CN105261841A - 基于准表面等离子体激元的漏波天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于准表面等离子体激元的漏波天线，属于微波技术领域。本发明漏波天线包括馈电网络和辐射单元，所述馈电网络包括渐变匹配结构，所述渐变匹配结构用于实现电磁波在TEM模式或准TEM模式与准表面等离子体激元模式之间的转换；所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生不连续性变化的准表面等离子体激元波导。相比现有技术，本发明漏波天线的辐射单元基于相速调制的准表面等离子体激元波导实现，其结构简单，不需要金属地，更易于实现全向辐射和频率扫描功能，且对外部电路的干扰更小，更易于加工。

Description

基于准表面等离子体激元的漏波天线

技术领域

本发明涉及一种漏波天线，尤其涉及一种基于准表面等离子体激元的漏波天线，属于微波技术领域。

背景技术

天线作为现代通信系统中的重要组成部分，主要用于辐射和接收电磁能量，随着社会对通信系统要求的不断提高，天线的增益、覆盖能力、频率扫描能力越来越受到人们的重视。漏波天线作为一种行波天线可以分为快波漏波天线和慢波漏波天线两大类。波导缝隙天线作为一种常见的快波漏波天线，是通过在金属波导上刻蚀缝隙制作而成的，但其设计过程较为复杂。虽然多个波导缝隙天线组成的平面阵列能够获得较为理想的辐射方向图，但在其加工过程中对加工精度和馈电结构都有着非常高的要求，难以适应快速生产的需要。周期结构天线作为一种常见的慢波漏波天线，其利用周期结构引导慢波沿着周期结构传播，并在传播过程中不断辐射，其主辐射方向由空间谐波控制。周期结构天线具有剖面低、频率扫描、方向图可控等优点，由微带线、基片集成波导等构成的平面漏波天线更是具有成本低、易加工的优点，极大地满足了快速批量生产的需要。然而，这两种漏波天线一般都有金属地，造成辐射方向集中在半空间区域，无法实现全方向的无线信号覆盖。

在光波段，表面等离子体激元模式可以有效地传输光波，并具有亚波长特性，在平面全光系统中有很大的应用前景。表面等离子体激元本质上为一种表面电磁波模式，分布在金属和介质的分界面处，将电磁能量紧密地束缚在分界面周围很小的区域内。然而，在微波段金属表现出理想电导体特性，在金属和介质分界面不能直接支持表面等离子体激元。准表面等离子体激元作为表面等离子体激元的延伸，能够利用平面金属开槽结构获得，并且其色散特性与表面等离子体激元保持一致。这种平面金属开槽结构能够支持准表面等离子体激元的高效传输，为设计平面等离子体器件提供了可能。一篇中国发明专利公开了《一种基于准表面等离子体波导的频率扫描阵列天线》(CN103367918A)。该天线利用准表面等离子体波导对阵列单元进行馈电，通过周期排布的单元打破准表面等离子体场分布的连续性从而实现辐射，其本质也是一种周期漏波天线。该天线具有较高的馈电效率和方向图频率扫描特性。但该方案仅是以准表面等离子体波导作为阵列天线的串联馈电网络，需要与微带天线阵列或贴片天线阵列相配合，其剖面由准表面等离子体波导、阵列贴片单元及两者间的缝隙决定，且远高于传统印刷电路板形式的漏波天线。并且，天线辐射特性主要由阵列单元的位置决定，无法通过理论公式直接给出，设计方法较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于准表面等离子体激元的漏波天线，其辐射单元基于相速调制的准表面等离子体激元波导实现，其结构简单，不需要金属地，更易于实现全向辐射和频率扫描功能，且对外部电路的干扰更小，更易于加工。

本发明基于准表面等离子体激元的漏波天线，包括馈电网络和辐射单元，所述馈电网络包括渐变匹配结构，所述渐变匹配结构用于实现电磁波在TEM模式或准TEM模式与准表面等离子体激元模式之间的转换；所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

优选地，所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生周期性地不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

上述准表面等离子体激元波导可通过二维平面结构实现，也可以通过三维立体结构实现，因此可根据具体应用环境灵活选择，以下为几种优选方案：

作为其中一种优选方案，所述准表面等离子体激元波导为二维平面金属条带，金属条带的单边设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口。

作为另一种优选方案，所述准表面等离子体激元波导单元为二维平面金属条带，金属条带的两边分别设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口，金属条带两边的槽口关于金属条带的中轴线对称。

上述槽口可以为矩形槽、V形槽或梯形槽。

作为再一种优选方案，所述准表面等离子体激元波导为三维立体结构的金属圆管或金属圆柱，所述金属圆管或金属圆柱的外表面上设置有一组几何参数沿金属圆管或金属圆柱的轴线呈周期性变化的凹槽。优选地，所述凹槽为以所述金属圆管或金属圆柱的轴线为自身轴线的环状凹槽。所述环状凹槽沿自身轴线方向的剖面形状可以为矩形、V形或梯形。

相比现有技术，本发明及其优选技术方案具有以下有益效果：

1.本发明中所使用的准表面等离子体激元波导具有紧密束缚电磁能量的功能，能够将沿波导传输的能量紧密束缚在波导周围，从而减小对其它功能电路的干扰及组成天线阵列时的相互耦合。

2.本发明的辐射单元不需要金属地，易于实现全向性的定向辐射。

3.本发明中能够任意设计漏波天线的辐射角度，并且辐射方向图可具有频率扫描功能。

4.本发明结构简单，便于加工制造。

5.本发明漏波天线可适用于各个频段，如微波段、毫米波段、太赫兹波段。

6.本发明首次提出利用相速调制的准表面等离子体激元波导实现电磁波的定向辐射，为漏波天线的设计指出了一条全新的方向。

附图说明

图1是本发明漏波天线一个优选实施例的结构示意图；

图2是本发明中图1实施例中辐射单元的结构示意图；

图3是本发明中图1实施例中的辐射单元的局部结构示意图，包括一对槽口；

图4是双边开槽金属条带在不同槽口深度下的色散曲线；

图5是本发明中图1实施例中的馈电网络结构示意图；

图6是本发明中图1实施例的反射系数和传输系数曲线；

图7(a)～图7(c)分别为本发明图1实施例在8.7GHz、9.3GHz、9.9GHz的三维辐射方向图；

图8是本发明图1实施例在8.7GHz、9.3GHz、9.9GHz的二维辐射方向图，其中左侧为XZ切面(phi＝0)，右侧为YZ切面(phi＝90)；

图9为本发明漏波天线另一个优选实施例沿轴线方向剖面的结构示意图；

图10为图9实施例中辐射单元的立体结构示意图。

图中各标号含义如下：

1、共面波导，2、渐变匹配结构，3、辐射单元，4、相速调制周期结构，5、双边开槽金属条带。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

本发明的基本思路是以渐变匹配结构实现电磁波在TEM模式或准TEM模式与准表面等离子体激元模式之间的转换，并以具有相速调制结构的准表面等离子体激元波导作为辐射单元，亦即作为辐射单元的准表面等离子体激元波导可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生不连续性变化，从而利用准表面等离子体激元波导的不连续性激励空间辐射。

为了便于实现对辐射方向以及辐射效率的精确控制，本发明优选采用周期性相速调制的准表面等离子体激元波导，即可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生周期性地不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

上述准表面等离子体激元波导可通过二维平面结构实现，也可以通过三维立体结构实现，因此可根据具体应用环境灵活选择。

为了便于公众理解，下面以几个优选实施例来对本发明技术方案进行详细说明。

图1显示了本发明的一个优选实施例。如图所示，该实施例中的漏波天线包括由平面波导1和渐变匹配结构2所构成的馈电网络，以及辐射单元3，其中渐变匹配结构2用于实现电磁波在TEM模式与准表面等离子体激元模式之间的转换，辐射单元3为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生不连续性变化的准表面等离子体激元波导。通过平面波导1所传输的电磁波通过渐变匹配结构2，从TEM模式转换为准表面等离子体激元模式；准表面等离子体激元沿辐射单元3继续传输时，会因为准表面等离子体激元波导的不连续性而产生辐射，从而将沿着辐射单元3传播的电磁能量辐射到自由空间中。本实施例中的馈电网络和辐射单元均采用印刷工艺印刷在平面结构的介质基板上。介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料环氧树脂或聚四氟乙烯制得，优选聚四氟乙烯。聚四氟乙烯的电绝缘性非常好，因此不会对电磁波的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属微结构附着的基材是很好的选择。

图2显示了本实施例中辐射单元3的基本结构，其可对准表面等离子体激元波导进行周期性相速调制，虚线框中即为一个辐射单元的一个相速调制周期结构4，整个辐射单元3由一系列相速调制周期结构4级联而成。如图2所示，本实施例中的辐射单元3为二维平面金属条带，金属条带的两边分别设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口，金属条带两边的槽口关于金属条带的中轴线对称。所述槽口可以为矩形槽、V形槽或梯形槽等较简单的规则形状，也可以是其它复杂形状，只要槽口的几何参数在准表面等离子体激元传播方向上呈周期性地不连续变化即可。

本实施例中为了保证相速周期调制的准确性和可行性，相速调制周期结构4由12个不同槽深的双边开槽(矩形槽)金属条带结构5级联构成，并且这些双边开槽金属条带结构5成对称分布。单一槽深的双边开槽金属条带5的结构如图3所示，其能够引导准表面等离子体激元沿着其高效传播，是一种良好的准表面等离子体激元波导。双边开槽金属条带5的几何参数H,a,d,h和介质基板共同决定了其色散曲线，通过改变这些几何参数能够获得不同斜率的色散曲线。本实施例中为了简化设计，采用单一几何参数h调制的方法获取相速调制，即各双边开槽金属条带结构5的其它几何参数均相同，仅通过改变双边开槽金属条带5的开槽深度实现准表面等离子体激元波导的相速调控。

准表面等离子体激元在本实施例的辐射单元3表面传播过程中，其相速所产生的周期性地不连续性变化满足表达式(1)：

$k_{surf}=k_0\sqrt{1+{\left(X_s\right)}^2{\[1+Mcos\left(\frac{2\mathrm{\π}z}{A}\right)\]}^2}---\left(1\right)$

$cos\mathrm{\α}=\frac{K(A,M,X_s,\mathrm{\λ})\·A-\mathrm{\λ}}{A}---\left(2\right)$

其中，k_surf表示准表面等离子体激元的相速，k₀为真空中波数，X_s为对准表面等离子体激元进行调制时所采用的归一化阻抗，M为调制深度(取值范围0-1)，A为调制周期。由表达式(1)所确定的相速调制产生的定向辐射与辐射单元所成夹角为α，其余弦值可由表达式(2)计算得到。其中，K(A,M,X_s,λ)为沿表面传播的导波波数，当调制周期A和工作波长λ固定时，K(A,M,X_s,λ)的大致取值范围可由归一化阻抗X_s确定，其精确值的确定需要考虑调制深度M对其的影响。本实施例中，λ为32.25mm(工作频率9.3GHz)，调制周期A为33.9mm，归一化阻抗X_s为1.1，调制深度为0.58。对应计算得到的K(A,M,X_s,λ)为1.52，辐射角α为55度。

图4显示了H＝5mm,d＝2.825mm,a＝1.13mm时，改变开槽深度h所获得的色散曲线分布，其所用介质基板的介电常数为2.65，厚度为0.5mm。当h＝4mm时，双边开槽金属条带5所构成的准表面等离子体激元波导的截至频率约为11.3GHz。在7.5GHz-11GHz频率范围内，通过改变双边开槽金属条带5的开槽深度h都能获得较大的相速调控范围。表1列出了一个调制周期内每个双边开槽金属条带5的相移以及与其对应的开槽深度。

表1，离散相速分布与对应双边开槽金属条带开槽深度

No.	1	2	3	4	5	6
							ksurfd/deg	66.13	60.68	51.69	42.43	36.06	33.47
h/mm	4.4	4.2	3.75	2.9	1.7	0.8

本实施例中辐射单元3共包含10个相速调制周期结构4，以保证能量的高效辐射。然而，辐射单元3中相速调制周期结构4的个数可以根据实际需要进行增减，以满足对天线整体尺寸或辐射的要求。

图5是本实施例中的馈电网络结构示意图。为了更好地对辐射单元3进行电磁能量馈入和剩余电磁能量的吸收，本实施例在辐射单元3两端添加馈电网络。这样的设计既能保证射频信号的高效馈入，也便于准表面等离子体激元波导与传统射频电路的互连。本实施例的馈电网络包含共面波导1和渐变匹配结构2两部分。共面波导1的特性阻抗为50欧姆，便于其通过SMA连接器与馈电端的射偏电缆及功率吸收端的50欧姆宽带匹配负载相连。渐变匹配结构2利用渐变原理减小不同结构之间能量的反射现象，将输入端共面波导1所支持的TEM模式逐渐转化为双边开槽金属条带5所支持的准表面等离子体激元模式，或者反之，将双边开槽金属条带5所支持的准表面等离子体激元模式转化为TEM模式后传输给功率吸收端的宽带匹配负载。在辐射单元的辐射效率较高时，也可以不连接功率吸收端的馈电网络及宽带匹配负载。本发明所使用的渐变匹配结构为现有技术，详细内容可参见文献[H.F.Ma,X.Shen,Q.Cheng,W.X.Jiang,andT.J.Cui,"Broadbandandhigh-efficiencyconversionfromguidedwavestospoofsurfaceplasmonpolaritons,"Laser&PhotonicsReviews,vol.8,pp.146-151,Jan2014.]、[B.C.Pan,Z.Liao,J.Zhao,andT.J.Cui,"Controllingrejectionsofspoofsurfaceplasmonpolaritonsusingmetamaterialparticles,"OptExpress,vol.22,pp.13940-50,Jun22014.]，本实施例渐变匹配结构2中的中心传输线轮廓和金属地轮廓均采用指数张开式，如表达式(3)所示。中心传输线轮廓具体参数为y₁＝1,y₂＝5,x₁＝0,x₂＝35；金属地轮廓具体参数为y₁＝0,y₂＝25,x₁＝0,x₂＝45。为了更好的实现不同模式间的转化，中心传输线的末端添加了逐渐加深的金属槽。

$y=\frac{y_2-y_1}{e^{{\mathrm{\σx}}_2}-e^{{\mathrm{\σx}}_1}}{e}^{\mathrm{\σ}x}+\frac{y_2{e}^{{\mathrm{\σx}}_2}-y_1{e}^{{\mathrm{\σx}}_1}}{e^{{\mathrm{\σx}}_2}-e^{{\mathrm{\σx}}_1}}---\left(3\right)$

图6是本实施例的反射系数和传输系数曲线。其中，反射系数S11在7.5GHz至10.5GHz频率范围中均低于-12dB，保证了能量高效地馈入辐射单元阵列中；传输系数S21在7.5GHz至10.5GHz频率范围中均低于-10dB，保证了馈入辐射单元的大部分能量被辐射到自由空间中，使天线具有较高的辐射效率。

图7是本实施例在8.7GHz、9.3GHz、9.9GHz下的三维辐射方向图。其中，辐射方向图围绕辐射单元(沿z轴放置)成旋转对称，具有全向辐射特性。图8是本实施例在XZ切面和YZ切面的二维辐射方向图。在8.7GHz、9.3GHz、9.9GHz下，两个切面内的辐射呈现出很高的定向性，这能使得射频信号集中覆盖某个区域。同时，通过比较不同频率下的辐射方向图，发现定向辐射具有频率扫描功能，实现不同频率的射频信号覆盖不同区域，有效降低区域间干扰。表2列出了本发明中实施例在不同频率下的方向性系数和辐射角。

表2，方向性系数与辐射角

频率(GHz)	7.7	8.1	8.5	8.9	9.3	9.7	10.1
								方向性系数(dBi)	12.0	12.3	12.6	12.6	12.3	12.1	12
辐射角(deg)	76.6	71.6	66.3	60.6	54.6	47.3	38.2

上述漏波天线可通过蚀刻、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻等现有成熟工艺方法制备得到，因此便于工业生产。

实际上，也可以采用其它平面波导结构来实现上述准表面等离子体激元的相速周期性不连续调制，例如，将上述双边开槽金属条带5改为单边开槽金属条带，或者，用V形槽或梯形槽替换上述矩形槽。

本发明漏波天线除可采用上述的二维平面结构外，也可利用三维立体结构实现，例如采用以下技术方案：所述准表面等离子体激元波导为三维立体结构的金属圆管或金属圆柱，所述金属圆管或金属圆柱的外表面上设置有一组几何参数沿金属圆管或金属圆柱的轴线呈周期性变化的凹槽。图9显示了本发明另一个优选实施例的结构，其辐射单元采用三维立体结构。如图9所示，该漏波天线同样包括辐射单元以及辐射单元两端的馈电网络。本实施例中的馈电网络由同轴电缆和三维立体的渐变匹配结构构成；本实施例中的辐射单元的结构如图10所示，在金属圆柱上刻有一系列几何参数沿轴线方向周期变化的环状凹槽。通过同轴电缆所传输的电磁波通过渐变匹配结构，从TEM模式转换为准表面等离子体激元模式；准表面等离子体激元沿辐射单元继续传输时，会因为准表面等离子体激元波导的不连续性而产生辐射，从而将沿着辐射单元传播的射频信号辐射到自由空间中。与二维平面结构的辐射单元类似，环状凹槽的槽深、槽宽、形状等几何参数均可用于进行准表面等离子体激元的相速调制。上述金属圆柱也可用金属圆管代替，凹槽也可为半环、1/4环等。

本发明漏波天线可以被设计工作于各个频段，其具体结构、尺寸大小、辐射角度指标都能根据具体应用环境及需求进行设计，具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.基于准表面等离子体激元的漏波天线，包括馈电网络和辐射单元，其特征在于，所述馈电网络包括渐变匹配结构，所述渐变匹配结构用于实现电磁波在TEM模式或准TEM模式与准表面等离子体激元模式之间的转换；所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

2.如权利要求1所述漏波天线，其特征在于，所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生周期性地不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

3.如权利要求2所述漏波天线，其特征在于，准表面等离子体激元的相速所产生的周期性地不连续性变化满足以下公式：

式中，k_surf表示准表面等离子体激元的相速；k₀为真空中波数；X_s为对准表面等离子体激元波导进行调制时所采用的归一化阻抗；M为调制深度，取值范围为(0-1)；A为调制周期；z为准表面等离子体激元导波在所述准表面等离子体激元波导中的传输距离。

4.如权利要求3所述漏波天线，其特征在于，所述准表面等离子体激元波导为二维平面金属条带，金属条带的单边设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口。

5.如权利要求3所述漏波天线，其特征在于，所述准表面等离子体激元波导单元为二维平面金属条带，金属条带的两边分别设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口，金属条带两边的槽口关于金属条带的中轴线对称。

6.如权利要求4或5所述漏波天线，其特征在于，所述准表面等离子体激元波导还包括用于固着所述金属条带的介质基板。

7.如权利要求4或5所述漏波天线，其特征在于，所述槽口为矩形槽、V形槽或梯形槽。

8.如权利要求3所述漏波天线，其特征在于，所述准表面等离子体激元波导为三维立体结构的金属圆管或金属圆柱，所述金属圆管或金属圆柱的外表面上设置有一组几何参数沿金属圆管或金属圆柱的轴线呈周期性变化的凹槽。

9.如权利要求8所述漏波天线，其特征在于，所述凹槽为以所述金属圆管或金属圆柱的轴线为自身轴线的环状凹槽。

10.如权利要求9所述漏波天线，其特征在于，所述环状凹槽沿自身轴线方向的剖面形状为矩形、V形或梯形。