CN105305099A - 一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列。所述金属结构包括位于两端的共面波导传输线馈电部分(1)、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分(2)、表面等离子激元波导部分(3)以及圆形金属贴片阵列(4)；表面等离子激元波导部分(3)位于中间，两个过渡部分(2)位于表面等离子激元波导部分(3)的两侧，两个共面波导传输线馈电部分(1)位于过渡部分(2)的两外侧，圆形金属贴片阵列(4)位于表面等离子激元波导部分(3)的上部；利用本发明的结构，可以实现在宽频带范围内，波束由后向到前向的宽角度扫描。

Description

一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列

技术领域

本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信系统电子器件领域，具体涉及一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列。

背景技术

表面等离激元是一种由金属中自由电子与光波(电磁波)耦合引起的电磁模式，在金属和介质交界面传播，同时在垂直于交界面的方向上按指数衰减的表面波。然而，当频率降低到微波和太赫兹波段时，金属将不再支持这种表面等离激元。为了实现微波和太赫兹波段的表面等离激元，人们提出一种人工表面等离激元。利用金属表面层上的一维或者二维的亚波长周期结构实现人工表面等离激元的传播。其中，很多有价值的工作都是利用亚波长的褶皱结构实现的。

然而，要将人工表面等离激元应用于实际中，还需要将其和传统的传输线结合起来。为了实现传统微带传输线和表面等离激元波导间的高效转换，一种基于渐变槽深的褶皱带线和开口的金属地结构的转换被提出。转换结构的简化使得表面等离激元的应用进一步扩大。许多基于表面等离激元的功能器件已经被提出。但是将表面等离激元与漏波现象结合这一领域还相对空白。现有的基于表面等离激元的漏波模式的结构，一种是利用三维表面等离激元波导作为激励，使用金属贴片进行二次辐射。另一种则是利用亚波长开口金属块阵列，使在开口部分形成泄漏模式。虽然这两种方式都可以实现波束随频率的变化进行扫描，但是都会增加整体结构的尺寸，无法进行小型化应用，更不适合应用于现在流行的平面集成电路中。

本发明提出了一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列。该结构利用传统的共面波导传输线进行馈电，利用槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属地结构实现了从共面波导传输线到表面等离激元波导的高效转换，同时利用表面等离激元波导对圆形金属贴片阵列进行馈电，利用馈电引入的相位差实现随着频率的变化，波束扫描方向从后向到前向的变化。相比于已有的基于表面等离激元的漏波结构，本发明的辐射频率范围更大，效率更高，具有设计简单，易于加工，体积小，辐射效率高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，实现频率变化时，波束从后向到前向的宽角度扫描。

技术方案：本发明的一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，包括介质基底及其上层附有的金属结构，所述金属结构包括位于两端的共面波导传输线馈电部分、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分、表面等离子激元波导部分以及圆形金属贴片阵列；表面等离子激元波导部分位于中间，两个过渡部分位于表面等离子激元波导部分的两侧，两个共面波导传输线馈电部分位于过渡部分的两外侧，圆形金属贴片阵列位于表面等离子激元波导部分的上部；

所述共面波导传输线馈电部分包括传输线中的中心导体和分布于传输线中的中心导体两侧的传输线中的金属地结构；

所述过渡部分由槽深渐变的单边褶皱带线和开口的金属地结构组成；所述槽深渐变的单边褶皱带线由传输线中的中心导体带线延伸而出，在槽深渐变的单边褶皱带线上均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度逐渐加深；

所述表面等离子激元波导部分由槽深相等的凹槽结构周期平移得到；

所述圆形金属贴片阵列为一排大小相等、等间距放置的圆形金属贴片，圆形金属贴片阵列位于表面等离子激元波导部分的上方。

其中：

表面等离子激元波导部分是平面的。

所述槽深渐变的单边褶皱带线的凹槽为矩形。

所述槽深渐变的单边褶皱带线的凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

所述的表面等离子激元波导部分，向一排圆形金属贴片阵列馈电；由于馈电时引入的相位差，圆形金属贴片阵列能实现从后向到前向的宽角度波束扫描。

所述圆形金属贴片阵列由大小相等、等间距排列的金属圆形贴片组成；贴片半径为8mm，贴片圆心之间间距为24mm。

有益效果：本发明的一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，采用传统的共面波导传输线进行馈电，利用平面表面等离激元波导对圆形金属贴片阵列进行馈电，从而实现频率变化时波束从后向到前向的宽角度扫描。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输。

所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列从传统共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的单边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。

所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的主要辐射部分是一排大小相等、等间距排布的圆形金属贴片。由于贴片沿平面表面等离激元波导放置，因此各个贴片的馈电相位就发生了变化，这种相位差就可以引起波束的扫描角度的变化。

相比于已有的基于表面等离激元的漏波结构，本发明的辐射频率范围更大，效率更高，具有设计简单，易于加工，体积小，辐射效率高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

附图说明

图1给出了平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的示意图。

图中有：共面波导传输线馈电部分1，传输线中的金属地1a，传输线中的中心导体1b；过渡部分2，开口的金属地结构2a，槽深渐变的单边褶皱带线2b；表面等离子激元波导部分3，圆形金属贴片阵列4。

图2给出了单边褶皱带线单元结构随槽深变化的色散曲线图；

图3给出了实现波束扫描的原理示意图；

图4给出了所述平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的仿真和测试的散射参数；

图5给出了所述平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的实测远场辐射方向图；

图6给出了所述平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的增益和效率曲线；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明的一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，采用传统共面波导传输线馈电方式，利用平面表面等离子激元波导给金属圆形贴片阵列馈电，馈电引起的不同贴片单元的相位差即会引起辐射波束扫描角度的变化。传统的共面波导传输线阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输；所述平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列从传统共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡采用了槽深渐变的单边褶皱带线结构和开口的金属地结构，实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的主要辐射部分由沿表面等离激元波导放置的大小相等且等间距的金属圆形贴片组成。当表面等离激元沿波导传播时，由于金属圆形贴片的干扰，会使得部分能量耦合到金属圆形贴片上，贴片随后将能量辐射出去。在辐射的过程中，由于馈电引起的不同贴片间的相位差，以及辐射后不同贴片到达等相位面的光程差，辐射波束即可以呈现扫描特性。下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1给出了所述平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列的示意图。整个结构均在介质基板的同一层。

图2给出了单边褶皱带线单元结构随槽深变化的色散曲线图。如相关文献中提到的，沿金属槽线的传播波的色散关系可以描述为：

$k_x=k_0\sqrt{1+\frac{a^2}{p^2}{\tan }^2\left(k_{0}h\right)}$

其中，k₀＝ω/c表示自由空间的波数。当0＜k₀h＜π/2时，k_x是大于k₀的实数，即表面等离激元的速度慢于光速，且具有截止频率，由图也可以看出这一点。在截止频率以下，表面等离激元可以沿着表面等离激元波导传播。

图3给出了实现波束扫描的原理示意图。当表面等离激元沿波导传播时，在波导上的不同位置会有不同的相位，因此沿波导放置的不同金属圆形贴片之间具有一定的馈电相位差,记为ψ_-3,ψ_-2,ψ_-1,ψ₀,ψ₁,ψ₂,ψ₃分别对应编号为-3到3的金属贴片。则第n个贴片与中间编号为0的贴片之间的馈电相位差可由Δψ_n＝k_snd计算得出，其中k_s是表面等离激元波导中的波数，d是贴片阵列的周期。当能量被辐射出去的时候，从不同贴片处辐射的电磁波到达等相位面会有不同的光程，因此不同贴片需要具有不同的初始相位，记为则第n个贴片与中间编号为0的贴片之间的初始相位差可由计算得到，其中k₀是自由空间中的波数。因此，第n个贴片与中间第0个贴片到达等相位面的相位差为根据这个相位差即可由公式预测不同频率时的波数方向，其中A为馈电幅度，在本设计中认为不同贴片的馈电幅度是一样的。

图4给出了所述平面表面等离激元馈电的金属圆形贴片阵列的仿真和实验的散射参数。可以看出，仿真和实验的结果非常吻合。在很宽的频带范围内(5-11GHz)反射系数小于-10dB，证明了在该频率范围内很好的实现了传统共面波导和表面等离激元波导间的匹配。同时传输系数小于-7dB，说明了有部分能量在传输的过程中被辐射了出去。

图5给出了所述平面表面等离激元馈电的金属圆形贴片阵列的实测远场辐射方向图。由图可以看到，当频率发生变化的时候，辐射出去的波束角度也同时发生变化，波束角度可以实现由后向到前向的扫描。

图6给出了所述平面表面等离激元馈电的金属圆形贴片阵列的增益和效率曲线。所述平面表面等离激元馈电的金属圆形贴片阵列在工作频带范围内的平均增益可达9.8dBi，平均效率可达77％。这些都可以说明平面表面等离激元对金属圆形贴片馈电的成功。

本发明的一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，包括介质基底及其上层附有的金属结构，所述金属结构包括位于两端的共面波导传输线馈电部分1、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分2、表面等离子激元波导部分3以及圆形金属贴片阵列4；表面等离子激元波导部分3位于中间，两个过渡部分2位于表面等离子激元波导部分3的两侧，两个共面波导传输线馈电部分1位于过渡部分2的两外侧，圆形金属贴片阵列4位于表面等离子激元波导部分3的上部；

所述共面波导传输线馈电部分1包括传输线中的中心导体1b和分布于传输线中的中心导体1b两侧的传输线中的金属地1a结构；

所述过渡部分2由槽深渐变的单边褶皱带线2b和开口的金属地结构2a组成；所述槽深渐变的单边褶皱带线2b由传输线中的中心导体1b带线延伸而出，在槽深渐变的单边褶皱带线2b上均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度逐渐加深；

所述表面等离子激元波导部分3由槽深相等的凹槽结构周期平移得到；

所述圆形金属贴片阵列4为一排大小相等、等间距放置的圆形金属贴片，圆形金属贴片阵列4位于表面等离子激元波导部分3的上方。

其中：

表面等离子激元波导部分3是平面的。

所述槽深渐变的单边褶皱带线2b的凹槽为矩形。

所述槽深渐变的单边褶皱带线2b的凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

所述的表面等离子激元波导部分3，向一排圆形金属贴片阵列4馈电；由于馈电时引入的相位差，圆形金属贴片阵列4能实现从后向到前向的宽角度波束扫描。

所述圆形金属贴片阵列4由大小相等、等间距排列的金属圆形贴片组成；贴片半径为8mm，贴片圆心之间间距为24mm。

综上所述，本发明提供了一种平面表面等离激元馈电的金属圆形贴片阵列，可以实现能量在传播的同时向外泄露，且波束能够从后向到前向扫描。并具有设计简单，易于加工，体积小，辐射效率高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。

以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，包括介质基底及其上层附有的金属结构，其特征在于，所述金属结构包括位于两端的共面波导传输线馈电部分(1)、共面波导传输线到表面等离激元波导的过渡部分(2)、表面等离子激元波导部分(3)以及圆形金属贴片阵列(4)；表面等离子激元波导部分(3)位于中间，两个过渡部分(2)位于表面等离子激元波导部分(3)的两侧，两个共面波导传输线馈电部分(1)位于过渡部分(2)的两外侧，圆形金属贴片阵列(4)位于表面等离子激元波导部分(3)的上部；

所述共面波导传输线馈电部分(1)包括传输线中的中心导体(1b)和分布于传输线中的中心导体(1b)两侧的传输线中的金属地(1a)结构；

所述过渡部分(2)由槽深渐变的单边褶皱带线(2b)和开口的金属地结构(2a)组成；所述槽深渐变的单边褶皱带线(2b)由传输线中的中心导体(1b)带线延伸而出，在槽深渐变的单边褶皱带线(2b)上均匀间隔开设有设定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度逐渐加深；

所述表面等离子激元波导部分(3)由槽深相等的凹槽结构周期平移得到；

所述圆形金属贴片阵列(4)为一排大小相等、等间距放置的圆形金属贴片，圆形金属贴片阵列(4)位于表面等离子激元波导部分(3)的上方。

2.根据权利要求1所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，其特征在于，表面等离子激元波导部分(3)是平面的。

3.根据权利要求1所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，其特征在于，所述槽深渐变的单边褶皱带线(2b)的凹槽为矩形。

4.根据权利要求1所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，其特征在于，所述槽深渐变的单边褶皱带线(2b)的凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。

5.根据权利要求1所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，其特征在于，所述的表面等离子激元波导部分(3)，向一排圆形金属贴片阵列(4)馈电；由于馈电时引入的相位差，圆形金属贴片阵列(4)能实现从后向到前向的宽角度波束扫描。

6.根据权利要求1所述的平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列，其特征在于，所述圆形金属贴片阵列(4)由大小相等、等间距排列的金属圆形贴片组成；贴片半径为8mm，贴片圆心之间间距为24mm。