CN109286070B - 一种表面波八木天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种表面波八木天线，其特征在于，激励的电磁能量为TM表面波，包括：介质层，用于支持表面波传播的介质层；表面波发射器，用于定向发射表面波；表面波引向器，用于定向引导增强表面波；表面波反射器，用于定向反射抑制表面波；其中，介质层一面接地，后三者位于介质层另一面且表面波引向器和表面波反射器分别位于所述表面波发射器的两侧。本发明基于印刷单极子的表面波发射器分别设计了具有V字型的表面波引向器或表面波反射器的紧凑型表面波天线，使得天线结构更加紧凑。本发明也可以在需要抑制表面波的一侧增加石墨烯附层作为表面波吸波材料来降低后向和侧向辐射。

Description

一种表面波八木天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体是表面波八木天线，可用于人体局域网无线通信、芯片内无线互联及空间功率合成等领域。
背景技术
随着人体局域网应用的发展，对于可穿戴天线的需求逐渐扩大。在人体局域网中根据工作模式的不同可分为两类，即体表通信模式和体外通信模式。
对于体表通信模式天线，可穿戴式发射器和接收器都安装在人体的表面上，生物物理信号可以沿人体传播。在非可视通道，表面波为体表通信模式的主要传输机理。
此外，对于无线芯片局域网络中的集成式天线或片上天线，表面波同样也主导了芯片内信道互联传输。因此对于低剖面表面波天线的研究具有广泛的应用前景和商业价值。
现有的可穿戴天线或芯片内集成天线大多基于传统的微带或单极子天线。对于可穿戴天线，在体表通信模式下，传统低剖面天线对于非可视通道的通信性能较差；对于芯片内的集成天线，芯片内路径增益由表面波而非空间波主导。为了在非可视通道或芯片内更好地建立无线通信，需要利用表面波天线定向发射表面波信号。
现有的表面波天线设计中，一类采用磁偶极子形式的缝隙天线，需要在地上开槽激励表面波，然而此种形式的天线在多数情况下难以应用于人体局域网或者芯片局域网；另一类采用平面单极子天线，激励的表面波定向性较弱，路径增益较小。而在很多应用场景中，需要在体表或芯片内特定位置建立点对点无线通信，这就要求高定向性的表面波天线。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种表面波八木天线，用接地介质板上的偶极子可以激励起轴向的TM表面波，基于八木天线的原理，本发明在表面波发射器两侧分别设置了寄生的表面波引向器和表面波反射器，从而得到高定向性的表面波天线。该表面波天线具有低剖面、可共形、低成本等优点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种表面波八木天线，其特征在于，激励的电磁能量为TM表面波，包括：
介质层，用于支持表面波传播的介质层；
表面波发射器，用于定向发射表面波；
表面波引向器位于表面波发射器前，用于定向引导增强表面波；
表面波反射器位于表面波发射器后，用于定向反射抑制表面波；
其中，介质层的一面接地侧设置有导体，所述介质层厚度d满足c为光速，f为工作频率，εr为介质层相对介电常数。所述表面波发射器、引向器、反射器位于介质层另一面，且所述表面波引向器和所述表面波反射器分别位于所述表面波发射器的前后两侧。
优选地，所述介质层为平面型或者曲面型。
优选地，所述表面波引向器为一个印刷偶极子，印刷偶极子的宽度小于长度，长度为二分之一波长。
优选地，所述表面波引向器为多个印刷偶极子，所述多个印刷偶极子共线，并且印刷偶极子之间的间距小于印刷偶极子长度，印刷偶极子的宽度小于长度，长度为二分之一波长。
优选地，所述表面波引向器为V字型结构，对称设置在表面波发射器所在的直线，并且V字型结构的箭头指向需要引导表面波的方向，臂长为二分之一波长。
优选地，所述表面波反射器为平行排列的印刷单极子阵构成的柔性结构，所述印刷单极子的突出长度为四分之一波长，并且指向表面波发射器。
优选地，所述表面波反射器为电磁带隙结构，所述电磁带隙的表面波阻带中心设置有通孔的金属贴片，所述金属贴片为正方形，所述电磁带隙的表面波阻带中心在天线工作频段内。
优选地，所述表面波反射器也为V字型结构，对称设置在所述表面波发射器所在的直线，且箭头指向需要抑制表面波的方向，臂长大于二分之一波长。
优选地，所述表面波引向器与所述表面波发射器的间距小于波长，其间距为使得天线具有最大水平面增益或最佳前后比的距离。
优选地，在表面波发射器后向和侧向环绕有石墨烯附层，所述石墨烯附层在导体地板与介质层之间。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明的表面波发射器采用印刷偶极子或单极子在接地介质板上激励TM模式的表面波，表面波引向器和表面波反射器分别共面置于发射器前后以定向增强表面波。表面波引向器可采用寄生偶极子，表面波反射器可根据不同的应用场景采用柔性反射器或电磁带隙反射器。本发明基于印刷单极子的表面波发射器分别设计了具有V字型的表面波引向器或表面波反射器的紧凑型表面波天线，使得天线结构更加紧凑。此外，本发明也可以在需要抑制表面波的一侧增加石墨烯附层作为表面波吸波材料来降低后向和侧向辐射。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为采用柔性反射器的表面波八木天线物理示意图；
图2为采用电磁带隙反射器的表面波八木天线物理示意图；
图3为采用柔性反射器的表面波八木天线俯视图；
图4为采用电磁带隙反射器的表面波八木天线俯视图；
图5为采用V字型引向器的紧凑型表面波八木天线物理示意图；
图6为采用V字型反射器的紧凑型表面波八木天线物理示意图；
图7为采用V字型引向器的紧凑型表面波八木天线俯视图；
图8为采用V字型反射器的紧凑型表面波八木天线俯视图；
图9为采用具有石墨烯附层的表面波八木天线物理示意图；
图10为采用具有石墨烯附层的表面波八木天线俯视图；
图11为采用柔性反射器的表面波八木天线的水平面方向图；
图12为采用电磁带隙反射器的表面波八木天线的水平面方向图；
图13为采用V字型引向器的紧凑型表面波八木天线的水平面方向图；
图14为采用V字型反射器的紧凑型表面波八木天线的水平面方向图；
图15(a)为加入石墨烯附层前对表面波场强的的场强分布示意图；
图15(b)为加入石墨烯附层后对表面波场强的场强分布示意图。
图中：1为介质层，2为导体地，3为表面波发射器，4为表面波引向器，5为表面波反射器，6为石墨烯附层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
由图1和图2所示，本发明的一种表面波八木天线，激励的电磁能量为TM表面波，包括：
介质层，用于支持表面波传播的介质层；
表面波发射器，用于定向发射表面波；
表面波引向器位于表面波发射器前，用于定向引导增强表面波；
表面波反射器位于表面波发射器后，用于定向反射抑制表面波；
其中，介质层的一面接地侧设置有导体，所述介质层厚度d满足c为光速，f为工作频率，εr为介质层相对介电常数。所述表面波发射器、引向器、反射器位于介质层另一面，且所述表面波引向器和所述表面波反射器分别位于所述表面波发射器的前后两侧。介质层为介电常数为4.4，损耗角正切为0.02的FR-4介质板，介质板大小为60mm*60mm*0.8mm，工作频率为24GHz。偶极子表面波发射器长度L为3.4mm，用于在接地介质层中激励起表面波。偶极子表面波引向器长度Ld为3mm，间距d为0.1mm，共线放置于表面波发射器前用于定向引导增强表面波，此处取表面波引向器个数为4。本发明的所述介质层可以为平面型或者曲面型，其曲面型来以与具体应用场景共形。
本发明的表面波引向器为一个印刷偶极子，印刷偶极子的宽度小于长度，长度为二分之一波长。表面波引向器也可以多个印刷偶极子，所述多个印刷偶极子共线，并且印刷偶极子之间的间距小于印刷偶极子长度，印刷偶极子的宽度小于长度，长度为二分之一波长。
本发明的表面波反射器可以为平行排列的印刷单极子阵构成的柔性结构，所述印刷单极子的突出长度为四分之一波长，并且指向表面波发射器。如图3所示，柔性表面波反射器中印刷单极子长度Lr为1.5mm，间距g为1mm，表面波反射器与表面波发射器间距dr为1.5mm，放置于表面波发射器后用于反射抑制表面波。
本发明的表面波反射器还可以为电磁带隙结构，所述电磁带隙的表面波阻带中心设置有通孔的金属贴片，所述金属贴片为正方形，所述电磁带隙的表面波阻带中心在天线工作频段内。如图4所示，蘑菇型电磁带隙表面波反射器中蘑菇边长w为2.8mm，蘑菇间隙s为0.1mm，蘑菇支柱直径为0.4mm，表面波反射器与表面波发射器间距dr为1.5mm，放置于表面波发射器后用于反射抑制表面波。
如图5和图6所示，为了使天线更加紧凑，可以改用印刷单极子激励表面波，单极子长度为原来偶极子长度的一半，并结合V字型表面波引向器和表面波反射器进一步减小天线尺寸。
本发明的表面波引向器为V字型结构，对称设置在表面波发射器所在的直线，并且V字型结构的箭头指向需要引导表面波的方向，臂长为二分之一波长。如图7所示，V字型表面波引向器中，V字型臂长Ld0为3mm，两表面波引向器间距d0为3mm，半张角θ1为20度；反射器参数同图3。
本发明的表面波反射器也可以为V字型结构，对称设置在所述表面波发射器所在的直线，且箭头指向需要抑制表面波的方向，臂长大于二分之一波长。如图8所示，V字型表面波反射器中，V字型臂长Ld0为4mm，表面波反射器与表面波发射器间距dr0为4mm，半张角θ1为30度；印刷偶极子表面波引向器中，第一引向器的长度Ld1为3mm，引导距离a1＝0.5mm，偏置距离s为0.8mm；第二引向器的长度Ld2为3mm，引导距离a2为2.5mm，偏置距离s为0.8mm。
优选地，所述表面波引向器与所述表面波发射器的间距小于波长，其间距为使得天线具有最大水平面增益或最佳前后比的距离。
如图9所示，利用石墨烯在特定波段支持TM表面波且具有高损耗的特点，本发明在表面波发射器后向和侧向环绕有石墨烯附层，石墨烯附层在导体地板与介质层之间，进而减小表面波沿介质层的后向和侧向传播。
如图10所示，石墨烯附层围绕在需要抑制表面波的方向，石墨烯附层中Wa为10mm，Wb为8mm，L1为28mm，L2为16mm。
图1所示的表面波八木天线对应模拟天线性能如图11所示，天线前向增益约为6.0dBi，天线后向增益约为-6.3dBi。
图2所示的表面波八木天线水平面方向图如图12所示，天线前向增益约为5.6dBi，天线后向增益约为-6.9dBi。
图5所示的表面波八木天线水平面方向图如图13所示，天线前向增益约为4.6dBi，天线后向增益约为-14.8dBi。
图6所示的表面波八木天线水平面方向图如图14所示，天线前向增益约为6.4dBi，天线后向增益约为-7.0dBi。
图9所示的石墨烯附层加入前后对表面波场强的影响如图15所示，其中图15(a)为加入石墨烯附层前的场强分布，图15(b)为加入石墨烯附层后的表面波场强分布，可以看出由于石墨烯在微波频段的高损耗特性，加入石墨烯附层后天线后向和侧向的表面波辐射得到了明显的抑制，。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (7)

1.一种表面波八木天线，其特征在于，激励的电磁能量为TM表面波，包括：
接地介质层，用于支持表面波传播的接地介质层；
表面波发射器，用于定向发射表面波；
表面波引向器位于表面波发射器前，用于定向引导增强表面波；
表面波反射器位于表面波发射器后，用于定向反射抑制表面波；
其中，所述接地介质层厚度d满足，c为光速，f为工作频率，为接地介质层相对介电常数；所述表面波发射器、引向器、反射器位于接地介质层另一面，且所述表面波引向器和所述表面波反射器分别位于所述表面波发射器的前后两侧；
所述表面波引向器为V字型结构，对称设置在表面波发射器所在的直线，并且V字型结构的箭头指向需要引导表面波的方向，臂长为二分之一波长；
所述表面波反射器也为V字型结构，对称设置在所述表面波发射器所在的直线，且箭头指向需要抑制表面波的方向，臂长大于二分之一波长；
在表面波发射器后向和侧向环绕有石墨烯附层，所述石墨烯附层在导体地板与介质层之间。
2.根据权利要求1所述的表面波八木天线，其特征在于，所述接地介质层为平面型或者曲面型。
3.根据权利要求1所述表面波八木天线，其特征在于，所述表面波发射器为一个印刷偶极子或单极子。
4.根据权利要求1所述表面波八木天线，其特征在于，所述表面波引向器为多个印刷偶极子，所述多个印刷偶极子共线，并且印刷偶极子之间的间距小于印刷偶极子长度，印刷偶极子的宽度小于长度，长度为二分之一波长。
5.根据权利要求1所述表面波八木天线，其特征在于，所述表面波反射器为平行排列的印刷单极子阵构成的柔性结构，所述印刷单极子的长度为四分之一波长，并且指向表面波发射器。
6.根据权利要求1所述表面波八木天线，其特征在于，所述表面波反射器为电磁带隙结构，所述电磁带隙的表面波阻带中心设置有通孔的金属贴片，所述金属贴片为正方形，所述电磁带隙的表面波阻带中心在天线工作频段内。
7.根据权利要求1所述表面波八木天线，其特征在于，所述表面波引向器与所述表面波发射器的间距小于波长，其间距为使得天线具有最大水平面增益或最佳前后比的距离。
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