CN109742532B - 一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线 - Google Patents
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Abstract
一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线，涉及漏波天线。设有介质基板，在介质基板上表面覆有金属结构，所述金属结构包括位于介质基板一端的梯形共面波导传输线馈电部分、位于介质基板中间的人工表面等离激元渐变金属槽阵部分、梯形共面波导传输线馈电部分到人工表面等离激元金属槽阵部分的过渡部分以及位于介质基板中尾端的人工表面等离激元周期金属槽部分。天线的工作频带非常宽，在相应的工作频点处具有较高的增益与良好的方向性。结构简单、制作简易、尺寸较小、性能良好，能够应用于实际工作的需要，对于人工表面等离激元在微波频段的应用具有十分重要的现实意义。
Description
技术领域
本发明涉及漏波天线，尤其是涉及通过共面波导馈电的一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线。
背景技术
表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons，SPP)是一种沿金属-介质分界面传播的电子疏密波，具有高束缚性和近场增强等特性，近年来形成了一门新兴的学科方向。由于其独特的性质，SPP在负折射材料、超分辨率成像、雷达、波束扫描等领域有着广阔的应用前景。为将SPP应用到微波、毫米波频段，可以通过在金属表面开槽构造人工等离子体材料，实现基于SPP的可调控、可重构、智能化的电路、器件或天线。
目前已有多种基于人工表面等离激元的天线，如文献[Spoof PlasmonicWaveguide-Fed 2-D Antenna Array With Improved Efficiency[J].IEEE ANTENNAS ANDWIRELESS PROPAGATION LETTERS,2017,VOL.16:377-380.]提出了一种由人工表面等离激元波导激发的二维天线阵列，在沟槽上方添加了4×4圆形贴片，通过改变贴片的大小及其与沟槽的距离等参数，可以控制天线的频带及回波损耗、增益等性能，天线的增益在18.5～19.5GHz频带范围内达到了19.6dBi。文献[Low-Profile Spoof Surface PlasmonPolaritons Traveling-Wave Antenna for Near-Endfire Radiation[J].IEEE ANTENNASAND WIRELESS PROPAGATION LETTERS,2018,17(5):184-187]提出了一种基于SSPP传输线的小型化高效率行波天线，其在尾端设计的渐变区域有效降低了天线的回波损耗，可在7.5～8.5GHz产生近场端射辐射束，最大增益和效率可分别达到9.2dB和96％。虽然已实现利用表面等离激元实现辐射，但是存在制作工艺要求高、工作带宽窄、尺寸仍然较大等诸多问题。
在人工表面等离激元周期结构间加开缝隙，可以降低其束缚性，辐射出电磁波从而构建漏波天线，既能实现工作频段的智能调控，又能满足集成电路与系统的小型化、超宽带等要求。
发明内容
本发明的目的在于提供可在工作频带内实现端射辐射，结构简单，通过共面波导馈电的一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线。
本发明设有介质基板，在介质基板上表面覆有金属结构，所述金属结构包括位于介质基板一端的梯形共面波导传输线馈电部分、位于介质基板中间的人工表面等离激元渐变金属槽阵部分、梯形共面波导传输线馈电部分到人工表面等离激元金属槽阵部分的过渡部分以及位于介质基板中尾端的人工表面等离激元周期金属槽部分。
所述介质基板可采用单面覆铜微波介质基板，介质基板可为长方体罗杰斯微波介质基板。
所述梯形共面波导传输线馈电部分包括中心导体及分布于所述中心导体两侧的金属地结构，所述中心导体由矩形-等腰梯形-矩形金属结构组成；所述金属地结构由矩形-直角梯形-矩形金属结构组成。
所述过渡部分可由槽深渐变的双边褶皱带线和槽深渐变的双边褶皱带线径向两侧的开口金属地结构组成；所述槽深渐变的双边褶皱带线由所述梯形共面波导传输线馈电部分的中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有固定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度逐渐加深；开口金属地结构由梯形共面波导传输线馈电部分的金属地结构延伸而出，金属地的边缘为椭圆曲线。
所述人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分可由槽深相等的对称凹槽结构平移得到，且平移的距离逐渐增加。所述人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分呈对称U型，人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分的形状大小及密度根据实际需要进行设置。
所述人工表面等离激元周期金属槽部分可由槽深相等的对称凹槽结构周期平移得到。
与现有技术相比较，本发明具有以下突出的优点和显著的效果：天线的工作频带非常宽，在相应的工作频点处具有较高的增益与良好的方向性。本发明提供的漏波天线结构简单、制作简易、尺寸较小、性能良好，能够应用于实际工作的需要，对于人工表面等离激元在微波频段的应用具有十分重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明实施例所述介质基板上表面的俯视结构示意图。
图2为本发明实施例中梯形共面波导传输线馈电部分和过渡部分的局部放大图。
图3为本发明实施例中人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分局部放大图。
图4为本发明实施例的回波损耗曲线图。
图5为本发明实施例在8.5GHz处的天线E面方向图。
图6为本发明实施例在8.5GHz处的天线H面方向图。
图7为本发明实施例在9.5GHz处的天线E面方向图。
图8为本发明实施例在9.5GHz处的天线H面方向图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步的说明。
参见图1，本发明实施例设有介质基板，在介质基板上表面覆有金属结构，所述金属结构包括位于介质基板一端的梯形共面波导传输线馈电部分1、位于介质基板中间的人工表面等离激元渐变金属槽阵部分3、梯形共面波导传输线馈电部分1到人工表面等离激元金属槽阵部分3的过渡部分2以及位于介质基板中尾端的人工表面等离激元周期金属槽部分4。
所述介质基板采用单面覆铜微波介质基板。
所述梯形共面波导传输线馈电部分1包括中心导体及分布于所述中心导体两侧的金属地结构。
所述过渡部分2由槽深渐变的双边褶皱带线和槽深渐变的双边褶皱带线径向两侧的开口金属地结构组成。
所述人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分3由槽深相等的对称凹槽结构平移得到，且平移的距离逐渐增加。
所述人工表面等离激元周期金属槽部分4由槽深相等的对称凹槽结构周期平移得到。
所述介质基板为矩形结构，长边长度a为187.3mm，短边长度b为38.6mm，厚度为0.762mm，覆铜膜厚度为0.035mm，相对介电常数为3.66，损耗角正切值不大于0.01。
参见图2，为所述梯形共面波导传输线馈电部分1和过渡部分2的局部放大图，所述梯形共面波导传输线馈电部分1包括中心导体及分布于中心导体两侧的金属地结构，所述中心导体由长边长度l1为10.9mm，短边长度d1为4mm的矩形、上底长度d1为4mm，下底长度d2为14mm，高l2为20.8mm的等腰梯形和长边d2为14mm，短边l3为9.2mm的矩形依次相连组成；所述金属地结构由长边长度w1为17mm，短边长度l1为10.9mm的矩形、上底长度w1为17mm，下底长度w2为12mm，高l2为20.8mm的直角梯形和长边长度w2为12mm，短边长度l3为9.2mm的矩形依次相连组成；所述金属地结构位于中心导体两侧，距离中心导体g为0.3mm。
所述过渡部分2由槽深渐变的双边褶皱带线和槽深渐变的双边褶皱带线径向两侧的开口金属地结构组成；所述槽深渐变的双边褶皱带线由所述梯形共面波导传输线馈电部分1的中心导体带线延伸而出，均匀间隔开设有8个固定宽度s为2mm的凹槽，凹槽间隔距离p为5mm，所述凹槽深度随着延伸长度逐渐由h1为0.5mm均匀增加到h为4mm，上下两个褶皱带线间距n为2mm；开口金属地结构由梯形共面波导传输线馈电部分1的金属地结构延伸而出，金属地的边缘为椭圆曲线；椭圆的长轴的一半长l4为40mm，短轴的一半长w2为12mm。
参见图3，为所述人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分3由过渡部分2中槽深最深的对称凹槽结构沿径向方向周期平移8次后加开缝隙得到，平移的周期p为5mm，加开的缝隙长度由ga1为0.25mm均匀增加到ga为2mm。
所述人工表面等离激元周期金属槽部分4由人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分3中的最后一个对称凹槽结构沿径向方向周期平移8次得到，平移的周期p1为7mm。
参见图4，为上述结构参数天线回波损耗曲线实测结果，由曲线可见，实测值小于-10dB的频带范围为7.07～10.61GHz，相对带宽为40.0％。
参见图5～8，为天线在8.5GHz和9.5GHz处方向图。图5为8.5GHz处天线E面方向图；图6为8.5GHz处天线H面方向图，图7为8.5GHz处天线E面方向图，图8为8.5GHz处天线H面方向图。两个频点处的方向图主要辐射方向约为60°。在8.5GHz和9.5GHz两个频点，天线的增益分别为10.7和8.8dB。
本发明可以通过改变金属槽的几何尺寸调节天线带宽，在工作频点处具有较高的增益，满足实际应用的需求。
Claims (4)
1.一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线，其特征在于设有介质基板，在介质基板上表面覆有金属结构，所述金属结构包括位于介质基板一端的梯形共面波导传输线馈电部分、位于介质基板中间的人工表面等离激元渐变金属槽阵部分、位于梯形共面波导传输线馈电部分到人工表面等离激元渐变金属槽阵部分之间的过渡部分以及位于介质基板另一端的人工表面等离激元周期金属槽部分；
所述介质基板采用单面覆铜微波介质基板，介质基板为长方体罗杰斯微波介质基板；所述介质基板的长边长度为187.3mm，短边长度为38.6mm，厚度为0.762mm，覆铜膜厚度为0.035mm，相对介电常数为3.66，损耗角正切值不大于0.01；
所述梯形共面波导传输线馈电部分包括中心导体及分布于所述中心导体两侧的金属地结构，所述中心导体由矩形-等腰梯形-矩形金属结构组成；所述金属地结构由矩形-直角梯形-矩形金属结构组成；所述中心导体由长边长度为10.9mm，短边长度为4mm的矩形、上底长度为4mm，下底长度为14mm，高为20.8mm的等腰梯形和长边为14mm，短边为9.2mm的矩形依次相连组成；所述金属地结构由长边长度为17mm，短边长度为10.9mm的矩形、上底长度为17mm，下底长度为12mm，高为20.8mm的直角梯形和长边长度为12mm，短边长度为9.2mm的矩形依次相连组成；所述金属地结构位于中心导体两侧，距离中心导体为0.3mm；
所述过渡部分由槽深渐变的双边褶皱带线和槽深渐变的双边褶皱带线径向两侧的开口金属地结构组成；所述槽深渐变的双边褶皱带线由所述梯形共面波导传输线馈电部分的中心导体延伸而出，均匀间隔设有固定宽度的凹槽，所述凹槽随着延伸长度逐渐加深；开口金属地结构由梯形共面波导传输线馈电部分的金属地结构延伸而出，开口金属地的边缘为椭圆曲线。
2.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线，其特征在于所述均匀间隔上设有8个固定宽度都为2mm的凹槽，相邻两凹槽间隔距离均为5mm，所述每侧褶皱带线凹槽深度随着延伸长度逐渐由0.5mm均匀增加到4mm，上下两个褶皱带线间距为2mm；所述椭圆的长轴的一半长为40mm，短轴的一半长为12mm。
3.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线，其特征在于所述人工表面等离激元缝隙渐变金属槽阵部分由槽深相等的对称凹槽结构平移得到，且平移的距离逐渐增加；
所述平移为8次，平移所形成的两相邻对称凹槽间的缝隙宽度由0.25mm均匀增加到2mm。
4.如权利要求1所述一种基于人工表面等离激元的对称周期沟槽漏波天线，其特征在于所述人工表面等离激元周期金属槽部分由槽深相等的对称凹槽结构周期平移得到；
所述平移为8次，平移的周期为7mm。
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