
2、为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
3、一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法，包括以下步骤：
4、确定天线的工作频段，根据工作于te10模式的基片集成波导的截止频率设置基片集成波导的相关参数；
5、根据谐波中快波辐射的约束条件设计合理的缝隙周期p，以使漏波天线在工作频段内实现-1次空间谐波和-2次空间谐波共存下的双波束扫描；
6、通过调节缝隙的横向拉伸系数ax，消除-1次空间谐波和-2次空间谐波共存时的开阻带现象；
7、通过调节缝隙的纵向拉伸系数ay，设计用户所需的扫描速率、带宽和辐射效率的双波束无阻带基片集成波导漏波天线。
8、可选的，工作于te10模式的基片集成波导的截止频率的计算方式为：
9、
10、式中：fte10表示截止频率，c表示光速，εr表示介电常数，w表示波导宽度，d表示金属柱直径，s表示金属柱间距。
11、可选的，根据谐波中快波辐射的约束条件设计合理的缝隙周期p，具体包括以下步骤：
12、由floquet理论可知，周期槽的扰动产生无限的空间谐波集，第n次空间谐波的相位常数βn表示为：
13、
14、对于每一次谐波，若βn满足则第n次空间谐波为快波，可以进行有效辐射；否则，第n次空间谐波为慢波，将被束缚在波导表面，表现为表面波；
15、将-1次空间谐波设为快波时，缝隙周期p的条件为：
16、
17、在双波束情况下要求-1次空间谐波和-2次空间谐波同时辐射，则β0满足以下两个条件：
18、
19、则p需满足：
20、
21、式中：β0表示基波的相位常数；n表示谐波的序数，为整数；p表示缝隙周期，k0表示自由空间波数。
22、可选的，te10模式传输下基波的相位常数表示为：
23、
24、基片集成波导的有效宽度的计算方式为：
25、
26、若n次空间谐波为快波，则辐射波束的辐射指向角表示为：
27、
28、当εr、w、d、s固定时，取适当的p值，使-1次空间谐波和-2次空间谐波在工作频段内均表现出快波特性，获得双波束辐射；
29、式中：β0表示基波的相位常数，εr表示介电常数，k0表示自由空间波数，weff表示基片集成波导的有效宽度，w表示波导宽度，d表示金属柱直径，s表示金属柱间距，θn表示辐射波束的辐射指向角，βn表示第n次空间谐波的相位常数。
30、可选的，所述方法还包括：引入蝶形缝隙，视为四叶草形缝隙在横向和纵向分别引入拉伸系数ax、ay。
31、一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线，使用上述的基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法形成，包括：馈电端口、吸收端口、蝶形缝隙、波导上层金属板、介质基板、波导底部金属板、金属通孔；
32、馈电端口与天线连接，用于接收天线馈入的射频信号；
33、吸收端口与匹配负载连接，用于吸收末端能量；
34、波导上层金属板上开设有若干个蝶形缝隙，波导上层金属板与波导底部金属板之间设置有介质基板；
35、金属通孔设置在基片集成波导两侧，用于充当电壁束缚电磁波。
36、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线及其设计方法，具有以下有益效果：
37、(1)本发明通过一个只有三个设计参数的蝶形缝隙单元，可以直接抑制开阻带现象，从而实现-1次和-2次谐波的连续无阻带扫描，这样既可以扩大双波束的扫描范围，又可以通过消除开阻带来扩大天线的工作带宽，为宽角度双波束扫描提供一种简单有效的方案；
38、(2)本发明的单元槽是具有反射抵消特性的单个缝隙单元，而不是两个缝隙组合成的单元，这大大简化了漏波天线的设计；
39、(3)本发明通过调节缝隙的横向拉伸系数ax，消除基片集成波导漏波天线在双谐波共存扫描时的阻带现象；通过调节纵向拉伸系数ay，可以在一定范围内灵活的设计双波束漏波天线的扫描速度、带宽和辐射效率，从而设计各种尺寸下的无阻带漏波天线，因此用户可以根据需要选择和定制双波束扫描漏波天线。此外，该方法有望应用于其他漏波结构和其他开阻带抑制情况。
技术特征：
1.一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法，其特征在于，工作于te10模式的基片集成波导的截止频率的计算方式为：
3.根据权利要求1所述的一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法，其特征在于，根据谐波中快波辐射的约束条件设计合理的缝隙周期p，具体包括以下步骤：
4.根据权利要求3所述的一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法，其特征在于，te10模式传输下基波的相位常数表示为：
5.根据权利要求1所述的一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法，其特征在于，所述方法还包括：引入蝶形缝隙，视为四叶草形缝隙在横向和纵向分别引入拉伸系数ax、ay。
6.一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线，其特征在于，使用如权利要求1-5任一项所述基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线的设计方法形成，包括：馈电端口、吸收端口、蝶形缝隙、波导上层金属板、介质基板、波导底部金属板、金属通孔；
技术总结
本发明公开了一种基于双谐波共存的双波束无阻带连续扫描基片集成波导漏波天线及其设计方法，涉及电子及通信领域，包括：确定天线的工作频段，根据工作于TE<subgt;10</subgt;模式的基片集成波导的截止频率设置基片集成波导的相关参数；根据谐波中快波辐射的约束条件设计合理的缝隙周期P，在工作频段内实现‑1次空间谐波和‑2次空间谐波共存下的双波束扫描；通过调节缝隙的横向拉伸系数，消除‑1次空间谐波和‑2次空间谐波共存时的开阻带现象；通过调节缝隙的纵向拉伸系数，设计用户所需的扫描速率、带宽和辐射效率的双波束无阻带基片集成波导漏波天线。本发明能实现基片集成波导漏波天线的双波束扫描，消除阻带现象，灵活设计扫描速度、带宽和辐射效率。
技术研发人员：王均宏,郑伟
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23