本發(fā)明屬于漏波天線技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于近場(chǎng)聚焦的內(nèi)向零階Hankel漏波天線。

背景技術(shù)：

Bessel波束具有良好的橫向分辨率和非衍射傳播距離特性，得到了人們的廣泛關(guān)注。1987年，Durnin通過求解麥克斯韋方程，理論上驗(yàn)證了Bessel函數(shù)具有非衍射波束特性，即在波束傳播方向，主波束在瑞麗距離之前不會(huì)發(fā)生衍射現(xiàn)象。至今為止，在光學(xué)，THz和微波領(lǐng)域中，許多Bessel發(fā)射器結(jié)構(gòu)已被提出，并成功地產(chǎn)生了Bessel非衍射波束。

眾所周知，Bessel波是由向外傳播的Hankel波和向內(nèi)傳播的Hankel波共同疊加而產(chǎn)生的駐波。但是，為了產(chǎn)生Bessel非衍射波束需要滿足一定的邊界條件。2014年，M.Ettorre團(tuán)隊(duì)采用幾何光學(xué)和空間波法，理論上驗(yàn)證了Bessel波束的非衍射特性，主要是由向內(nèi)傳播的Hankel波作用而得到的，而向外傳播的Hankel波對(duì)非衍射特性貢獻(xiàn)非常小。近年來，許多向內(nèi)傳播的Hankel天線被提出，用來實(shí)現(xiàn)Bessel非衍射波束。但是，這些Hankel天線是基于標(biāo)量波動(dòng)理論設(shè)計(jì)而成。然而，基于標(biāo)量波動(dòng)理論設(shè)計(jì)的天線不但具有尺寸大的特點(diǎn)，而且其產(chǎn)生的波束寬度較寬。并且，該理論只能用于較小徑向波數(shù)(k_ρ<0.3k₀)的設(shè)計(jì)。

2012年，M.Ettorre團(tuán)隊(duì)采用漏波模式，對(duì)Bessel波束的產(chǎn)生作了詳細(xì)的理論分析，并且設(shè)計(jì)了TM模式Bessel天線，為設(shè)計(jì)Bessel天線提供了新的方法。研究發(fā)現(xiàn)，將漏波模式運(yùn)用到Bessel天線的設(shè)計(jì)中，所設(shè)計(jì)的天線具有尺寸小，波束寬度窄等優(yōu)點(diǎn)。此外，該理論適用于任意徑向波數(shù)k_ρ<k₀的設(shè)計(jì)。基于漏波模式，所設(shè)計(jì)的漏波天線具有頻率調(diào)控的特點(diǎn)，即通過改變頻率，從而改變天線的特性。目前，漏波模式的設(shè)計(jì)方法還沒有應(yīng)用到Hankel天線的設(shè)計(jì)中。

然而，向內(nèi)傳播的Hankel函數(shù)也是Helmholtz公式的一個(gè)解。通過分析向內(nèi)傳播的零階Hankel函數(shù)H₀⁽¹⁾特性，發(fā)現(xiàn)該函數(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)Bessel非衍射波束，還可以實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦。

近場(chǎng)聚焦，即在近場(chǎng)范圍內(nèi)，電磁波在目標(biāo)點(diǎn)處聚集，可用于近場(chǎng)輻射測(cè)量，無線能量傳輸，光學(xué)鑷子，醫(yī)療成像和隱秘通信等各個(gè)領(lǐng)域。通常，采用天線陣列和光學(xué)透鏡來實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦。目前，采用Hankel天線實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦的報(bào)道還是一片空白。對(duì)于采用H₀⁽¹⁾函數(shù)實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦，可基于標(biāo)量波動(dòng)理論和矢量波動(dòng)理論來分析，可廣泛應(yīng)用于光學(xué)，THz以及微波頻率各個(gè)領(lǐng)域。但是，H₀⁽¹⁾函數(shù)在原點(diǎn)處，有一固有奇點(diǎn)。為了獲得良好的聚焦特性，需要移除函數(shù)在原點(diǎn)處的固有奇點(diǎn)。所以，天線在中心處需要一吸收結(jié)構(gòu)，來消除天線中心處殘留的向內(nèi)傳播的零階Hankel余波。1988年，M.Ando團(tuán)隊(duì)采用匹配縫隙使波在傳播的過程中向外輻射，耗散其能量，從而消除殘留在天線中心處的余波。2012年，F(xiàn)ei Ding采用超材料結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)吸收結(jié)構(gòu)，阻止電磁波的傳播。

(1)與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)一

M.Ettorre,S.C.Pavone,M.Casaletti,and M.Albani,“Experimental validation of Bessel beam generation using an inward Hankel aperture distribution,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.63,no.6,pp.2539–2544,2015。本技術(shù)基于幾何光學(xué)和空間波理論分析了場(chǎng)分布，驗(yàn)證了向內(nèi)傳播的Hankel波能很好地實(shí)現(xiàn)Bessel非衍射波束。為了驗(yàn)證這一理論，設(shè)計(jì)了一個(gè)向內(nèi)傳播的Hankel天線，如圖1所示。整個(gè)天線基于徑向線縫隙陣列設(shè)計(jì)而成。通過全息技術(shù)，天線上的小槽位置和大小被合理地設(shè)計(jì)。該天線通過在徑向波導(dǎo)上的線縫隙陣列，很好地激勵(lì)起向內(nèi)傳播的Hankel波，從而實(shí)現(xiàn)了Bessel波束，其缺點(diǎn)在于：1)該天線基于標(biāo)量波動(dòng)理論設(shè)計(jì)而成。該天線尺寸較大，其產(chǎn)生的Bessel波束寬度較寬。并且，該理論只能產(chǎn)生徑向波數(shù)k_ρ較小的Bessel波束。2)沒有頻率調(diào)控的特點(diǎn)。

(2)與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)二

F.Tofigh,J.Nourinia,M.N.Azarmanesh,and K.M.Khazaei，“Near-Field Focused Array Microstrip Planar Antenna for Medical Applications,”IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,vol.13,2014。本技術(shù)提出了用于近場(chǎng)聚焦的天線陣列結(jié)構(gòu)，如圖2所示。天線陣列為4×4排列，通過控制每個(gè)天線單元的饋電相位，來實(shí)現(xiàn)波束的聚焦。此天線陣列采用二次相位分布同幅度激勵(lì)來獲得較小的聚焦點(diǎn)。并且，此天線陣列需要根據(jù)激勵(lì)分布，運(yùn)用傳輸線理論，設(shè)計(jì)合適的饋電網(wǎng)絡(luò)。其缺點(diǎn)在于：1)整個(gè)天線陣列需要設(shè)計(jì)合適的饋電網(wǎng)絡(luò)。2)需要考慮天線單元之間互耦。3)沒有頻率調(diào)控的特點(diǎn)。

(3)與本發(fā)明有關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)三

M.Ettorre,S.M.Rudolph,and A.Grbic,“Generation of propagating Bessel beams using leaky-wave modes:experimental validation,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.60,no.6,pp.2645–2653,2012。此技術(shù)采用漏波模式理論，設(shè)計(jì)了TM模式Bessel天線，實(shí)現(xiàn)了非衍射波束的傳播。該天線基于徑向波導(dǎo)設(shè)計(jì)而成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。在徑向波導(dǎo)上表面覆蓋一容性阻抗表面結(jié)構(gòu)，由相互錯(cuò)開排列的周期性容形貼片構(gòu)成。此天線由同軸饋電，通過合理設(shè)計(jì)容性貼片的尺寸，激勵(lì)起合適的漏波模式，從而實(shí)現(xiàn)Bessel非衍射波束。其缺點(diǎn)在于：1)該天線激勵(lì)出來的是Bessel波，實(shí)現(xiàn)的是非衍射波束，不是形成聚焦點(diǎn)。2)天線的設(shè)計(jì)必須滿足一定的邊界條件。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種用于近場(chǎng)聚焦的內(nèi)向零階Hankel漏波天線，本發(fā)明技術(shù)方案如下：

一種用于近場(chǎng)聚焦的內(nèi)向零階Hankel漏波天線，包括徑向波導(dǎo)，所述徑向波導(dǎo)內(nèi)部沿徑向設(shè)置一平行于所述徑向波導(dǎo)底板的圓形金屬板，所述金屬板將所述徑向波導(dǎo)分隔為上、下兩介質(zhì)層，所述天線通過饋電同軸接頭饋電，在天線的下層介質(zhì)中激勵(lì)出零階Bessel駐波。饋電同軸接頭的內(nèi)芯支撐著所述金屬板，所述內(nèi)芯的頂部不超過所述金屬板的下表面，所述圓形金屬板邊緣與徑向波導(dǎo)內(nèi)壁之間設(shè)置有間隙，所述間隙沿徑向波導(dǎo)周向形成一環(huán)形縫隙，環(huán)形縫隙用來耦合獲得向內(nèi)傳播的零階Hankel波。徑向波導(dǎo)上層介質(zhì)表面設(shè)有用來激勵(lì)起漏波模式的阻抗表面結(jié)構(gòu)。

所述內(nèi)芯的頂部不超過所述金屬板的下表面是為了確保下層介質(zhì)激勵(lì)起零階Bessel波，而上層介質(zhì)只有向內(nèi)傳播的零階Hankel波，保證上層介質(zhì)內(nèi)向零階Hankel波的純度。

作為優(yōu)選方式，上介質(zhì)層的中心處設(shè)有用來消除天線中心處殘留余波的吸收結(jié)構(gòu)。吸收結(jié)構(gòu)用來消除天線中心處殘留的余波，從而獲得良好的聚焦特性。

作為優(yōu)選方式，所述阻抗表面結(jié)構(gòu)為容性表面結(jié)構(gòu)或感性表面結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選方式，所述吸收結(jié)構(gòu)為高阻抗表面結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)或超材料結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選方式，所述吸收結(jié)構(gòu)為寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)。

作為優(yōu)選方式，寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)包括多行多列排列的單元，每個(gè)單元包括方形貼片，每個(gè)方形貼片的四邊分別設(shè)有內(nèi)部有L型槽的L型枝節(jié)，所有單元的四個(gè)L型枝節(jié)都沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或都沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每個(gè)單元通過其四周的的L型枝節(jié)與相鄰的方形貼片連接起來構(gòu)成周期性結(jié)構(gòu)，L型枝節(jié)和L型槽在兩個(gè)方形貼片之間形成分布式電容電感網(wǎng)絡(luò)，用來引入多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，從而展寬頻帶。通過改變單元結(jié)構(gòu)的尺寸，該周期結(jié)構(gòu)可在需要的頻段內(nèi)形成阻帶，阻止余波在上層介質(zhì)的中心處傳播，從而達(dá)到消除H₀⁽¹⁾函數(shù)在原點(diǎn)處的固有奇點(diǎn)的效果。該寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)具有頻帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工等特點(diǎn)。

本發(fā)明的工作原理為：首先，徑向波導(dǎo)由饋電同軸接頭在徑向波導(dǎo)的下介質(zhì)層中激勵(lì)出向外傳播的零階Hankel波，然后，向外傳播的零階Hankel波傳播到波導(dǎo)壁處，由于波導(dǎo)邊緣的反射作用，向外傳播的零階Hankel波變成了向內(nèi)傳播的零階Hankel波，一部分繼續(xù)留在徑向波導(dǎo)的下層介質(zhì)里傳播，而另一部分通過環(huán)形縫隙耦合到了波導(dǎo)的上介質(zhì)層中。此時(shí)，在波導(dǎo)的下介質(zhì)層中，由于同軸饋電激勵(lì)出來的向外傳播的零階Hankel波和由于波導(dǎo)壁反射而引起的向內(nèi)傳播的零階Hankel波相互疊加，形成了零階Bessel駐波。此外，由于環(huán)形縫隙耦合作用和中間金屬板的隔離作用，向內(nèi)傳播的零階Hankel波成功地保留在波導(dǎo)的上層介質(zhì)中，而且零階Bessel波和向內(nèi)傳播的零階Hankel波相互分隔，互不影響。

在上介質(zhì)層中，向內(nèi)傳播的零階Hankel波在傳播過程中，通過阻抗表面結(jié)構(gòu)，有一部分波被輻射，形成Hankel漏波。若阻抗表面為容性表面結(jié)構(gòu)，則產(chǎn)生TM模式的漏波；若阻抗表面為感性表面結(jié)構(gòu)，則產(chǎn)生TE模式的漏波。通過設(shè)計(jì)不同的阻抗表面結(jié)構(gòu)，可以激勵(lì)起不同波數(shù)的漏波，從而可以產(chǎn)生不同波數(shù)的Hankel漏波。

本發(fā)明通過耦合作用，將向內(nèi)傳播的零階Hankel波從零階Bessel波中分離出來。并且，為了實(shí)現(xiàn)良好的聚焦特性，天線中心設(shè)置吸收結(jié)構(gòu)用來消除天線中心處殘余的電磁波，達(dá)到移除H₀⁽¹⁾函數(shù)在原點(diǎn)處固有奇點(diǎn)的效果。

通過饋電同軸接頭在下層介質(zhì)中激勵(lì)起零階Bessel駐波，即向外傳播的零階Hankel波和向內(nèi)傳播的零階Hankel波共同疊加而成。此時(shí)，由于環(huán)形縫隙的耦合作用，由波導(dǎo)金屬壁反射回來的向內(nèi)傳播的零階Hankel波通過縫隙一部分耦合到上介質(zhì)層中，另一部分保留到下介質(zhì)層中，與由饋電同軸接頭激勵(lì)的向外傳播的零階Hankel波共同作用形成零階Bessel駐波。并且，中間的金屬板將下介質(zhì)層中的零階Bessel波和上介質(zhì)層中的向內(nèi)傳播的零階Hankel波分隔開，確保兩個(gè)波相互不影響。

該天線的上介質(zhì)層表面覆蓋一阻抗表面結(jié)構(gòu)，用來激勵(lì)起想要的漏波模式。當(dāng)由耦合獲得的Hankel波在上介質(zhì)層中向內(nèi)傳播時(shí)，一部分波通過阻抗表面結(jié)構(gòu)輻射到自由空間中，形成Hankel漏波。由于上介質(zhì)層中激勵(lì)起的漏波模式，所以該結(jié)構(gòu)也確保了上介質(zhì)層中只有向內(nèi)傳播的零階Hankel漏波，而不能出現(xiàn)駐波。此外，為了消除在中心處殘留的向內(nèi)傳播的零階Hankel波，在天線上層介質(zhì)的中心處設(shè)置一吸收結(jié)構(gòu)來得到良好的聚焦特性。

本發(fā)明利用環(huán)形縫隙的耦合作用和金屬板的隔離作用，巧妙地從零階Bessel波中分離出了向內(nèi)傳播的零階Hankel波。并且，采用阻抗表面結(jié)構(gòu)確保上層介質(zhì)中激勵(lì)出漏波，而不能形成駐波。這樣確保向內(nèi)傳播的零階Hankel波很好地在保留在了徑向波導(dǎo)的上介質(zhì)層中。

本發(fā)明采用寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)寬帶電磁帶隙，阻止電磁波在某一頻段的傳播，來消除天線中心處的余波。

本發(fā)明的阻抗表面結(jié)構(gòu)可以采用不同結(jié)構(gòu)的容性阻抗表面和感性阻抗表面，分別激勵(lì)出不同波數(shù)的TM模式和TE模式Hankel漏波。

本發(fā)明采用漏波模式，具有尺寸小，頻率可調(diào)等特點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)不同的阻抗表面，可以激勵(lì)出任何波數(shù)k_ρ<k₀的向內(nèi)傳播的零階Hankel漏波，不需要滿足任何邊界條件。

本發(fā)明的有益效果為：目前，設(shè)計(jì)的向內(nèi)傳播的Hankel天線都以標(biāo)量波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)的Hankel天線具有尺寸大的特點(diǎn)。并且，標(biāo)量波動(dòng)理論只對(duì)徑向波數(shù)較小k_ρ<0.3k₀時(shí)有效。本發(fā)明采用向內(nèi)傳播的零階Hankel函數(shù)來實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦，為了消除天線中心處的余波，采用寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶電磁帶隙。與其他的吸收器結(jié)構(gòu)相比具有頻帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用環(huán)形縫隙耦合，成功地從零階Bessel駐波中獲得了向內(nèi)傳播的零階Hankel波，并且采用阻抗表面結(jié)構(gòu)，激勵(lì)出漏波模式，所設(shè)計(jì)的Hankel漏波天線尺寸小，可實(shí)現(xiàn)任意徑向波數(shù)k_ρ<k₀的設(shè)計(jì)，還具有頻率可調(diào)等特性，即可以通過頻率的調(diào)節(jié)，改變天線的特性。本發(fā)明也為基于矢量波動(dòng)理論來設(shè)計(jì)Hankel天線，從而實(shí)現(xiàn)Bessel非衍射波束提供了思路。

附圖說明

圖1是現(xiàn)有技術(shù)一中的Hankel天線結(jié)構(gòu)圖；

圖2是現(xiàn)有技術(shù)二中的近場(chǎng)聚焦天線陣列示意圖；

圖3是現(xiàn)有技術(shù)三中的TM模式Bessel天線結(jié)構(gòu)；

圖4-1是本發(fā)明提出的Hankel漏波天線結(jié)構(gòu)的主視圖；

圖4-2是本發(fā)明提出的Hankel漏波天線結(jié)構(gòu)的俯視立體圖(其中一部分被截取以觀察天線的內(nèi)部結(jié)構(gòu))；

圖5本發(fā)明提出的寬帶平面電磁帶隙結(jié)構(gòu)的單元結(jié)構(gòu)圖。

圖6為本發(fā)明提出的寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)的排列示意圖。(本圖以2×3個(gè)單元的周期排列結(jié)構(gòu)為例)。

圖7本發(fā)明提出的寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的阻帶。

圖8本發(fā)明提出的內(nèi)向零階Hankel漏波天線的S參數(shù)曲線。

圖9(a)-圖9(c)為內(nèi)向零階Hankel漏波天線的歸一化Ez分布圖，其中(a)9.5GHz；(b)10GHz；(c)10.5GHz。

其中，1為徑向波導(dǎo)，2為金屬板，3為環(huán)形縫隙，4為阻抗表面結(jié)構(gòu)，5為吸收結(jié)構(gòu)，6為饋電同軸接頭，7為L(zhǎng)型槽，8為L(zhǎng)型枝節(jié)。

具體實(shí)施方式

以下通過特定的具體實(shí)例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實(shí)施方式加以實(shí)施或應(yīng)用，本說明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。

一種用于近場(chǎng)聚焦的內(nèi)向零階Hankel漏波天線，包括徑向波導(dǎo)1，所述徑向波導(dǎo)內(nèi)部沿徑向設(shè)置一平行于所述徑向波導(dǎo)底板的圓形金屬板2，所述金屬板2將所述徑向波導(dǎo)分隔為上、下兩介質(zhì)層，所述天線通過饋電同軸接頭6饋電，在天線的下層介質(zhì)中激勵(lì)出零階Bessel駐波。饋電同軸接頭的內(nèi)芯支撐著所述金屬板，所述內(nèi)芯的頂部不超過所述金屬板的下表面，所述圓形金屬板邊緣與徑向波導(dǎo)內(nèi)壁之間設(shè)置有間隙，所述間隙沿徑向波導(dǎo)周向形成一環(huán)形縫隙3，環(huán)形縫隙用來耦合獲得向內(nèi)傳播的零階Hankel波。徑向波導(dǎo)上層介質(zhì)表面設(shè)有用來激勵(lì)起漏波模式的阻抗表面結(jié)構(gòu)4。阻抗表面結(jié)構(gòu)可表征出特定的阻抗值。

所述內(nèi)芯的頂部不超過所述金屬板的下表面是為了確保下層介質(zhì)激勵(lì)起零階Bessel波，而上層介質(zhì)只有向內(nèi)傳播的零階Hankel波，保證上層介質(zhì)Hankel波的純度。

上介質(zhì)層的中心處設(shè)有用來消除天線中心處殘留余波的吸收結(jié)構(gòu)5。吸收結(jié)構(gòu)用來消除天線中心處殘留的余波，從而獲得良好的聚焦特性。

優(yōu)選的，所述阻抗表面結(jié)構(gòu)為容性表面結(jié)構(gòu)或感性表面結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述吸收結(jié)構(gòu)為高阻抗表面結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)或超材料結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，所述吸收結(jié)構(gòu)為寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選的，寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)包括多行多列排列的單元，每個(gè)單元包括方形貼片，每個(gè)方形貼片的四邊分別設(shè)有內(nèi)部有L型槽7的L型枝節(jié)8，所有單元的四個(gè)L型枝節(jié)8都沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)或都沿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，每個(gè)單元通過其四周的L型枝節(jié)與相鄰的方形貼片連接起來構(gòu)成周期性結(jié)構(gòu)，L型枝節(jié)8和L型槽7在兩個(gè)方形貼片之間形成分布式電容電感網(wǎng)絡(luò)，用來引入多個(gè)諧振頻率點(diǎn)，從而展寬頻帶。通過改變單元結(jié)構(gòu)的尺寸，該周期結(jié)構(gòu)可在需要的頻段內(nèi)形成阻帶，阻止余波在上層介質(zhì)的中心處傳播。該寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)具有頻段寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易加工等特點(diǎn)。

本實(shí)施例的工作原理為：首先，徑向波導(dǎo)由饋電同軸接頭在徑向波導(dǎo)的下介質(zhì)層中激勵(lì)出向外傳播的零階Hankel波，然后，向外傳播的零階Hankel波傳播到波導(dǎo)壁處，由于波導(dǎo)邊緣的反射作用，向外傳播的零階Hankel波變成了向內(nèi)傳播的零階Hankel波，一部分繼續(xù)留在徑向波導(dǎo)的下層介質(zhì)里傳播，而另一部分通過環(huán)形縫隙耦合到了波導(dǎo)的上介質(zhì)層中。此時(shí)，在波導(dǎo)的下介質(zhì)層中，由于同軸饋電激勵(lì)出來的向外傳播的零階Hankel波和由于波導(dǎo)壁反射而引起的向內(nèi)傳播的零階Hankel波相互疊加，形成了零階Bessel駐波。此外，由于環(huán)形縫隙耦合作用和中間金屬板的隔離作用，向內(nèi)傳播的零階Hankel波成功地保留在波導(dǎo)的上層介質(zhì)中，而且零階Bessel波和向內(nèi)傳播的零階Hankel波相互分隔，互不影響。

在上介質(zhì)層中，向內(nèi)傳播的零階Hankel波在傳播過程中，通過阻抗表面結(jié)構(gòu)，有一部分波被輻射，形成Hankel漏波。若阻抗表面為容性表面結(jié)構(gòu)，則產(chǎn)生TM模式的漏波；若阻抗表面為感性表面結(jié)構(gòu)，則產(chǎn)生TE模式的漏波。通過設(shè)計(jì)不同的阻抗表面結(jié)構(gòu)，可以激勵(lì)起不同波數(shù)的漏波，從而可以產(chǎn)生不同波數(shù)的Hankel漏波。

本發(fā)明通過耦合作用，將向內(nèi)傳播的零階Hankel波從零階Bessel波中分離出來。并且，為了實(shí)現(xiàn)良好的聚焦特性，天線中心設(shè)置吸收結(jié)構(gòu)用來消除天線中心處殘余的電磁波，達(dá)到移除H₀⁽¹⁾函數(shù)在原點(diǎn)處固有奇點(diǎn)的效果。

通過饋電同軸接頭在下層介質(zhì)中激勵(lì)起零階Bessel駐波，即向外傳播的零階Hankel波和向內(nèi)傳播的零階Hankel波共同疊加而成。此時(shí)，由于環(huán)形縫隙的耦合作用，由波導(dǎo)金屬壁反射回來的向內(nèi)傳播的零階Hankel波通過縫隙一部分耦合到上介質(zhì)層中，另一部分保留到下介質(zhì)層中，與由饋電同軸接頭激勵(lì)的向外傳播的零階Hankel波共同作用形成零階Bessel駐波。并且，中間的金屬板將下介質(zhì)層中的Bessel波和上介質(zhì)層中的Hankel波分隔開，確保兩個(gè)波相互不影響。

該天線的上介質(zhì)層表面覆蓋一阻抗表面結(jié)構(gòu)，用來激勵(lì)起想要的漏波模式。當(dāng)由耦合獲得的Hankel波在上介質(zhì)層中向內(nèi)傳播時(shí)，一部分波通過阻抗表面結(jié)構(gòu)輻射到自由空間中，形成Hankel漏波。由于上介質(zhì)層中激勵(lì)起的漏波模式，所以該結(jié)構(gòu)也確保了上介質(zhì)層中只有向內(nèi)傳播的零階Hankel漏波，而不能出現(xiàn)駐波。此外，為了消除殘留的向內(nèi)傳播的零階Hankel波，在天線上層介質(zhì)的中心處設(shè)置一吸收結(jié)構(gòu)來得到良好的聚焦特性。

本實(shí)施例利用環(huán)形縫隙的耦合作用和金屬板的隔離作用，巧妙地從零階Bessel波中分離出了向內(nèi)傳播的零階Hankel波。并且，采用阻抗表面結(jié)構(gòu)確保上層介質(zhì)中激勵(lì)出漏波，而不能形成駐波。這樣確保向內(nèi)傳播的零階Hankel波很好地在保留在了徑向波導(dǎo)的上介質(zhì)層中。

本實(shí)施例采用寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)寬帶電磁帶隙，阻止電磁波在某一頻段的傳播，來消除天線中心處的余波。

本實(shí)施例的阻抗表面結(jié)構(gòu)可以采用不同結(jié)構(gòu)的容性阻抗表面和感性阻抗表面，分別激勵(lì)出不同波數(shù)的TM模式和TE模式Hankel漏波。

本實(shí)施例采用漏波模式，具有尺寸小，頻率可調(diào)等特點(diǎn)。通過設(shè)計(jì)不同的阻抗表面，可以激勵(lì)出任何波數(shù)k_ρ<k₀的向內(nèi)傳播的零階Hankel漏波，不需要滿足任何邊界條件。

目前，設(shè)計(jì)的Hankel天線都以標(biāo)量波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)的Hankel天線具有尺寸大的特點(diǎn)。并且，標(biāo)量波動(dòng)理論只對(duì)徑向波數(shù)較小k_ρ<0.3k₀時(shí)有效。本發(fā)明采用向內(nèi)傳播的零階Hankel函數(shù)來實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)聚焦，為了消除天線中心處的余波，采用寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶電磁帶隙。與其他的吸收器結(jié)構(gòu)相比具有頻帶寬，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易加工等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明利用環(huán)形縫隙耦合，成功地從零階Bessel駐波中獲得了向內(nèi)傳播的零階Hankel波，并且采用漏波模式，所設(shè)計(jì)的Hankel漏波天線尺寸小，可實(shí)現(xiàn)任意徑向波數(shù)k_ρ<k₀的設(shè)計(jì)，還具有頻率可調(diào)等特性，即可以通過頻率的調(diào)節(jié)，改變天線的特性。本發(fā)明也為基于矢量波動(dòng)理論來設(shè)計(jì)Hankel天線，從而實(shí)現(xiàn)Bessel非衍射波束提供了思路。

對(duì)于圖4中的向內(nèi)傳播的零階Hankel漏波天線，采用HFSS對(duì)天線進(jìn)行了仿真。本設(shè)計(jì)將10GHz設(shè)定為中心工作頻率。天線結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：半徑為100mm,上下介質(zhì)層高度為1.3mm和1mm。以TM模式為例，所需要的容性阻抗表面值為-j75.3Ω，由相互錯(cuò)開的周期性容形方形貼片構(gòu)成。采用寬帶平面周期性結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)9GHz～11GHz的阻帶，其結(jié)果如圖7所示。

該天線采用同軸饋電，所設(shè)計(jì)的天線S參數(shù)曲線如圖8所示，所設(shè)計(jì)的天線在9.5～10.5GHz之間S參數(shù)都低于-10dB，確保了天線可在此頻段內(nèi)達(dá)到良好的匹配。由于漏波模式，該天線具有頻率可調(diào)特性。圖9(a)、(b)、(c)分別給出了該天線在9.5GHz,10GHz和10.5GHz三個(gè)頻率下產(chǎn)生的電場(chǎng)分布圖。并且，表I列出了在三個(gè)頻率下具體的聚焦特性數(shù)據(jù)，其中z_f表示聚焦位置，即聚焦電場(chǎng)最大值與天線的距離；Δρ和Δz表示聚焦區(qū)域的大小，分別代表電場(chǎng)半強(qiáng)度寬度和長(zhǎng)度。從表I和圖9中可以很清楚地看到，聚焦區(qū)域隨著頻率變化而變化，該天線具有頻率可調(diào)特性。

表I

上述實(shí)施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，凡所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。