CN108879103B

CN108879103B - 紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵

Info

Publication number: CN108879103B
Application number: CN201810688020.0A
Authority: CN
Inventors: 陈红雅; 马华; 李勇峰; 王甲富; 韩亚娟; 闫明宝; 王军; 庞永强; 屈绍波
Original assignee: Air Force Engineering University of PLA
Current assignee: Air Force Engineering University of PLA
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2018-06-28
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2038-06-28
Also published as: CN108879103A

Abstract

本发明公开了紧凑馈电网络型人工表面等离激元(SSPP)平板天线阵，涉及天线技术领域，该平板天线阵由SSPP功分网络和透射型相位梯度超表面组成。SSPP功分网络为1分2功分网络，使产生的SSPP不仅按照设计方向传输，并且SSPP能量按照设计比例传输。利用该SSPP功分网络馈电，通过透射型相位梯度超表面解耦，实现了两路紧凑型SSPP平板天线阵。仿真和实验验证表明，在6.7‑14GHz频段内，该SSPP平板天线阵平均增益为16.9dB，天线总效率均在80％以上，最高总效率达到了93.5％。

Description

紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵。

背景技术

超表面是二维的超材料，通过超材料结构单元可引入不同反射/透射“相位突变”，将这些不同超材料结构单元按照某种排布方式进行空间组合，超表面可实现对电磁波传播方向、相位、传播模式、极化方式等特性的自由调控。因此，通过超表面不仅能够实现负反射、负折射效应，还能实现极化方式转换、异常反射/折射效应、表面电磁波耦合和解耦效应、平板聚焦等新颖的物理特性。正是由于超表面独特物理特性、更加灵活设计自由度和亚波长厚度特性，超表面在天线、微波器件、光学器件、隐身新技术等诸多领域具有广阔的应用前景，是当今国内外学术界的研究热点和前沿。

传统的漏波天线存在开阻带现象，即当天线主波束经过边射方向时，辐射消失的现象。抑制开阻带现象一直是周期性漏波天线设计中重要研究方向。目前通过引进复合左右手材料设计周期单元可以抑制开阻带现象。通过设计不对称的等离激元波导，可以实现连续的漏波辐射。已经有前人设计了基于反射型相位梯度超表面的SSPP平板天线，在边射方向获得高效辐射可以避免该现象。事实上，基于相位梯度超表面的SSPP平板天线可以看作一种特殊的漏波天线，通过想为他梯度提供的人工波矢，除了零阶模式，使其他高阶的模式急剧降低。众所周知，人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP)的波矢k_sspp远大于自由空间电磁波波矢k₀。通过梯度超表面提供的“人工波矢”对反射波或透射波进行面内波矢补偿，可以使k₀增大至k_sspp，从而能够使空间电磁波耦合为SSPP。反过来，通过设计超表面提供的“人工波矢”方向与SSPP的波矢k_sspp相反时，也可以使k_sspp降低至k₀，从而将SSPP转换为空间电磁波。目前主要通过采用反射型或透射型相位梯度超表面作为辐射面板实现SSPP平板天线。另外，对于天线阵来说，功率分配器是一个重要的组成部分。目前基于SSPP的功率分配器已经有Y型功率分配器，T型功率分配器等，但是仍然有两个问题有待解决，即如何保证产生的SSPP按照设计的方向传输，以及如何保证SSPP能量分配按照设计的比例进行。

发明内容

本发明实施例提供了涉及紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵，可以解决现有传统漏波天线技术中存在的开阻带现象问题以及对于基于SSPP馈电网络的SSPP能量按照设计方向传输和分配问题。

本发明提供了紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵，该天线阵包括透射型相位梯度超表面和功分网络，功分网络以一定距离安装在透射型相位梯度超表面的正下方；

功分网络分为三部分，分别为依次连接的第I部分过渡区、第II部分功分区和第III部分直线型SSPP导波结构，过渡区包括金属层和位于金属层两侧的F4B介质基板，金属层包括中央金属层和边缘金属层，边缘金属层对称分布在中央金属层的上下两侧，中央金属层包括连接在一起的矩形部分和锯齿部分，锯齿部分的上下两端具有对称的矩形锯齿状凸起，且锯齿的高度沿远离矩形部分的方向逐渐变大，最终保持在固定的高度；边缘金属层在中央金属层的矩形部分上下两侧，并保持固定的距离，且边缘金属层在锯齿部分上下两侧的宽度沿远离矩形部分的方向逐渐减小，最终宽度减小到零；在锯齿部分远离矩形部分的一端设置有金属过孔；

功分区由两列对称分布的圆弧型SSPP导波结构构成，每列圆弧形SSPP导波结构由两截平行于第I部分的直线型SSPP导波结构和两个四分一圆弧型波导结构组成，两个四分一圆弧型波导结构反向拼接，两个直线型SSPP导波结构分别连接在拼接后的导波结构两端，功分区的导波结构由单侧F4B介质基板和金属锯齿结构组成，该金属锯齿结构的末端开设有金属过孔，该金属过孔与过渡区中中央金属层的锯齿部分上的金属过孔连接在一起；

第III部分的直线型SSPP导波结构包括两列与第I部分平行且对称分布的SSPP导波结构，也由单侧F4B介质基板和金属锯齿结构组成。

本发明实施例中的涉及紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵，所述平板天线阵由SSPP功分网络和透射型相位梯度超表面组成。SSPP功分网络为1分2功分网络，使产生的SSPP不仅按照设计方向传输，并且SSPP能量按照设计比例传输。利用该SSPP功分网络馈电，通过透射型相位梯度超表面解耦，实现了两路紧凑型SSPP平板天线阵。仿真和实验验证表明，在6.7-14GHz频段内，可实现从前向到后向的连续扫描，避免了开阻带现象。该SSPP平板天线阵平均增益为16.9dB，天线总效率均在80％以上，最高总效率达到了93.5％。

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为本发明实施例提供的紧凑馈电网络型SSPP平板天线阵的立体结构示意图，其中1表示透射型相位梯度超表面，2表示SSPP功分网络；

图2为图1中SSPP功分馈电网络的结构示意图，其中(a)为紧凑馈电网络型SSPP平板天线阵的侧视图，(b)为1分2SSPP功分馈电网络俯视图，(c)为第I部分过渡区域侧视图，(d)和(e)分别为第II部分功分区的三维视图和俯视图，(f)为SSPP导波结构侧视图；

图3为本发明采用的透射型线极化旋转超表面示意图，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为本发明两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵样品照片；

图5为本发明两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵的反射系数S₁₁仿真结果和测试结果对比；

图6为本发明f＝8GHz处，1分2SSPP功分馈电网络的近场(电场分量E_z)分布仿真结果，(a)为三维视图，(b)为俯视图，(c)为侧视图；

图7为本发明两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵的三维增益图，其中(a)为f＝7GHz时的增益图，(b)为f＝9GHz时的增益图，(c)为f＝11GHz时的增益图，(d)为f＝13GHz时的增益图；

图8为本发明在6.7-14GHz频段内，两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵的H面归一化方向图，其中(a)为仿真结果，(b)为测试结果；

图9为SSPP平板天线阵主瓣方向的理论计算、仿真和测试结果对比；

图10为SSPP平板天线阵仿真计算结果，其中(a)为峰值增益和H面半功率波束宽度，(b)为辐射效率和总效率。

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紧凑馈电网络型SSPP平板天线阵，该天线阵包括透射型相位梯度超表面1和功分网络2，功分网络以一定距离放置在透射型相位梯度超表面的正下方。

参照图2，功分网络共分为三部分，分别为依次连接的第I部分过渡区，第II部分功分区和第III部分直线型SSPP导波结构，如图2(a)和2(b)所示。第I部分过渡区侧视图，如图2(c)所示。过渡区包括金属层和位于金属层两侧的F4B介质基板(介电常数为2.65，损耗角正切为0.001)，F4B介质基板的厚度为0.2mm，这是为了使SSPP导波结构完全对称分布，从而使SSPP能够均匀分裂为两束完全相同的SSPP。金属层包括中央金属层和边缘金属层，边缘金属层对称分布在中央金属层的上下两侧，中央金属层包括矩形部分和锯齿部分，锯齿部分的上下两端具有对称的矩形锯齿状凸起，且锯齿的高度沿远离矩形部分的方向逐渐变大，最终保持在固定的高度。边缘金属层在中央金属层的矩形部分上下两侧，并保持固定的距离，而在锯齿部分上下两侧的宽度沿远离矩形部分的方向逐渐减小，最终宽度减小到零。在过渡区的最右端金属层，即锯齿部分远离矩形部分的一端设置了金属过孔，如图2(b)-(e)所示，金属过孔的直径为d_k＝0.8mm。通过优化，结构参数分别为锯齿部分长度l₂＝50mm，透射型相位梯度超表面和功分网络的距离h_b＝4.7mm，边缘金属层位于中央金属层的矩形部分上下两侧的宽度w＝3mm，和矩形部分的距离g＝0.25mm，矩形部分的宽度h_c＝4.7mm，高度逐渐增大的锯齿为9个，高度依次为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。

第II部分是功分区，如图2(b)-(e)所示，由两列对称分布的圆弧型SSPP导波结构构成，每列圆弧形SSPP导波结构由两截平行于第I部分的直线型SSPP导波结构(其长度分别为l₃＝2.62mm和l₄＝3.3mm)和两个半径为r_t＝7.0mm的四分一圆弧型波导结构反向拼接组成。功分区的SSPP导波结构由单侧F4B介质基板(厚度为0.2mm)和金属锯齿结构组成，金属锯齿结构参数分别为周期宽度p＝2.5mm，锯齿高度h＝1.9mm和锯齿距离a＝1mm，如图2(f)所示。通过金属过孔，将两列金属锯齿结构与第I部分的中央金属层连接。这里通过设置金属过孔，更高效地引导第I部分中央金属层上的SSPP沿着第II部分的圆弧型SSPP导波结构传输，而且截止频率的下降沿更陡。这是因为通过设置金属过孔，有利于形成表面模式，SSPP局域场强只有微弱的降低；若没有设置金属过孔，SSPP传输主要依赖于场耦合，而表面模式将被两列SSPP导波结构的电边界破坏，导致场强明显减弱，场分布不再高度局域在金属锯齿上。

第III部分是两列与第I部分平行且对称分布的直线型SSPP导波结构，它也由单侧F4B介质基板(厚度为0.2mm)和金属锯齿结构组成，金属锯齿结构单元与第II部分一样，即锯齿高度h＝1.9mm，周期宽度p＝2.5mm和锯齿距离a＝1mm，如图2(b)和(f)所示，整个第III部分长为l₅＝300mm。由于金属锯齿结构上SSPP的强色散性，SSPP能够在SSPP导波结构上长程高效传输。

图3为本发明采用的透射型线极化旋转相位梯度超表面示意图，该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，其中上下层金属结构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c＝6mm；两层介质采用厚度e＝3mm的F4B介质基板，其相对介电常数ε_e＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001，金属栅结构周期s＝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i、臂长d及线宽f，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：i＝7.7mm，d＝1.2mm，f＝0.2mm(结构单元1)；i＝7.7mm，d＝2.6mm，f＝0.2mm(结构单元2)；i＝7.5mm，d＝3.55mm，f＝0.15mm(结构单元3)；i＝7.6mm，d＝2.3mm，f＝0.2mm(结构单元4)；i＝7.8mm，d＝3.0mm，f＝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所示本发明两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵，天线口径面尺寸为：300mm×60mm。

图5为本发明两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵的反射系数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％。

图6为本发明在f＝8GHz处，1分2SSPP功分馈电网络的近场(电场分量E_z)分布仿真结果，(a)三维视图，(b)俯视图，(c)侧视图。可以看出，空间电磁波通过第I部分被高效耦合为局域在中央金属层表面两侧的奇模式SSPP。然后通过金属过孔引导中央金属层上SSPP均匀分裂为沿着两列圆弧型SSPP导波结构传输的SSPP，如图6(b)所示，可以看到，电场分量E_z高度局域在两列金属锯齿结构两侧，两列直线型SSPP导波结构均支持SSPP奇模式；另外，SSPP从中央金属层上耦合到两列金属锯齿上的过程中，由于两个SSPP导波结构上支持相同SSPP传输模式，导致两列圆弧型SSPP导波结构之间出现很低的散射现象。最后以近似相等的电场幅度沿着对称分布的SSPP波导结构传输，SSPP沿着SSPP导波结构传输时电场幅度在不断降低，这是由于透射型相位梯度超表面提供的“人工波矢”，将SSPP不断转化为空间辐射波。这验证了两路紧凑馈电网络型SSPP平板天线工作原理的正确性。

图7为本发明两路紧凑型馈电网络SSPP平板天线阵的三维增益图，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14.4dB、17.3dB、17.3dB和17.3dB，可以看出，设计的天线具有较高增益。

图8为本发明在6.7-14GHz频段内，SSPP平板天线阵的H面归一化方向图，其中(a)为仿真结果，(b)为测试结果。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9为SSPP平板天线阵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10为SSPP平板天线阵的仿真计算结果，(a)为峰值增益和H面半功率波束宽度，(b)为辐射效率和总效率。从图10(a)可以看出，在该频段内，SSPP平板天线平均增益为16.9dB，在f＝11.6GHz处增益达到最大，其值为18dB。H面半功率波束宽度平均为6.75°，天线方向性很好。从图10(a)可以看出，SSPP平板天线在该频段内总效率均在80％以上，辐射效率均在85％以上，而且可以看出天线的辐射损耗很小。尤其在f＝8GHz处，天线效率达到了93.5％。由此可以看出，上面设计的两路紧凑型馈电网络型SSPP平板天线阵具有很高的效率。

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.紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵，其特征在于，该天线阵包括透射型相位梯度超表面和功分网络，功分网络以一定距离安装在透射型相位梯度超表面的正下方；

第III部分的直线型SSPP导波结构包括两列与第I部分平行且对称分布的SSPP导波结构，也由单侧F4B介质基板和金属锯齿结构组成；

所述透射型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，其中上下层金属结构为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构。

2.如权利要求1所述的紧凑馈电网络型人工表面等离激元平板天线阵，其特征在于，5个结构单元构成相位梯度超表面的超单元，多个超单元构成所述透射型相位梯度超表面，相邻两个结构单元间的相位差为72°。