CN108336499B - 单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线 - Google Patents

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Abstract

单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线包括介质基板(1)、表面等离激元辐射条带(2)、共面波导到辐射条带过渡(3)和贴片(4)；沿着表面等离激元辐射条带(2)的中心线，以等间距的方式排列着多个矩形的内槽(20)；表面等离激元辐射条带(2)的宽度周期性改变，宽度变化的长度周期大于相邻内槽(20)中心间距；在表面等离激元辐射条带(2)一侧，等距排列着多个贴片(4)；贴片(4)是由外曲边(40)和内曲边(41)组成的曲边两边形，内曲边(41)的曲率和与之相邻的表面等离激元辐射条带(2)的边缘(21)曲率一样。天线是单层结构，工艺容差大，实现了单波束侧向辐射，有效提高了天线增益和效率。

Description

单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线
技术领域
本发明涉及一种漏波天线，尤其是一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线。
背景技术
人工表面等离激元是在微波段或太赫兹波段等较低频频段内、在特定周期结构表面激励起的一种特殊的电磁波模式。该模式具有高的横向束缚能力、短工作波长、低损耗、便于共型传输等特性，因而受到了广泛的关注。随着对人工表面等离激元研究的逐步深入，涌现出一系列基于人工表面等离激元设计的新型传输线及功能器件。
传统基于SPP的漏波天线由于SPP的单层结构，不存在反射板，所设计出的天线多是对称的双波束天线，而且波束方向不是沿着介质基板平面与漏波传输方向垂直的侧向，而是朝着介质基板的法向偏向漏波传输方向一边或者偏向漏波传输的相反方向的一边。但在很多应用场景，只需要单个波束辐射方向，双波束带来的能量分散会导致天线增益的降低。而通过在SPP底面增加反射板的方法则会抵消SPP的单层优势。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提出一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线，可以实现单波束侧向辐射，从而增加天线的增益；其次保留了SPP单层金属的优点。
技术方案：本发明的一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线包括介质基板、设置在介质基板上的表面等离激元辐射条带、两个共面波导到辐射条带过渡和多个金属的贴片；介质基板的顶面有金属层，表面等离激元辐射条带、共面波导到辐射条带过渡和贴片都在介质基板的顶面；表面等离激元辐射条带位于两个共面波导到辐射条带过渡之间，其两端分别与两个共面波导到辐射条带过渡相连；共面波导到辐射条带过渡的一端是天线的端口，共面波导到辐射条带过渡的另一端是表面等离激元辐射条带；沿着表面等离激元辐射条带的中心线，以等间距的方式排列着多个矩形的内槽；沿着表面等离激元辐射条带的方向，表面等离激元辐射条带的宽度周期性的改变，宽度变化的长度周期大于相邻内槽中心的间距；在表面等离激元辐射条带的同一侧，等距离排列着多个贴片；共面波导到辐射条带过渡的导带与表面等离激元辐射条带相连，导带两侧的金属地朝着表面等离激元辐射条带的方向，逐渐张开呈喇叭形并远离导带；导带靠近表面等离激元辐射条带的部分，沿着导带的中心线等距排列着大小不同的数个过渡内槽，相邻过渡内槽中心的间距与相邻内槽中心的间距一样；内槽和过渡内槽没有导电金属；表面等离激元辐射条带的宽度变化的每个周期内，都有一个贴片；贴片的形状是由外曲边和内曲边组成的曲边两边形，内曲边靠近表面等离激元辐射条带，内曲边的曲率和与之相邻的表面等离激元辐射条带的边缘曲率一样；调节贴片与等离激元辐射条带之间的缝隙大小，可以调节贴片与表面等离激元辐射条带的耦合强弱，调节天线的匹配和辐射特性，使得天线只有一个朝向贴片的侧向主波束。
贴片的外曲边的形状是圆周的一部分，其圆心在内曲边两个端点连线的垂直平分线上；外曲边长度与内曲边长度的比值在
Figure BDA0001572776810000021
与
Figure BDA0001572776810000022
的闭区间，调节贴片的大小可以调节天线的工作频带。
调节等离激元辐射条带的宽度变化的长度周期，可以微调天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度特性。
调节相邻内槽中心的间距，可以改变天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度等特性；调节相邻内槽的大小，可以微调天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度等特性。
单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线采用共面波导端口进行馈电，由于是漏波辐射，天线的两端各有一个端口。电磁波信号从天线的一个端口馈入后，经过一个共面波导到辐射条带过渡，进入等离激元辐射条带，一边传播一边辐射。共面波导到辐射条带过渡实现共面波导的准横向平面波准TEM模式到表面等离激元SPP模式的过渡，使得共面波导与SPP传输线的阻抗得以匹配。在等离激元辐射条带上，等距排列的内槽形成周期性SPP传输线，通过改变等离激元辐射条带的宽度形成传输方向的周期性结构，使得等离激元辐射条带成为双周期传输线，因此电磁波得可以从等离激元辐射条带辐射出来；在等离激元辐射条带的一侧的贴片，是局域表面等离激元，贴片与等离激元辐射条带相互耦合，也会使得电磁波得可以从等离激元辐射条带辐射出来；由于贴片的内曲边的曲率与等离激元辐射条带的边缘的曲率一样，因此局域表面等离激元贴片与等离激元辐射条带的耦合长度较长且耦合均匀，这样可以避免紧耦合要求造成贴片与等离激元辐射条带的缝隙过小，因此对缝隙的工艺容差就大；在双周期以及贴片的两种辐射的共同作用下，电磁波沿着介质基板平面的与漏波传输方向垂直的、朝向贴片的方向辐射，即天线的主瓣方向在介质基板的同一平面、且其指向与等离激元辐射条带电磁波的传播方向垂直、并且朝着贴片的方向。
有益效果：本发明的有益效果是，所提出的单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线使用单层金属，实现了单波束侧面辐射，不仅有效提高了天线增益和效率，而且工艺容差大。
附图说明
图1是本发明的单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线结构示意图。
图2是本发明的单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线局部结构示意图。
图中有：介质基板1、表面等离激元辐射条带2、共面波导到辐射条带过渡3、贴片4、金属层5、端口6、内槽20、边缘21、导带30、金属地31、过渡内槽32、外曲边40和内曲边41。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线包括介质基板1、设置在介质基板1上的表面等离激元辐射条带2、两个共面波导到辐射条带过渡3和多个金属的贴片4；介质基板1的顶面有金属层5，表面等离激元辐射条带2、共面波导到辐射条带过渡3和贴片4都在介质基板1的顶面；表面等离激元辐射条带2位于两个共面波导到辐射条带过渡3之间，其两端分别与两个共面波导到辐射条带过渡3相连；共面波导到辐射条带过渡3的一端是天线的端口6，共面波导到辐射条带过渡3的另一端是表面等离激元辐射条带2；沿着表面等离激元辐射条带2的中心线，以等间距的方式排列着多个矩形的内槽20；沿着表面等离激元辐射条带2的方向，表面等离激元辐射条带2的宽度周期性的改变，宽度变化的长度周期大于相邻内槽20中心的间距；在表面等离激元辐射条带2的同一侧，等距离排列着多个贴片4；共面波导到辐射条带过渡3的导带30与表面等离激元辐射条带2相连，导带30两侧的金属地31朝着表面等离激元辐射条带2的方向，逐渐张开呈喇叭形并远离导带30；导带30靠近表面等离激元辐射条带2的部分，沿着导带30的中心线等距排列着大小不同的数个过渡内槽32，相邻过渡内槽32中心的间距与相邻内槽20中心的间距一样；内槽20和过渡内槽32没有导电金属；表面等离激元辐射条带2的宽度变化的每个周期内，都有一个贴片4；贴片4的形状是由外曲边40和内曲边41组成的曲边两边形，内曲边41靠近表面等离激元辐射条带2，内曲边41的曲率和与之相邻的表面等离激元辐射条带2的边缘21曲率一样；调节贴片4与等离激元辐射条带2之间的缝隙大小，可以调节贴片4与表面等离激元辐射条带2的耦合强弱，调节天线的匹配和辐射特性，使得天线只有一个朝向贴片4的侧向主波束。
贴片4的外曲边40的形状是圆周的一部分，其圆心在内曲边41两个端点连线的垂直平分线上；外曲边40长度与内曲边41长度的比值在
Figure BDA0001572776810000041
与
Figure BDA0001572776810000042
的闭区间，调节贴片4的大小可以调节天线的工作频带。
调节等离激元辐射条带2的宽度变化的长度周期，可以微调天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度特性。
调节相邻内槽20中心的间距，可以改变天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度等特性；调节相邻内槽20的大小，可以微调天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度等特性。
单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线采用共面波导端口进行馈电，由于是漏波辐射，天线的两端各有一个端口。电磁波信号从天线的一个端口6馈入后，经过一个共面波导到辐射条带过渡3，进入等离激元辐射条带2，一边传播一边辐射。共面波导到辐射条带过渡3实现共面波导的准横向平面波准TEM模式到表面等离激元SPP模式的过渡，使得共面波导与SPP传输线的阻抗得以匹配。在等离激元辐射条带2上，等距排列的内槽20形成周期性SPP传输线，通过改变等离激元辐射条带2的宽度形成传输方向的周期性结构，使得等离激元辐射条带2成为双周期传输线，因此电磁波得可以从等离激元辐射条带2辐射出来；在等离激元辐射条带2的一侧的贴片4，是局域表面等离激元，贴片4与等离激元辐射条带2相互耦合，也会使得电磁波得可以从等离激元辐射条带2辐射出来；由于贴片4的内曲边41的曲率与等离激元辐射条带2的边缘21的曲率一样，因此局域表面等离激元贴片4与等离激元辐射条带2的耦合长度较长且耦合均匀，这样可以避免紧耦合要求造成贴片4与等离激元辐射条带2的缝隙过小，因此对缝隙的工艺容差就大；在双周期以及贴片4的两种辐射的共同作用下，电磁波沿着介质基板1平面的与漏波传输方向垂直的、朝向贴片4的方向辐射，即天线的主瓣方向在介质基板1的同一平面、且其指向与等离激元辐射条带2电磁波的传播方向垂直、并且朝着贴片4的方向。
在制造上，单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线可以采用平面印刷电路板(PCB)工艺制作，也可以采用芯片工艺、高温共烧陶瓷(HTCC)或低温共烧陶瓷(LTCC)等工艺制作。
根据以上所述，便可实现本发明。

Claims (4)

1.一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线，其特征是该天线包括介质基板(1)、设置在介质基板(1)上的表面等离激元辐射条带(2)、两个共面波导到辐射条带过渡(3)和多个金属的贴片(4)；介质基板(1)的顶面有金属层(5)，表面等离激元辐射条带(2)、共面波导到辐射条带过渡(3)和贴片(4)都在介质基板(1)的顶面；表面等离激元辐射条带(2)位于两个共面波导到辐射条带过渡(3)之间，其两端分别与两个共面波导到辐射条带过渡(3)相连；共面波导到辐射条带过渡(3)的一端是天线的端口(6)，共面波导到辐射条带过渡(3)的另一端是表面等离激元辐射条带(2)；沿着表面等离激元辐射条带(2)的中心线，以等间距的方式排列着多个矩形的内槽(20)；在表面等离激元辐射条带(2)的同一侧，等距离排列着多个贴片(4)；共面波导到辐射条带过渡(3)的导带(30)与表面等离激元辐射条带(2)相连，导带(30)两侧的金属地(31)朝着表面等离激元辐射条带(2)的方向，逐渐张开呈喇叭形并远离导带(30)；导带(30)靠近表面等离激元辐射条带(2)的部分，沿着导带(30)的中心线等距排列着大小不同的数个过渡内槽(32)，相邻过渡内槽(32)中心的间距与相邻内槽(20)中心的间距一样；内槽(20)和过渡内槽(32)没有导电金属；表面等离激元辐射条带(2)的宽度变化的每个周期内，都有一个贴片(4)；贴片(4)的形状是由外曲边(40)和内曲边(41)组成的曲边两边形，内曲边(41)靠近表面等离激元辐射条带(2)，内曲边(41)的曲率和与之相邻的表面等离激元辐射条带(2)的边缘(21)曲率一样；调节贴片(4)与等离激元辐射条带(2)之间的缝隙大小，可以调节贴片(4)与表面等离激元辐射条带(2)的耦合强弱，调节天线的匹配和辐射特性，使得天线只有一个朝向贴片(4)的侧向主波束；
所述贴片(4)的外曲边(40)的形状是圆周的一部分，其圆心在内曲边(41)两个端点连线的垂直平分线上；外曲边(40)长度与内曲边(41)长度的比值在
Figure FDA0002316052070000011
与
Figure FDA0002316052070000012
的闭区间，调节贴片(4)的大小可以调节天线的工作频带。
2.根据权利要求1所述的一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线，其特征是所述表面等离激元辐射条带(2)，调节表面等离激元辐射条带(2)的宽度变化的长度周期，能微调天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度特性。
3.根据权利要求1所述的一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线，其特征是所述内槽(20)，调节相邻内槽(20)中心的间距，能改变天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度等特性；调节相邻内槽(20)的大小，能微调天线的电长度，调节天线的波束指向和波束宽度等特性。
4.根据权利要求1所述的一种单波束局域诱导表面等离激元侧射漏波天线，其特征是所述表面等离激元辐射条带(2)，沿着表面等离激元辐射条带(2)的方向，表面等离激元辐射条带(2)的宽度周期性的改变，宽度变化的长度周期大于相邻内槽(20)中心的间距。
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