CN102013561A - 一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线 - Google Patents

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Abstract

一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，包括接地板、微带表面辐射单元、微带表面等离子激元结构和馈电结构，微带表面等离子激元结构包括金属片和短路钉，金属片通过短路钉与接地板连接，金属片在接地板平行分布，短路钉在金属片呈条状均布。本发明采用特定方式排列的金属片——短路钉——接地板结构形式，可以有效降低天线的质量和体积，使微带天线轻型化和小型化成为可能；本发明通过调整微带表面等离子体激元结构的尺寸参数，可以增加微带辐射单元的有效口径，显著提高天线增益；本发明具有剖面低，频带较宽，增益较高等优点，可应用于机载或弹载的共面共形天线系统中，有广泛的市场应用前景。

Description

一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线
技术领域
本发明涉及一种微带天线，特别涉及一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，属于微波天线技术领域。
背景技术
目前，电磁超介质在电磁学等各领域引起了广泛的兴趣和关注，其中对表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons，以下简称SPPs)的研究是学术界中重要的研究方向。SPPs是局域在金属表面的一种由自由电子和光子相互作用形成的混合激发态。在金属的表面制作一些特定的结构，例如小孔阵列、圆环阵列等，可以改变SPPs与光的相互作用。SPPs增强传输特性由Ebbesen等人提出，他们的实验结果表明利用SPPs较短的有效波长和近场增强效应，可以显著提高亚波长孔洞的传输行为。SPPs增强传输特性在天线技术上应用主要体现在对辐射电磁波的波束控制，提高传统平板缝隙天线的增益上。这类天线的带宽较宽，增益接近于标准增益喇叭，并且剖面厚度远低于喇叭，可以作为反射面馈源喇叭的一种替代方案，但是工程中还存在很大的局限。其原因是光频段的表面等离子体结构为双面刻蚀周期槽线或孔洞的金属薄膜，薄膜厚度约为一个波长。将这种SPPs结构直接应用于微波段天线系统，相对的金属板的厚度仍然接近一个波长，例如在L波段，则金属板厚接近200mm，这种天线的质量和体积在实际条件下几乎不可能得到应用。因此亟需研究一种全新的微波段SPPs结构，对天线进行重新设计。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种可轻型化、小型化的基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，在提高传统缝隙天线性能的条件下，减小了天线的质量和体积。
本发明的技术解决方案是：一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，包括接地板、微带表面辐射单元、微带表面等离子激元结构和馈电结构，微带表面等离子激元结构包括金属片和短路钉，金属片通过短路钉与接地板连接，金属片在接地板平行分布，短路钉在金属片呈条状均布，相邻短路钉之间的间距a为
Figure BSA00000291346000021
分布在金属片边缘上的短路钉离金属片边缘距离s为
Figure BSA00000291346000022
短路钉的直径
Figure BSA00000291346000023
相邻金属片之间间距g为
Figure BSA00000291346000024
金属片与接地板间距即短路钉长度h为
Figure BSA00000291346000025
金属片的宽度w为的整数倍，金属片的长度l＞2λ0，λ0为天线工作波长。
所述的金属片的数量为5～7个。
所述的微带表面辐射单元采用矩形辐射缝隙，矩形辐射缝隙的长度为
Figure BSA00000291346000027
Figure BSA00000291346000028
矩形辐射缝隙与金属片平行。
所述的馈电结构采用标准矩形波导。
所述的微带表面等离子激元结构采用印刷电路板刻蚀工艺，在覆铜介质板的一面刻蚀金属片阵列，在金属片上均匀加工金属化过孔，使金属片与接地板间形成电连接，相邻金属化过孔之间的间距a为
Figure BSA00000291346000029
分布在金属片边缘上金属化过孔的离金属片边缘距离s为金属化过孔的直径φ相邻金属片之间间距g为金属片与接地板间距即金属化过孔深度h为
Figure BSA000002913460000213
金属片的宽度w为
Figure BSA000002913460000214
的整数倍，金属片的长度其中λ0为天线工作波长，εr为覆铜介质板介电常数。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明采用特定方式排列的金属片——短路钉——接地板结构形式，可以有效降低天线的质量和体积，使微带天线轻型化和小型化成为可能；
(2)本发明通过调整微带表面等离子体激元结构的尺寸参数，可以增加微带辐射单元的有效口径，显著提高天线增益；
(3)本发明具有剖面低，频带较宽，增益较高等优点，可应用于机载或弹载的共面共形天线系统中，有广泛的市场应用前景。
附图说明
图1为本发明结构示意图(局部剖开)；
图2为本发明侧视图；
图3为本发明金属板和短路钉结构示意图；
图4为本发明单个金属板与接地板结构示意图。
具体实施方式
本发明如图1、2所示，包括接地板1、微带表面辐射单元2、微带表面等离子激元结构3和馈电结构4。微带表面等离子激元结构3的形式为按特定方式排列的金属片——短路钉——接地板，微带辐射单元可以是各种形状的微带贴片或辐射缝隙，以波导或微带线进行馈电。
以下结合具体实施例详细说明本发明，本发明的天线由位于接地板1中心的矩形辐射缝隙(微带表面辐射单元2)，以及表面等离子体结构3，馈电方式采用标准矩形波导。
矩形辐射缝隙的长度约为1/2工作波长，最佳为
Figure BSA00000291346000031
矩形辐射缝隙与金属片平行，λ0为天线工作波长。波导通常选用标准波导，例如：BJ120、BJ220、BJ260等，具体型号要由工作频带来定。
本发明的微带SPPs结构如图3、4所示，由位于接地板1上方的金属片5与短路钉6构成，金属片5通过短路钉6与接地板1连接，金属片5在接地板1平行分布，短路钉6在金属片呈条状均布。金属片5与短路钉6的尺寸及位置参数为：短路钉6间距为a，短路钉6离金属片5边缘距离为s，短路钉6的直径为φ，相邻金属片5间的边缘距离为g，短路钉6长度(即金属片5与接地板1的间距)为h。
若天线工作波长为λ0，满足SPPs结构谐振的参数条件为：
a≈1/10λ0；
s≈1/30λ0；
h≈s/2
g≈1/15λ0；
φ＜＜λ0；
w≈(2n-1)λ0/2，n＝1，2，3，...；
l＞2λ0。
最佳方案为：
Figure BSA00000291346000041
Figure BSA00000291346000042
Figure BSA00000291346000043
Figure BSA00000291346000044
Figure BSA00000291346000045
的整数倍，l＞2λ0。
SPPs结构的加工方式可以采用金属片与接地板之间直接焊接短路钉支撑的工艺，则金属片与短路钉之间的填充介质为空气。也可以采用印刷电路板刻蚀工艺，在覆铜介质板的一面刻蚀金属片阵列，并在金属片上加工出金属化过孔，使金属片与接地板间形成电连接。若采用印刷电路板刻蚀工艺，则需根据使用介质板介电常数εr修正SPPs结构参数，各参数需要乘以系数
Figure BSA00000291346000048
即相邻金属化过孔之间的间距a为分布在金属片边缘上金属化过孔的离金属片边缘距离s为
Figure BSA000002913460000410
金属化过孔的直径
Figure BSA000002913460000411
相邻金属片之间间距g为
Figure BSA000002913460000412
金属片与接地板间距即金属化过孔深度h为金属片的宽度w为
Figure BSA000002913460000414
的整数倍，金属片的长度
Figure BSA000002913460000415
Figure BSA000002913460000416
SPPs结构的排列方式为沿天线辐射单元两侧的平行排列，边缘间距为g。对于一个天线阵面，增加或减小SPPs结构数量会相应提高或降低天线的增益，通过增加SPPs结构来提高天线增益的最优值约为6组SPPs结构，在此基础上继续增加SPPs机构数量，天线增益提高趋势减缓。
如图1所示，基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线的加工方式为在SPPs接地板的中心位置加工出与金属片长边平行的辐射缝隙，采用相应工作频段的标准矩形波导馈电，波导与接地板的连接安装可以用焊接或金属螺丝固定。
通过以上设计，本发明的主要性能可以达到：
(1)极化方式：线极化
(2)波束形式：点波束
(3)增益：最高增益达到15.6dBi；
(4)带宽：3dB带宽为10％；
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，包括接地板(1)、微带表面辐射单元(2)、微带表面等离子激元结构(3)和馈电结构(4)，其特征在于：所述的微带表面等离子激元结构(3)包括金属片(5)和短路钉(6)，金属片(5)通过短路钉(6)与接地板(1)连接，金属片(5)在接地板(1)平行分布，短路钉(6)在金属片(5)呈条状均布，相邻短路钉(6)之间的间距a为
Figure FSA00000291345900011
分布在金属片(5)边缘上的短路钉(2)离金属片(5)边缘距离s为
Figure FSA00000291345900012
短路钉(6)的直径
Figure FSA00000291345900013
相邻金属片(5)之间间距g为
Figure FSA00000291345900014
金属片(5)与接地板(1)间距即短路钉(6)长度h为金属片(5)的宽度w为
Figure FSA00000291345900016
的整数倍，金属片(5)的长度l＞2λ0，λ0为天线工作波长。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，其特征在于：所述的金属片(5)的数量为5～7个。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，其特征在于：所述的微带表面辐射单元(2)采用矩形辐射缝隙，矩形辐射缝隙的长度为矩形辐射缝隙与金属片(5)平行。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，其特征在于：所述的馈电结构(4)采用标准矩形波导。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子激元增强传输特性的微带天线，其特征在于：所述的微带表面等离子激元结构(3)采用印刷电路板刻蚀工艺，在覆铜介质板的一面刻蚀金属片阵列，在金属片上均匀加工金属化过孔，使金属片与接地板间形成电连接，相邻金属化过孔之间的间距a为
Figure FSA00000291345900021
分布在金属片边缘上金属化过孔的离金属片边缘距离s为
Figure FSA00000291345900022
金属化过孔的直径
Figure FSA00000291345900023
相邻金属片之间间距g为
Figure FSA00000291345900024
金属片与接地板间距即金属化过孔深度h为
Figure FSA00000291345900025
金属片的宽度w为
Figure FSA00000291345900026
的整数倍，金属片的长度
Figure FSA00000291345900027
其中λ0为天线工作波长，εr为覆铜介质板介电常数。
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