[发明专利]一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种高增益微波天线的设计方法，特别涉及一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线。

背景技术

近几年，根据Bethe所描述的经典衍射理论，一束波长为λ的光，通过半径为r(r＜λ)的亚波长孔径时，透过率非常小，近似为(r/λ)⁴，并且透过小孔的光将沿各个方向传播；然而，当光通过环绕着周期沟槽结构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，这引起了人们极大的兴趣，关于这种奇特现象的物理起源，H.J.Lezec等人利用金属表面等离子体的共振激发来解释沟槽结构的异常透射现象；接着L.Martin-Moreno等人基于同样的观点利用衍射理论和电磁场理想边界条件建立了一维周期沟槽结构的理论模型；后来大量的相关理论和实验结果都证明是表面等离子体的共振导致了亚波长孔径光的异常透射和beaming效应。

近来，人们利用光波段亚波长孔径的异常透射机制将沟槽结构放大到微波波段，S.SenaAkarca-Biyiki等人通过实验验证了微波通过周围有一维光栅结构的亚波长狭缝时也存在异常透射特性；M.J.Lockyear等人对微波通过环绕着环形周期沟槽结构的亚波长圆形孔径的异常透射现象和远场定向辐射特性进行了研究，并仔细分析了透过率的增强机制认为：由于近场衍射，在出射面形成的近似驻波特性的表面波主导着透过率的大小；M.Bertete等人基于这种周期沟槽结构能产生的异常透射和beaming现象的特点，设计了一种低剖面牛眼馈电天线，将平板缝隙天线的增益提高了约15dB，这是他们第一次将环形沟槽结构应用到天线领域。由于环形沟槽结构局限于单个缝隙馈电阵元，无法应用到缝隙阵列天线中。

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，通过对沟槽结构的形状进行重新设计，并且对其各参数进行重新确定，提供了一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线的设计方法。

本发明解决其技术解决问题所采用的技术方案：一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线，其特征在于步骤如下：

(1)确定天线激励源的工作波长λ；

(2)选择金属板材料，金属板的厚度为h；

(3)在金属板中间开串行的金属缝隙结构，所开的金属缝隙的个数为M，宽度为w₁，长度为L，缝隙之间的间隔为L₁；

(4)激励源从金属板下方垂直于金属表面入射，从金属板上方金属表面出射；

(5)在金属板的出射面，金属缝隙结构的两侧并行嵌入N个对称的有限沟槽，沟槽的周期为P，深度为d，宽度为w₂；一种高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线设计完成；

(6)利用现有加工技术对所设计的高增益沟槽波导缝隙阵列微波天线进行制作。

所述步骤(2)中的金属板材料为可以激发表面电磁波的金属铝。

所述步骤(2)中的金属层的厚度h为5～10mm。

所述步骤(3)中的宽度w₁应该远远小于工作波长λ，长度L为λ/3到λ/1.5，缝隙间隔L₁应小于入射波长λ。

所述步骤(3)中的金属缝隙的个数M越大，所获得的增益越大，并且出射的波束宽度越窄。

所述步骤(5)中的沟槽深度d取值为0.1λ到0.2λ，沟槽宽度w₂为0.05λ到0.15λ。

所述步骤(5)中的周期数目N为大于等于1的整数，并且N越大，出射波获得的增益越大，但是当N＞6时，天线的增益达到饱和，所以取N＝6。

所述步骤(5)中的沟槽周期确定过程如下所示：

在公式(1)和公式(2)中给出了表面等离子体的色散关系和光栅方程：