CN109768384A - 基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线、无线通信系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于天线技术领域，公开了一种基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线、无线通信系统；包括：馈电结构和辐射结构；馈电结构包括微带向槽线的转换结构，能够激励起奇模人工表面等离激元；辐射结构由末端渐变的周期波纹金属条构成；馈电部分和辐射部分都印制在双面覆铜介质板上。利用本征模方法分析人工表面等离激元单元的色散特性，分析色散曲线设计出了在微波频段具有宽带高效辐射的端射天线。并进行了全波电磁仿真和加工测试，验证了该天线在所设计的频段内能够实现宽频带的端射辐射。本发明的端射天线具有工作频带宽、端射性能稳定、厚度薄、质量轻和易加工等特点，在新型宽带端射天线领域有着广阔的应用前景。

Description

基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线、无线通信系统

技术领域

本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线、无线通信系统。

背景技术

目前，业内常用的现有技术是这样的：表面等离激元(surface plasmonpolaritons，SPPs)是一种表面电磁波。在可见光频带，金属是负的介电常数，其表面的自由电子呈现等离子态，能够形成表面等离激元。但是，频率低到微波频段时，金属是理想导体状态，表面等离激元就不再存在。为了弥补这一缺陷，创造天然煤质不具备的超常物理性质的人工复合电磁材料的发展能够扩展表面等离激元的应用。一种超薄的等离子体波纹结构可以在微波及太赫兹波段支持类似于可见光频段的表面等离激元传输，被称为人工表面等离激元。由于人工表面等离激元能够实现人工调控其电磁特性，因此它被相继应用于滤波器、环形器等微波器件中。同时，基于此超材料设计的天线也逐渐被提出。但是基于人工表面等离激元设计的天线大多是由偶模激励的，天线的波束主瓣是随着频率变化的。这种波束扫描天线只适用于方向图最大辐射方向随着频率变化的情形下，但是定向天线的研究也很重要，能够保持在一定频带范围内方向图的稳定性。而由于偶模激励的人工表面等离激元的传输损耗大，只能通过增加其他结构或者改变波导类型才能激励起奇模。因此利用人工表面等离激元的奇模来设计天线的研究少之又少。

综上所述，现有技术存在的问题是：基于人工表面等离激元设计的天线由于多数是偶模激励的人工表面等离激元，其传输损耗大，只能通过增加其他结构或者改变波导类型才能激励起奇模。

解决上述技术问题的难度：

解决存在的此类问题，关键在于突破传统的人工表面等离激元的激励模式，实现一种创新型的激励方式。传统激励方式是利用共面波导馈电，这里应用新型的馈电方式：微带到槽线的转换方式。同时，在天线设计领域，实现高增益的宽频带的连续定向方向图的天线有很大的难度。这里，利用人工表面等离激元结构能够在较宽的频带内实现定向的方向图，性能优良，有很大的技术创新。

解决上述技术问题的意义：

利用人工表面等离激元的奇模模式进行传输和辐射，能够获得更高的传输效率和更低的损耗。这种模式通过一致性线源理论，实现宽频带范围的端射方向性，相对于传统的偶模人工表面等离激元模式，能够提高方向图的定向性。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线、无线通信系统。

本发明是这样实现的，一种基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线，所述基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线包括：辐射结构、馈电结构；辐射结构、馈电结构通过三角形贴片连接；天线的主要参数有：W1,W2,W3,W4,W5,slot_w1,slot_w2,slot_w3,slot_l1,α。其中W1是馈电部分的金属地板末端梯形的上边长的长度，W2是馈电的微带线距离金属地板末端的距离，W3是馈电部分的金属地板末端梯形斜边的长度，W4是馈电部分的金属地板末端梯形的底边和槽线之间的斜边的距离，W5是馈电的微带线距离金属地板始端的距离，slot_w1是金属等腰三角形贴片底边距离馈电金属部分的距离，slot_w2是槽线末端距离三角形贴片顶点的距离，slot_w3是槽线的宽度，slot_l1是槽线的长度，α是等腰三角形金属贴片的顶角的半角角度。

馈电结构包括印制在双面覆铜介质板上层的微带向槽线的转换结构和印制在双面覆铜介质板下层的渐变微带线组成；

辐射结构包括一排周期性波纹金属条和末端逐渐变细的金属条。

进一步，所述馈电结构由微带到槽线的转化器实现；微带线末端是扇形的枝节。

进一步，所述槽线的末端由完全相同的扇形构成空腔。

进一步，所述辐射结构末端是抛物线渐变结构。

进一步，所述基于奇模人工表面等离激元的宽带端射天线的人工表面等离激元单元的奇模和偶模的色散曲线，具体的参数p为人工表面等离激元单元的宽度，w是人工表面等离激元单元的长度，a是凹槽的宽度，h是凹槽的深度。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于奇模人工表面等离激元的宽带端射天线的无线通信系统。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明通过微带到槽线转换器结构来激励起奇模并成功设计端射方向上定向的天线。这种端射天线能够在较宽的频带内实现方向图的定向性，其天线的阻抗带宽达到了70％。本发明提出的基于奇模人工表面等离激元的宽带端射天线大大拓宽了人工表面等离激元在天线领域的应用。

本发明基于奇模人工表面等离激元的激励，能够实现在微波频段与光学频段自然存在的表面等离激元类似的电磁效应。利用微带到槽线的转换结构作为馈电结构能够成功激励起奇模，从色散曲线上分析得到，奇模人工表面等离激元横穿了快波和慢波区域。而快波区域是辐射区域，即良好地利用到f1到f2的频带。天线在低频处，奇模模式可以比传统的偶模模式实现较宽的工作带宽。同时，将人工表面等离激元的末端设计为渐变的结构，能够扩展较高频率的辐射带宽，即将频带从57.8％提高到70％。综上所述，利用奇模人工表面等离激元进行辐射的末端渐变的天线结构，可以实现较宽频点范围内的端射方向图，具有良好的工程实际意义。

本发明利用本征模计算方法分析单元波纹结构的色散特性，模拟光学频段自然存在的人工表面等离激元，其色散曲线用于说明奇模模式比偶模有宽频带辐射的优越性。奇模色散曲线能够横跨快波和慢波区域，比偶模只存在于慢波区域实现更宽频带的辐射。并且，凹槽的深度越深，人工表面等离激元的束缚作用越强，在此次发明中，凹槽的最深的深度为h，末端深度逐渐减小，这种渐变结构可以降低截止频率。在末端将深度减弱，在较高的频率处，能够将原本被束缚在人工表面等离激元的能量释放，实现辐射，天线在高频处也能够正常工作，即频带范围从57.8％拓展到70％。这种设计，由奇模人工表面等离激元的色散曲线出发分析，最终实现了宽频带下的端射辐射。理论分析的同时，进行全波电磁仿真和加工测试，验证了该天线在所设计的频段内能够实现端射辐射。该端射天线具有结构简单，工作频带宽，质量轻和易加工等特点，在新型端射天线领域有着广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明的优势是：

1、本发明利用奇模人工表面等离激元结构实现微波频段的辐射。将原本多用于传输作用的人工表面等离激元结构设计成有辐射作用的新型天线，极大地拓展了人工表面等离激元的应用范围，拓展了端射定向天线的类型。

2、本发明利用奇模人工表面等离激元结构实现端射辐射。在天线的工作频带范围内，主波瓣方向不会随着频率改变而改变，能够实现端射方向图，在四个频点下，都可以实现良好的定向特性。

3、本发明利用奇模人工表面等离激元结构能够比传统激励的偶模结构能够实现更宽的辐射频带。并且加入末端渐变的设计，实现了较宽的阻抗带宽，最终天线的阻抗带宽达到了70％。

4、本发明结构简单，加工方便，成本低，重量轻。本发明的端射天线均覆盖介质板的上表面，能够在微波电路中良好集成。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线结构示意图；

图中：1、介质板；2、辐射结构；3、馈电结构；4、槽线。

图2是本发明实施例提供的奇模和偶模人工表面等离激元单元的色散曲线对比示意图。

图3是本发明实施例提供的人工表面等离激元单元的色散曲线随着凹槽深度变化的示意图。

图4是本发明实施例提供的端射天线的S参数的结果示意图。

图5是本发明实施例提供的端射天线的增益和效率的结果示意图。

图6是本发明实施例提供的端射天线的增益结果和在不同频点的辐射方向图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明通过偶模微带激励到奇模人工表面等离激元的过渡，实现奇模辐射，末端渐变金属条的设计能够扩展带宽，在整个可用频带形成端射方向图。本发明利用奇模人工表面等离激元结构用于辐射结构，末端渐变能够实现扩展带宽的作用。通过微带到槽线的转换结构在人工表面等离激元上激励起奇模电流，实现宽带和端射辐射的特性。

下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线包括：介质板1、辐射结构2、馈电结构3、槽线4。

馈电结构2由微带到槽线的转化器实现。微带线末端是扇形的枝节，能够起到阻抗匹配的效果。槽线4的末端由完全相同的扇形构成空腔。连接馈电结构3和辐射结构2的是三角形贴片，能够实现功率的分配，形成奇模信号。

辐射结构2由一排人工表面等离激元的金属条组成。末端是抛物线渐变结构。

图2是本发明中人工表面等离激元单元的色散曲线。曲线显示，单元呈现两种模式，分别是奇模和偶模。奇模穿过了快波区域和慢波区域。这种特性可以说明。奇模模式能够比偶模在快波区有可以辐射的工作频带。利用奇模信号，在低频处可以实现天线带宽展宽的作用。参数设置如下，p是人工表面等离激元的单元宽度，w是单元的长度，a是矩形凹槽的宽度，h是矩形凹槽的深度。

图3是本发明中人工表面等离激元单元色散曲线随着凹槽深度的变化情况。色散曲线最终将会区域截止频率。可以看出当凹槽深度加深时，人工表面等离激元单元的截止频率降低，由此可以利用这种性质，通过在末端减小凹槽的深度，来增加可以利用的频率，拓展高频处的带宽。

图4给出了本发明涉及的天线的S参数的结果。结果表明，天线能够实一个很宽的阻抗频率带宽特性。

图5给出了本发明涉及的天线的增益和效率的结果。结果表明，天线具有较高增益和很高效率的特性。天线能够实现实际意义的用途。

图6给出了该端射定向天线在工作频带内不同频点处的辐射方向图。可以看出，天线的辐射方向图有低的交叉极化和较宽的辐射波束。在整个频率内可以实现连续的端射特性。

本发明采用本征模计算方法分析单元人工表面等离激元的色散特性，可以得到奇模模式下的人工表面等离激元能够比传统的偶模模式下的单元的辐射频带宽。在低频快波区域也可以实现辐射特性。在高频处，可以通过控制金属条带的深度，即单元的凹槽深度，来调控其色散曲线的截止频率。因此，对于色散曲线的分析，可以指导本发明天线的宽频带性能的设计。之后，由于奇模模式的表面电流的方向在金属条带上是一致的，应用一致性线源理论分析，本发明的宽带天线能够实现设计频带内的端射方向图。基于这样的理论分析，设计了能够激励人工表面等离激元的奇模模式的馈电结构：微带到槽线的转换器。另外，在金属条带的末端进行深度的渐变设计，实现宽频带的端射性能。在全波仿真软件中对天线的性能仿真可以验证预估的结果，理论分析正确。同时，将天线进行了实物加工，并进行测试，测试结果同样验证这种天线能够实现宽频带的端射的辐射性能。天线实现了人工表面等离激元的奇模辐射，并且最终相对工作带宽达到了70％。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线，其特征在于，所述基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线包括：辐射结构、馈电结构；辐射结构、馈电结构通过三角形贴片连接；

馈电结构包括印制在双面覆铜介质板上层的微带向槽线的转换结构和印制在双面覆铜介质板下层的渐变微带线组成；

辐射结构包括一排周期性波纹金属条和末端逐渐变细的金属条。

2.如权利要求1所述的基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线，其特征在于，所述馈电结构由微带到槽线的转化器实现；微带线末端是扇形的枝节。

3.如权利要求1所述的基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线，其特征在于，所述槽线的末端由完全相同的扇形构成空腔。

4.如权利要求1所述的基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线，其特征在于，所述辐射结构末端是抛物线渐变结构。

5.如权利要求1所述的基于奇模人工表面等离激元宽带端射天线，其特征在于，所述基于奇模人工表面等离激元的宽带端射天线的人工表面等离激元单元的奇模和偶模的色散曲线，具体的参数p为人工表面等离激元单元的宽度，w是人工表面等离激元单元的长度，a是凹槽的宽度，h是凹槽的深度。

6.一种应用权利要求1～5任意一项所述基于奇模人工表面等离激元的宽带端射天线的无线通信系统。