CN107681279A

CN107681279A - 无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线

Info

Publication number: CN107681279A
Application number: CN201710880766.7A
Authority: CN
Inventors: 马华; 陈红雅; 李勇峰; 屈绍波; 王甲富
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2018-02-09

Abstract

本发明公开了无反射背板、大口径人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP)宽带频扫平板天线，涉及天线技术领域，平板天线由无反射背板导波结构和宽带透射型相位梯度超表面组成。通过无反射背板SSPP导波结构上可以产生长程传播的SSPP，可拓展SSPP平板天线的纵向天线口径。通过将该平板天线组阵，可进一步拓展平板天线的横向天线口径。基于此设计实现了天线口径大小为300mm×30mm的SSPP平板天线和天线口径大小为300mm×240mm的大口径高方向性SSPP平板天线阵。仿真与实验结果表明，相对于单个SSPP天线，天线阵的增益平均提高了9.2dB，而工作带宽和频扫特性与单个天线性能基本相同。基于此实现的无反射背板SSPP平板天线，不仅有利于平板天线的隐身设计，而且有利于共形天线设计。

Description

无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线。

背景技术

超表面是二维的超材料，可实现对电磁波幅度、相位、极化及波矢等参数的自由调控，因此，通过超表面不仅能够实现负反射、负折射效应等异常反射/折射效应，还可以实现人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP)耦合和解耦、极化方式转换等新颖的物理特性。凭借其独特的物理特性、优异的电磁调控能力、灵活的设计方法和亚波长的结构特性，超表面在天线领域具有广阔的应用前景。

自由空间传播波能够耦合为SSPP，根据电磁波的可逆性原理，SSPP也能够转化为自由空间辐射波。通过利用相位梯度超表面的波矢调控特性可设计基于SSPP新型平板天线。为了获得从SSPP到空间传导波的高效转化效率，国内外研究者已经做了很多研究，传输效率最高可达90％，但是工作带宽仍然很窄。目前主要通过采用反射型相位梯度超表面作为辐射面板，不仅不能进一步拓展纵向天线口径面，而且SSPP平板天线具有金属反射背板，不利于平板天线的隐身设计。

发明内容

本发明实施例提供了无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，可以解决现有技术中存在的问题。

一种无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，所述平板天线包括两部分：相位梯度超表面和导波结构，所述相位梯度超表面位于所述导波结构的正上方，二者之间具有一定距离；

所述导波结构包括三部分，第I部分为共面波导，包括中心导体带以及位于其两侧的金属地；第III部分为能支持本征态SSPP模式的金属锯齿结构，即SSPP导波结构，金属锯齿结构由周期金属锯齿和厚度为F4B介质基板组成；第II部分为过渡结构，该部分位于第I部分的共面波导和第III部分的SSPP导波结构之间，过渡结构由深度渐变的金属凹槽结构和位于其两侧的指数渐变的金属地组成，其中金属地的宽度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐减小，金属凹槽结构中的凹槽深度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐增大，第I部分的两个金属地分别与第II部分两个金属地宽度最大的一端连接，第I部分的中心导体带与第II部分金属凹槽结构靠近第I部分的一端连接，金属凹槽结构的另一端与第III部分SSPP导波结构连接；

所述相位梯度超表面由超表面结构单元组成，每个结构单元由三层金属结构和两层介质组成，其中上下层金属为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构。

优选地，所述共面波导的中心导体带宽度h_c＝4.7mm，金属地宽度w＝3mm，距离金属地的缝隙宽度g＝0.25mm，介质基板采用0.2mm厚的F4B，实现了50欧的特性阻抗匹配。

优选地，所述SSPP导波结构的参数分别为周期p＝2.5mm，锯齿高度h＝1.9mm，相邻两锯齿之间的缝隙宽度a＝1mm，以及沿z方向的横向金属鳍线宽度s＝0.9mm。

优选地，第II部分金属凹槽结构的凹槽数量为9个，深度分别为h₁＝0.225mm，h₂＝0.45mm，h₃＝0.675mm，h₄＝0.9mm，h₅＝1.125mm，h₆＝1.35mm，h₇＝1.575mm，h₈＝1.8mm和h₉＝1.9mm。

优选地，所述结构单元参数分别为单元周期q＝6mm；两层介质采用厚度r＝3mm的F4B介质基板，其相对介电常数ε_r＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001，金属栅结构周期t＝2mm及宽度b＝0.2mm。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明可拓展SSPP平板天线的纵向和横向天线口径。相对于单个SSPP天线，天线阵的增益明显提高，而工作带宽和频扫特性与单个天线性能基本相同。

(2)本发明采用共面波导直接馈电，并设计了平滑过渡结构使电磁波耦合为本征态SSPP，提高了SSPP耦合效率，从而提高了天线效率。

(3)本发明的SSPP导波结构与相位梯度超表面可以独立设计，利用SSPP波矢的的非线性色散特性和相位梯度超表面的宽带特性，实现了SSPP平板天线的宽带频扫特性。

(4)本发明采用无反射背板SSPP导波结构，不仅有利于平板天线的隐身设计，而且有利于共形天线设计。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中平板天线的结构示意图；

图2为SSPP导波结构示意图，其中：(a)无反射背板型SSPP平板天线侧视图，(b)第I部分，共面波导，(c)第II部分，指数渐变的金属地和金属凹槽渐变的过渡结构部分，(d)第III部分SSPP导波结构，(e)不同凹槽深度情况下，金属凹槽结构上的本征SSPP色散曲线仿真结果；

图3为本发明实施例中采用的透射型线极化旋转超表面梯度超表面示意图，其中，(a)是透射型线极化旋转超表面单元三维结构视图，(b)是超表面结构单元中间层双箭头结构正视图，(c)是设计的相位梯度超表面的超单元结构中间层双箭头阵列结构正视图；

图4为本发明中单个SSPP平板天线的样品照片；

图5为本发明中SSPP平板天线的反射系数S11仿真结果和测试结果对比图；

图6为本发明中SSPP平板天线的三维增益图，其中(a)f＝7GHz，(b)f＝9GHz，(c)f＝11GHz和(d)f＝13GHz；

图7为本发明在6.7-14GHz频段内，平板天线H面归一化方向图，其中(a)仿真结果，(b)测试结果；

图8为SSPP平板天线主瓣方向的理论计算、仿真和测试结果对比图；

图9为SSPP平板天线仿真计算结果，其中，(a)峰值增益和H面半功率波束宽度，(b)辐射效率和总效率；

图10为SSPP平板天线阵的样品照片；

图11为本发明中SSPP平板天线阵的反射系数S11仿真结果和测试结果对比图；

图12为本发明在7-14GHz频段内SSPP平板天线阵H面归一化方向图，其中，(a)仿真结果，(b)测试结果；

图13为本发明SSPP平板天线阵与单个平板天线的主瓣方向结果对比，其中，(a)仿真结果，(b)测试结果；

图14为本发明中SSPP平板天线阵与单个平板天线在7-14GHz频段内天线性能仿真结果对比，其中，(a)峰值增益曲线，(b)H面方向性曲线，(c)总效率。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照图1，本发明实施例中提供了无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，所述平板天线主要包括两部分：相位梯度超表面1和导波结构2，所述相位梯度超表面1位于所述导波结构2的正上方，二者之间具有一定距离。

参照图2，所述导波结构2包括三部分，如图2中(a)所示，第I部分为共面波导，如图2中(b)所示，即传统的传输线，包括中心导体带以及位于其两侧的金属地，结构参数分别设置为中心导体带宽度h_c＝4.7mm，金属地宽度w＝3mm和距离金属地的缝隙宽度g＝0.25mm，介质基板位于金属地的下方，其采用0.2mm厚的F4B(介电常数为2.65，损耗角正切为0.001)，实现了50欧的特性阻抗匹配。

第III部分为能支持本征态SSPP模式的金属锯齿结构，即SSPP导波结构。如图2中(a)和(d)所示，金属锯齿结构由周期金属锯齿和厚度为0.2mm的F4B介质基板组成，该介质基板位于金属锯齿结构的两侧，即图2中(d)的灰色部分。注意到SSPP导波结构没有金属反射背板。金属锯齿结构参数分别为周期p＝2.5mm，锯齿高度h＝1.9mm，相邻两锯齿之间的缝隙宽度a＝1mm，以及沿z方向的横向金属鳍线宽度s＝0.9mm。此时金属锯齿结构上的本征SSPP色散曲线仿真结果如图2中(e)所示。

第II部分为过渡结构，该部分位于第I部分的共面波导和第III部分的SSPP导波结构之间，过渡结构主要由深度渐变的金属凹槽结构和位于其两侧的指数渐变的金属地组成，其中金属地的宽度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐减小，金属凹槽结构中的凹槽深度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐增大。第I部分的两个金属地分别与第II部分两个金属地宽度最大的一端连接，第I部分的中心导体带与第II部分金属凹槽结构靠近第I部分的一端连接，金属凹槽结构的另一端与第III部分金属锯齿结构连接。其中第II部分金属凹槽结构的凹槽深度分别为h₁＝0.225mm，h₂＝0.45mm，h₃＝0.675mm，h₄＝0.9mm，h₅＝1.125mm，h₆＝1.35mm，h₇＝1.575mm，h₈＝1.8mm和h₉＝1.9mm。图2(e)给出了不同凹槽深度情况下，金属凹槽结构上的本征SSPP色散曲线仿真结果。可以看出，当凹槽深度从0慢慢增加到1.9mm时，波矢从k₀逐渐变化到k_sspp，实现从共面波导到SSPP导波结构的完美动量匹配。另一方面，渐变金属地的设计，实现了从共面波导到SSPP导波结构的阻抗匹配过程，从而实现从电磁波到SSPP的高效耦合。

参照图3，所述相位梯度超表面1由超表面结构单元组成，每个结构单元由三层金属结构和两层介质组成，其中上下层金属为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构，如图3中(a)所示。结构单元参数分别为单元周期q＝6mm；两层介质采用厚度r＝3mm的F4B介质基板，其相对介电常数ε_r＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001，金属栅结构周期t＝2mm及宽度b＝0.2mm，如图3中(b)所示。

本发明通过超表面结构单元参数渐变的方法构建相位梯度超表面，即只需改变双箭头的长度l、臂长d及线宽v，实现等效折射率的调控，然后通过将这些双箭头结构按照某种方式排列，形成在某些方向上等效折射率的梯度渐变，进而实现对电磁波相位的梯度调控。本发明的一个实例中，采用5个结构单元构成相位梯度超表面的超单元，相邻结构单元间的相位差为72°，即5个结构单元构成了2π相位周期。通过优化设计，选取的5个结构单元的中间层双箭头阵结构正视图如图3中(c)所示，对应的三个关键结构参数分别为：l＝7.7mm，d＝1.2mm，v＝0.2mm(结构单元1)；l＝7.7mm，d＝2.6mm，v＝0.2mm(结构单元2)；l＝7.5mm，d＝3.55mm，v＝0.15mm(结构单元3)；l＝7.6mm，d＝2.3mm，v＝0.2mm(结构单元4)；l＝7.8mm，d＝3.0mm，v＝0.2mm(结构单元5)；5个结构单元的其他结构参数与上面相同。

如图4所示，本发明单个SSPP平板天线的样品照片，天线口径面尺寸为：300mm×30mm。

参照图5，本发明SSPP平板天线的反射系数S₁₁仿真结果和测试结果对比。实验结果与仿真结果符合的很好，在6.7-14GHz频率范围内，S₁₁都低于-10dB，相对工作带宽达到了70.5％。

参照图6，本发明SSPP平板天线的三维增益图，其中(a)f＝7GHz，(b)f＝9GHz，(c)f＝11GHz和(d)f＝13GHz。在这四个工作频点处，天线主瓣实际增益分别达到了13.2dB、15.8dB、16.9dB和17.7dB，可以看出，设计的天线具有较高增益。

图7为本发明在6.7-14GHz频段内，平板天线H面归一化方向图，其中(a)仿真结果，(b)测试结果。该天线具有宽带频扫特性，H面归一化方向图的测试结果与仿真结果基本吻合。

图8为SSPP平板天线主瓣方向的理论计算、仿真和测试结果对比。天线在不同频率处具有不同的辐射方向，实现了宽带频扫特性，在6.7-14GHz频段内该天线可实现从-11°到44.7°宽角域内的波束扫描。理论计算结果与仿真和实验测试结果三者符合的很好。

图9为SSPP平板天线仿真计算结果，其中(a)峰值增益和H面半功率波束宽度，(b)辐射效率和总效率。从图9中(a)可以看出，在该频段内，SSPP平板天线平均增益为15.8dB，在f＝12GHz处增益达到最大，其值为18dB。H面半功率波束宽度平均为6.8°，天线方向性很好。从图9中(b)可以看出SSPP平板天线在该频段内总效率均在77％以上，辐射效率均在82％以上。其中8.4-11.4GHz范围内，天线总效率和辐射效率达90％以上，尤其在f＝9.5GHz处，天线效率达到了93％。

图10为SSPP平板天线阵的样品照片，通过八个平板天线横向组阵得到，用八个共面波导同时馈电激发高效SSPP，通过透射型相位梯度超表面实现SSPP的耦合和解耦。天线口径面尺寸为：300mm×240mm。

图11为本发明SSPP平板天线阵的反射系数S₁₁仿真结果和测试结果对比。在6.7-14GHz频率范围内，实验测得S₁₁都低于-10dB，实验结果与仿真结果符合的很好，相对工作带宽达到了70.5％。

图12为本发明在7-14GHz频段内SSPP平板天线阵H面归一化方向图，(a)仿真结果，(b)测试结果。该天线同样具有宽带频扫特性，H面归一化方向图的测试结果与仿真结果基本吻合。

图13为本发明SSPP平板天线阵与单个SSPP平板天线的主瓣方向结果对比，其中(的)仿真结果，(b)测试结果。仿真和测试结果均验证了组阵后的天线阵具有与单个SSPP平板天线一样的宽带频扫特性，辐射角度基本相同。

图14为本发明SSPP平板天线阵和单个SSPP平板天线在7-14GHz频段内天线性能仿真结果对比，其中(a)峰值增益曲线，(b)H面方向性曲线，(c)总效率。从图14中(a)可以看出，在该频段内，SSPP平板天线阵(A-8)平均增益为25dB，比单个平板天线(A-1)高出9.2dB，相比于单个平板天线，平板天线阵的增益明显提高。从图14中(b)可以看出，SSPP平板天线阵平均方向性为25.6dBi，相比于单个平板天线，平板天线阵的方向性明显提高。从图14中(c)可以看出，SSPP平板天线阵在该频段内总效率均在81％以上。在f＝9GHz处，平板天线阵天线效率达到了91.8％。由此可以看出，组阵后的平板天线的效率仍然很高。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，所述平板天线包括两部分：相位梯度超表面和导波结构，所述相位梯度超表面位于所述导波结构的正上方，二者之间具有一定距离；

2.如权利要求1所述的无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，所述共面波导的中心导体带宽度h_c＝4.7mm，金属地宽度w＝3mm，距离金属地的缝隙宽度g＝0.25mm，介质基板采用0.2mm厚的F4B，实现了50欧的特性阻抗匹配。

3.如权利要求1所述的无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，所述SSPP导波结构的参数分别为周期p＝2.5mm，锯齿高度h＝1.9mm，相邻两锯齿之间的缝隙宽度a＝1mm，以及沿z方向的横向金属鳍线宽度s＝0.9mm。

4.如权利要求1所述的无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，第II部分金属凹槽结构的凹槽数量为9个，深度分别为h₁＝0.225mm，h₂＝0.45mm，h₃＝0.675mm，h₄＝0.9mm，h₅＝1.125mm，h₆＝1.35mm，h₇＝1.575mm，h₈＝1.8mm和h₉＝1.9mm。

5.如权利要求1所述的无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，所述结构单元参数分别为单元周期q＝6mm；两层介质采用厚度r＝3mm的F4B介质基板，其相对介电常数ε_r＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001，金属栅结构周期t＝2mm及宽度b＝0.2mm。