(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 105720376 A(43)申请公布日 2016.06.29
(21)申请号 201610086580.X(22)申请日 2016.02.15
(71)申请人 北京交通大学
地址 100044 北京市海淀区上园村3号(72)发明人 王均宏 耿云杰
(74)专利代理机构 北京正理专利代理有限公司
11257
代理人 付生辉 戴元毅(51)Int.Cl.
H01Q 13/22(2006.01)
权利要求书1页 说明书5页 附图4页
(54)发明名称
漏波天线及基于漏波天线的波束赋形方法(57)摘要
本发明公开一种漏波天线及基于漏波天线的波束赋形方法，该漏波天线的漏泄缝隙的形状为对应不同辐射方向的包括不同周期结构的复合结构。本发明原理明确、设计简单，有利于波束赋形的设计与优化。
CN 105720376 ACN 105720376 A
权 利 要 求 书
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1.一种漏波天线，其特征在于，该漏波天线的漏泄缝隙的形状为包括对应不同辐射方向的不同周期结构的复合结构。
2.根据权利要求1所述的漏波天线，其特征在于，所述包括不同周期结构的复合结构为根据对应不同辐射方向的不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数计算得到的。
3.根据权利要求2所述的漏波天线，其特征在于，所述对应不同辐射方向的不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数的表达式为：
其中，x、y分别为漏波天线的漏泄缝隙所在的直角坐标系的x、y轴坐标，y轴方向为漏波天线的漏泄缝隙的分布方向，N为形成组合函数的正弦函数个数，Pn为第n个正弦函数形状缝隙的周期，加权系数Wn为第n个正弦函数形状缝隙的缝隙宽度，α为周期系数，β为叠加系数。
4.一种基于漏波天线的波束赋形方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
制作漏泄缝隙的形状为包括对应不同辐射方向的不同周期结构的复合结构的漏波天线；
利用所述漏波天线产生多个-1次空间谐波叠加，对天线波束进行赋形。5.根据权利要求4所述的基于漏波天线的波束赋形方法，其特征在于，所述制作漏泄缝隙的形状为对应不同辐射方向的包括不同周期结构的复合结构的漏波天线进一步包括如下子步骤：
利用对应于不同辐射方向的多个不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数计算得到漏波天线的漏泄缝隙的形状；
通过选择各周期正弦函数的加权系数来调整不同方向上的电场辐射强度。6.根据权利要求5所述的基于漏波天线的波束赋形方法，其特征在于，所述对应不同辐射方向的不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数的表达式为：
其中，x、y分别为漏波天线的漏泄缝隙所在的直角坐标系的x、y轴坐标，y轴方向为漏波天线的漏泄缝隙的分布方向，N为形成组合函数的正弦函数个数，Pn为第n个正弦函数形状缝隙的周期，加权系数Wn为第n个正弦函数形状缝隙的缝隙宽度，α为周期系数，β为叠加系数。
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说 明 书
漏波天线及基于漏波天线的波束赋形方法
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技术领域
[0001]本发明涉及电子及通信技术领域。更具体地，涉及一种漏波天线及基于漏波天线的波束赋形方法。
背景技术
[0002]在低能耗无线通信及某些特定应用场合中，需要对天线辐射能量的区域和范围进行人为规划，如在天线的某些方向希望有较强的辐射、其它方向辐射较弱，或在天线某些较大的角度范围内均希望有较强的辐射等，这就必须对天线的辐射方向图进行所希望的波束赋形设计。现有天线波束赋形方法大多基于天线阵列理论，采用较复杂的加权阵列馈电方法，而对只有一个馈电端口的漏波天线波束的赋形方法则很少研究。[0003]因此，需要提供一种结构简单、馈电方便的漏波天线及基于漏波天线的波束赋形方法。
发明内容
[0004]本发明的目的在于提供一种漏波天线及基于漏波天线的波束赋形方法，解决现有波束赋形算法复杂、实现困难的问题，同时扩大漏波天线的应用场合和范围。[0005]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：[0006]传统的漏波天线多采用基波辐射的方式，其辐射主瓣方向固定不变，因而要实现按照天线方向图的波束赋形只能采用阵列的方法。然而对于周期均匀的缝隙漏波天线而言，当在适当范围内改变缝隙周期P时，除了基波辐射外，其它空间谐波也可能产生辐射，并且辐射谐波的传播常数会随周期显著改变，因而可通过改变周期实现了空间谐波波束指向的变化。
[0007]一种漏波天线，该漏波天线的漏泄缝隙的形状为包括对应不同辐射方向的不同周期结构的复合结构。[0008]优选地，所述包括不同周期结构的复合结构为根据对应不同辐射方向的不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数计算得到的。[0009]优选地，所述对应不同辐射方向的不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数的表达式为：
[0010]
x、y分别为漏波天线的漏泄缝隙所在的直角坐标系的x、y轴坐标，y轴方向为其中，
漏波天线的漏泄缝隙的分布方向，N为形成组合函数的正弦函数个数，Pn为第n个正弦函数形状缝隙的周期，加权系数Wn为第n个正弦函数形状缝隙的缝隙宽度，α为周期系数，β为叠加系数。
[0012]一种基于漏波天线的波束赋形方法，该方法包括如下步骤：
[0013]制作漏泄缝隙的形状为包括对应不同辐射方向的不同周期结构的复合结构的漏
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[0011]
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波天线；
[0014]利用所述漏波天线产生多个-1次空间谐波叠加，对天线波束进行赋形。[0015]优选地，所述制作漏泄缝隙的形状为对应不同辐射方向的包括不同周期结构的复合结构的漏波天线进一步包括如下子步骤：
[0016]利用对应于不同辐射方向的多个不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数计算得到漏波天线的漏泄缝隙的形状；
[0017]通过选择各周期正弦函数的加权系数来调整不同方向上的电场辐射强度。[0018]优选地，所述对应不同辐射方向的不同周期的正弦函数加权叠加后形成的组合函数的表达式为：
[0019]
x、y分别为漏波天线的漏泄缝隙所在的直角坐标系的x、y轴坐标，y轴方向为其中，
漏波天线的漏泄缝隙的分布方向，N为形成组合函数的正弦函数个数，Pn为第n个正弦函数形状缝隙的周期，加权系数Wn为第n个正弦函数形状缝隙的缝隙宽度，α为周期系数，β为叠加系数。
[0021]通过选择各周期正弦函数的加权系数来调整不同方向上的电场辐射强度，从而在步骤“利用所述漏波天线产生多个-1次空间谐波叠加，对天线波束进行赋形”中利用制作的漏波天线产生不同指向、不同强度波束的叠加，完成对天线波束的赋形。
[0022]上述方法可以应用于需要的波束赋形的漏波天线的设计和工作中，例如应用于受限空间中宽波瓣低损耗漏波天线等；上述方法具体可通过将多个对应于不同-1次谐波指向的周期正弦函数叠加，形成一个组合函数，并用这个组合函数来设计漏波天线的复合缝隙结构的形状，实现从数学组合到结构复合的映射，从而达到利用不同指向波束叠加、进行波束赋形的目的。
[0023]本发明的有益效果如下：[0024]1、本发明能够实现漏波天线的波束赋形，并且馈电简单，只需要一个馈电端口；可以按照具体所需的辐射方向图进行天线缝隙形状的设计以及天线结构的优化。[0025]2、本发明中复合型正弦函数形状缝隙的设计，保证了缝隙的连续变化，相比于现有的不连续周期横缝，保证了阻抗是渐变的、不间断的，从而提高了天线的输入特性；同时对于行波天线而言，本来许多结构采用的就是类似的连续变化结构，因而本发明容易被采用，具有一定的实际应用性。[0026]3、本发明具有原理明确、设计简单的优点，有利于波束赋形的设计与优化。附图说明
[0027]下面结合附图对本发明以及其具体实施方式作进一步详细的说明。[0028]图1示出本发明的整体思路示意图。
[0029]图2示出本发明实施例一的整体结构示意图。
[0030]图3示出本发明实施例一中组合型正弦函数形状缝隙的结构示意图。[0031]图4示出本发明实施例一中单一周期正弦函数形状缝隙的结构示意图。
[0032]图5示出本发明实施例一中矩形波导单一周期正弦函数形状缝隙漏波天线的远场
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电场方向图。
[0033]图6示出本发明实施例一中矩形波导漏波天线的波束赋形电场方向图。[0034]图7示出本发明实施例二的整体结构示意图。
[0035]图8示出本发明实施例二中组合型正弦函数形状缝隙的结构示意图。[0036]图9示出本发明实施例二中单一周期正弦函数形状缝隙的结构示意图。
[0037]图10示出本发明实施例二中基片集成波导单一周期正弦函数形状缝隙漏波天线的远场电场方向图。
[0038]图11示出本发明实施例二中基片集成波导漏波天线的波束赋形电场方向图。具体实施方式
[0039]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。[0040]实施例一
[0041]如图1和图2所示，基于本发明的矩形波导宽波瓣漏波天线，所述漏泄矩形波导的上表面开设有如图3所示的组合型正弦函数形状缝隙；漏泄矩形波导宽度和高度分别为a＝
波导长度为L＝1000mm，工作频率为f＝2.4GHz。110mm和b＝50mm，
[0042]如图3所示，组合型正弦函数形状缝隙沿着漏泄矩形波导中心轴线y方向分布。所述组合型缝隙可由10种如图4所示的单一周期的正弦函数形状的缝隙，按照不同的加权系数组合叠加而成。10种单一周期的正弦函数形状缝隙的周期Pn与作为加权系数的缝隙宽度Wn，以及对应的-1次空间谐波的指向角θ-1如下表所示：
[0043]
[0044]
根据加权系数Wn，进行10个单一周期的正弦函数的加权叠加，最终得由上述表格，
到组合后缝隙形状的函数表达式：
[0045]
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其中，x、y分别为漏波天线的漏泄缝隙所在的直角坐标系的x、y轴坐标，y轴方向为
漏波天线的漏泄缝隙的分布方向，Pn为第n个单一周期的正弦函数形状缝隙的周期，Wn为第n个单一周期的正弦函数形状缝隙的缝隙宽度。[0047]如图4所示，单一的正弦函数形状缝隙沿着漏泄矩形波导中心轴线y方向分布，缝隙周期P1＝68，缝隙宽度W1＝10mm，缝隙长度l＝800mm。缝隙函数表达式如下：
[0048]
如图5所示，单一周期正弦函数形状缝隙漏波天线的天线方向图中有两个波瓣辐射。此时-1次谐波的波束指向θ，3dB波束宽度为25.5°。-1＝-75°[0050]如图6所示，采用组合函数计算得到的矩形波导漏波天线的波束赋形电场方向图中的天线辐射方向已较好地符合所期望的满足受限空间特点的正割函数赋形，且3dB波束宽度达到了45.9°，天线性能达到一个较好的状态。[0051]实施例二
[0052]如图1和图7所示，基于本发明的基片集成波导宽波瓣漏波天线，所述漏泄矩形波导的上表面开设有如图8所示的组合型正弦函数形状缝隙；基片集成波导介质层厚度h＝1.524mm，介电常数εr＝3.0，金属通孔直径d＝1.0mm，同侧相邻金属孔的中心间距s＝1.7mm，基片集成波导的宽度w＝22.15mm，长度L＝200mm。工作频率为f＝5.8GHz。[0053]如图8所示，组合型正弦函数形状缝隙沿着漏泄矩形波导中心轴线y方向分，所述组合型缝隙是由10种如图9所示的单一周期的正弦函数形状的缝隙，按照不同的加权系数组合叠加而成。10种单一周期的正弦函数形状缝隙的周期Pn与作为加权系数的缝隙宽度Wn，以及对应的-1次空间谐波的指向角θ-1如下表所示：
[0049]
[0054]
[0055]
由上述表格，根据加权系数Wn，进行10个单一周期的正弦函数的加权叠加，最终得到组合后缝隙形状的函数表达式：
[0056]
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其中，x、y分别为漏波天线的漏泄缝隙所在的直角坐标系的x、y轴坐标，Pn为第n个
单一周期的正弦函数形状缝隙的周期，Wn为第n个单一周期的正弦函数形状缝隙的缝隙宽度。
[0058]如图9所示，单一周期正弦函数形状缝隙沿着漏泄矩形波导中心轴线y方向分布，缝隙周期P9＝35，缝隙宽度W9＝1mm，缝隙长度l＝175mm。缝隙函数表达式如下：
[0059]
如图10所示，单一周期正弦函数形状缝隙漏波天线的天线方向图中有两个波瓣辐射。此时-1次谐波的波束指向θ，3dB波束宽度为15.5°。-1＝-15°[0061]如图11所示，采用组合函数计算得到的基片集成波导漏波天线的波束赋形电场方向图中的天线辐射方向图已较好地符合所期望的满足受限空间特点的正割函数赋形，且3dB波束宽度达到了56.7°，天线性能达到一个较好的状态。[0062]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
[0060]
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