CN109935972A - 一种基于等离子体激元的宽带天线 - Google Patents

一种基于等离子体激元的宽带天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于等离子体激元的宽带天线，包括介质基板、设于介质基板上且相互电连接的馈电单元和辐射单元以及刻蚀在介质基板上的金属条带形成的激元透镜；所述介质基板为0.025～0.1λ0的低剖面，λ0为工作频率电磁波在真空中的波长；激元透镜与辐射单元共面，对沿E面和H面方向传播的电磁波进行汇聚，并处于非谐振状态。本发明通过共面透镜对E面和H面电磁波同时汇聚作用，有效提高了天线的的增益和方向性，并使天线工作在非谐振状态，使工作带宽宽，满足5G毫米波通信中对天线的要求，且低剖面，适应移动通信对电路低剖面的要求，使天线结构简洁。

Description

一种基于等离子体激元的宽带天线
技术领域：
本发明涉及微波通信领域，尤其涉及一种基于等离子体激元的宽带天线。
背景技术：
毫米波频段的无线通信因为能够提供较高的数据传输速率（1-10Gb/s）已经越来越受到关注。在移动通信技术中，将充分利用毫米波频段（例如28GHz，39GHz，以及60GHz）的带宽资源，但是毫米波通信在空气中损耗较大。为了能够提供足够的信道容量，要求面向毫米波通信的天线要有较高的增益和较宽的带宽。
采用天线阵列的方式来提高天线的增益是一种常见的方法，但是随着频率的升高，馈电网络的损耗将会越来越大，尤其在毫米波频段。
采用透镜是目前提高天线增益的一种较好方式，这种方式虽然不再需要大规模的阵列，但是其体积相较于其他类型的天线相对较大。即使将超材料应用到这种天线设计中，采用超表面结构作为透镜，纵使这种天线相较于传统的介质透镜天线具有更加轻便、易于固定加工的优点，但还是难以满足移动通信对电路低剖面的要求，同时该种天线通常只能在平行于介质基板平面内实现对电磁波的会聚作用，在垂直于介质基板平面内没有会聚作用，提高增益也有限。此外，平面超表面透镜和目前的共面超表面透镜工作时基本结构单元均处于谐振状态，工作带宽窄，无法满足毫米波频段的应用。
发明内容：
本发明目的在于为克服上述现有技术之不足，提出一种基于等离子体激元的宽带天线，其技术方案如下：
一种基于等离子体激元的宽带天线，包括介质基板、设于介质基板上且相互电连接的馈电单元和辐射单元以及刻蚀在介质基板上的金属条带形成的激元透镜；所述介质基板为0.025～0.1λ0的低剖面，λ0为工作频率电磁波在真空中的波长；激元透镜与辐射单元共面，对沿E面和H面方向传播的电磁波进行汇聚，并处于非谐振状态。
本发明的进一步设计在于：
所述金属条带包括距馈电单元由近及远并依次连接的过渡首部、中间部和过渡尾部，所述过渡首部或过渡尾部的高度自与中间部的连接处起向首端或尾端逐渐收缩。
所述中间部为由若干等高的周期性激元传输结构单元并列形成；所述过渡首部或过渡尾部至少由若干不等高的周期性激元传输结构单元组成，并按激元传输结构单元的高度自与中间部的连接处起向首端或尾端逐渐收缩的并列方式形成。
所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元和不等高的周期性等离子体激元传输结构单元的周期宽度P均小于1/4λ0。
所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元和不等高的周期性等离子体激元传输结构单元均呈矩形波的形状。
两相邻的所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元和两相邻的所述不等高的周期性等离子体激元传输结构单元中的两波峰的间距a< 0.125 λ0。
所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元中矩形波的波峰高度h< 0.25 λ0；所述若干不等高的周期性等离子体激元传输结构单元中最高矩形波的波峰高度h 1< 0.25λ0。
所述过渡首部和过渡尾部均还包括非周期性激元传输结构单元，所述非周期性激元传输结构单元呈矩形，且矩形高度与所述若干不等高的等离子体激元传输结构单元中的最低高度同高；过渡首部的周期性激元传输结构单元的长度小于过渡尾部中的非周期性激元传输结构单元的长度。
所述辐射单元与激元透镜平行一侧设有矩形齿边。
本发明通过将馈电单元、辐射单元和激元透镜的有机结合的结构设计，使本发明共面透镜天线对E面和H面电磁波同时具有汇聚作用，有效提高了天线的的增益和方向性，并使天线工作在非谐振状态，使工作带宽宽，满足5G毫米波通信中对天线的要求，且低剖面，适应移动通信对电路低剖面的要求，使天线结构简洁。
附图说明
图1是实施例1中介质基板上表面的结构示意图。
图2是实施例1中介质基板下表面的结构示意图。
图3是实施例1中组成金属条带的过渡首部、中间部和过渡尾部的结构示意图。
图4是实施例1中在H面的电场强度分布对比图，其中：图(a)和图(b)分别为无透镜和有等离子体激元透镜加载在H面的电场强度分布图。
图5是实施例1中在E面的电场强度分布对比图，其中：图(a)和图(b)分别为无透镜和有等离子体激元透镜加载在E面的电场强度分布图。
图6是实施例1中天线的反射系数S11的计算机模拟效果图。
图7是实施例1中天线与无透镜天线增益的计算机模拟对比效果图。
图8是实施例1中天线仿真方向的计算机模拟效果图，其中：图(a)和图(b)分别为天线在22 GHz处E面和H面方向图；图(c)和图(d)分别为天线在25GHz处E面和H面方向图；图(e)和图(f)分别为天线在27GHz处E面和H面方向图；图(g)和图(h)分别为天线在32GHz处E面和H面方向图。
图9是实施例2中组成金属条带的过渡首部、中间部和过渡尾部的结构示意图。
图10是实施例2中天线的反射系数S11的计算机模拟效果图。
图11是实施例2中天线与无透镜天线增益的计算机模拟对比效果图。
图12是实施例3中天线的反射系数S11的计算机模拟效果图。
图13是实施例3中天线与无透镜天线增益的计算机模拟对比效果图。
图14是实施例4中介质基板上表面的结构示意图。
图15是实施例4中介质基板下表面的结构示意图。
图16是实施例4中天线的反射系数S11的计算机模拟效果图。
图17是实施例4中天线与无透镜天线增益的计算机模拟对比效果图。
图18是实施例4中介质基板上表面的结构示意图。
图19是实施例4中介质基板下表面的结构示意图。
图20是实施例5中天线的反射系数S11的计算机模拟效果图。
图21是实施例5中天线与无透镜天线增益的计算机模拟对比效果图。
图22是呈梯形波形状的等高的周期性等离子体激元传输结构单元结构示意图。
图23是呈三角形波形状的等高的周期性等离子体激元传输结构单元结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1和图2，本实施例的基于等离子体激元的宽带天线包括介质基板3、馈电单元1、辐射单元2和激元透镜4。馈电单元1由相互电连接并分别设于介质基板上表面和下表面的上馈电单元11和下馈电单元12组成；同样辐射单元2由分别设于介质基板3上表面和下表面的上辐射单元21和下辐射单元22组成，上辐射单元21和下辐射单元22与对应的上馈电单元11和下馈电单元12分别电连接；激元透镜4由分别刻蚀在介质基板3上表面的金属条带形成的上激元透镜41和刻蚀在介质基板3下表面的金属条带形成的下激元透镜42组成。
本发明介质基板3的厚度tsub为不大于0.1λ0的低剖面。而在本实施例中介质基板3厚度tsub采用0.065λ0，电磁波的工作频率为25GHz，在真空中的波长λ0=12mm，因此本实施例的介质基板厚度tsub约为0.78mm。该低剖面的介质基板使天线便于集成，结构更加紧凑。
由上馈电单元11和下馈电单元12形成的馈电单元1用于与外部标准SMA接头连接，上馈电单元11上设有共面波导到基片集成波导（SIW）的过渡结构111，以便于把来自于外部SMA标准接头接受的信号（能量）传输给辐射单元2。信号（能量）通过该馈电单元1过渡给由辐射单元2，而等离子体的激元透镜4与辐射单元2共面（对于本领域技术人员来说，设置在同一介质基板上的激元透镜4与辐射单元2如若二者所在平面存在着位置差，最大位置差是介质基板的厚度，这种位置差是被忽略的，被认为两者是共面的）。由此辐射单元2在共面方向加载了一个电磁波辐射结构，辐射单元2将波导中的信号（能量）辐射出去，在E面（电场矢量所在的平面）和H面（磁场矢量所在的平面）电磁波会被同时汇聚，从而增加了辐射的方向性，能够达到高增益的工作效果。
进一步的辐射单元2的直线边缘一侧设置矩形齿边，形成等离子体激元传输结构，把电磁波横向束缚于在该等离子体激元传输结构上，从而起到汇聚电磁波作用。
如图3，上述刻蚀在介质基板上的金属条带包括过渡首部401、中间部402和过渡尾部403三个部分，过渡首部401、中间部402和过渡尾部403相距上馈电单元11或下馈电单元12由近及远分布并依次相接，其中过渡首部401和过渡尾部403的高度自与中间部的连接处起分别向首端和尾端逐渐收缩。其中：中间部402为由若干等高的周期性激元传输结构单元4001并列形成；过渡首部401和过渡尾部403分别至少由若干不等高的周期性激元传输结构单元4002组成，并按激元传输结构单元的高度自与中间部对应连接处起分别向首端或尾端逐渐收缩的并列方式形成。本实施例的等高的激元传输结构单元4001和不等高的激元传输结构单元4002均呈矩形波的形状，其周期宽度P均小于1/4λ0。
本实施例的等高的激元传输结构单元4001的矩形波的波峰高度h< 0.25 λ0，该波峰高度h决定了等离子体激元传输结构的截止频率。两相邻激元传输结构单元中两波峰的间距a< 0.125 λ0，以保证人工等离子体激元透镜工作于非谐振状态。
继续参见图3，本实施例的若干不等高的激元传输结构单元4002中最高矩形波的波峰高度h 1低于等高激元传输结构单元4001的高度，因而h 1< 0.25 λ0，两相邻不等高的激元传输结构单元中对应两波峰的间距a 1与两相邻等高激元传输结构单元中两波峰的间距a相同，即a 1=a< 0.125 λ0，由此可更好地保证激元透镜工作于非谐振状态，同时不等高的矩形波峰的高度向着馈源天线靠近一端（即向着首端方向）深逐渐减小，以减小对来自馈源天线的电磁波的反射；向着远离馈源天线的另一端（即向着尾端方向）也逐渐减小，目的是实现电磁波在透镜中和空气中的波阻抗匹配，提高辐射效率。
上述过渡首部401和过渡尾部403均还包括非周期性激元传输结构单元4003，该非周期性激元传输结构单元呈矩形，且矩形高度不高于若干不等高的激元传输结构单元中的最低高度；过渡首部的非周期性激元传输结构单元的长度小于过渡尾部中的非周期性激元传输结构单元的长度，参见图3。
对上述本实施例的天线进行相关于在H面和E面的电场分布的计算机模拟，如图4(a)和图4(b)，无透镜加载的天线在H面的电场等相位面成圆弧状，辐射方向角度更宽，因而导致方向性差，增益低；本实施例的有透镜加载天线相比于无透镜加载的天线，在H面电场等相位面更平坦，辐射方向角度小，辐射能量集中在一个比较小的空间角内，因而有更好的方向性，带来更大增益。如图5(a)和图5(b)，无透镜加载的天线在E面的电场等相位面成圆弧状，辐射方向角度更宽，因而导致方向性差，增益低；本实施例的有透镜加载天线相比于无透镜加载的天线，在E面电场等相位面更平坦，辐射方向角度小，辐射能量集中在一个比较小的空间角内，因而有更好的方向性，带来更大增益。
本实施例天线的反射系数S11的计算机模拟见图6，该天线在10-dB阻抗带覆盖了21GHz~34GHz；对本实施例天线进行增益和辐射方向图的计算机模拟，如图7，该天线的相对于无透镜的天线增益在小于29GHZ要高很多；本实施例天线分别在22 GHz、25 GHz、27 GHz、32 GHz的电磁波工作频率下对应于E面和H面的仿真方向图如图8。
实施例2
本实施例天线所采用的介质基板厚度t sub=0.025 λ0（该厚度可视为介质基板保持强度要求的基本尺寸），该天线结构与上述实施例1的基本相同，不同之处在于：激元透镜中的过渡首部41和过渡尾部43的结构与实施例1略有不同，本实施例天线的过渡首部41和过渡尾部43仅由若干不等高的周期性激元传输结构单元组成，如图9，其它结构与实施例1相同，不再赘述。
如图10，对本实施例天线进行相关于反射系数S11的计算机模拟，该天线在10-dB阻抗带覆盖了21GHz~34GHz。还进行增益的计算机模拟，其效果如图11，从图中可以看出，该天线的相对于无透镜的天线增益在小于29GHZ要高很多。也做了仿真方向图的计算机模拟，其效果类似于实施例1。
实施例3
本实施例的天线结构与上述实施例1相同，仅是介质基板的厚度t sub不同，t sub=0.1 λ0，其他结构不再一一赘述。
对上述本实施例的天线进行了相关于反射系数S11、增益和辐射方向图的计算机模拟。如图12，该天线在10-dB阻抗带覆盖了21GHz~34GHz；如图13，该天线的相对于无透镜的天线增益在小于29GHZ要高很多，该天线的仿真方向图类似于实施例1。
实施例4
本实施例的天线具有介质基板3、馈电单元1、辐射单元2和激元透镜4，但馈电单元1结构形式与实施例1不同，组成馈电单元1的上馈电单元11（设置在介质基板3的上表面上）和下馈电单元12（设置在介质基板3的下表面上）两者的结构也不相同。如图14和图15，上馈电单元11为缝隙馈电结构，下馈电单元12为与外部标准SMA接头连接的过渡微带线结构，并与上馈电单元11电连接，以便于把来自于外部标准SMA接头接收的信号（能量）传输给辐射单元2。辐射单元2和激元透镜4仅设在介质基板3的单面（上表面）上，激元透镜4仅由刻蚀在介质基板3上表面的一金属条带形成。
对本实施例的天线进行了相关于反射系数S11、增益和辐射方向图的计算机模拟。如图16，该天线在10-dB阻抗带覆盖了21GHz~34GHz；如图17，在22GHz~30.5GHz频率范围，该天线的增益高于无透镜的天线的增益；该天线的仿真方向图类似于实施例1。
实施例5
本实施例的天线结构与上述实施例1的基本相同，不同之处在于：如图18和图19，激元透镜4仅由刻蚀在与介质基板3上单面（例如上表面）上一金属条带形成。
对本实施例的天线进行了相关于反射系数S11、增益和辐射方向图的计算机模拟。如图20，该天线在10-dB阻抗带覆盖了21GHz~34GHz；如图21，在22GHz~31GHz频率范围，该天线的增益高于无透镜的天线的增益。该天线的仿真方向图类似于实施例1。
本发明的技术方案不局限于上述实施例，例如，如图22和图23所示，等高和不等高的周期性等离子体激元传输结构单元均可采用呈三角形波或梯形波的形状，非周期性激元传输结构单元也可呈三角形或梯形的形状，凡采用等同替换方式得到的技术方案均落在本发明要求保护的范围内。

Claims (9)

1.一种基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：包括介质基板、设于介质基板上且相互电连接的馈电单元和辐射单元以及刻蚀在介质基板上的金属条带形成的激元透镜；所述介质基板为0.025～0.1λ0的低剖面，λ0为工作频率电磁波在真空中的波长；激元透镜与辐射单元共面，对沿E面和H面方向传播的电磁波进行汇聚，并处于非谐振状态。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述金属条带包括距馈电单元由近及远并依次连接的过渡首部、中间部和过渡尾部，所述过渡首部或过渡尾部的高度自与中间部的连接处起向首端或尾端逐渐收缩。
3.根据权利要求2所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述中间部为由若干等高的周期性激元传输结构单元并列形成；所述过渡首部或过渡尾部至少由若干不等高的周期性激元传输结构单元组成，并按激元传输结构单元的高度自与中间部的连接处起向首端或尾端逐渐收缩的并列方式形成。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元和不等高的周期性等离子体激元传输结构单元的周期宽度P均小于1/4λ0。
5.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元和不等高的周期性等离子体激元传输结构单元均呈矩形波的形状。
6.根据权利要求5所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：两相邻的所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元和两相邻的所述不等高的周期性等离子体激元传输结构单元中的两波峰的间距a < 0.125 λ0。
7.根据权利要求5所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述等高的周期性等离子体激元传输结构单元中矩形波的波峰高度h< 0.25 λ0；所述若干不等高的周期性等离子体激元传输结构单元中最高矩形波的波峰高度h 1< 0.25 λ0。
8.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述过渡首部和过渡尾部均还包括非周期性激元传输结构单元，所述非周期性激元传输结构单元呈矩形，且矩形高度与所述若干不等高的等离子体激元传输结构单元中的最低高度同高；过渡首部的周期性激元传输结构单元的长度小于过渡尾部中的非周期性激元传输结构单元的长度。
9.根据权利要求1所述的基于等离子体激元的宽带天线，其特征在于：所述辐射单元与激元透镜平行一侧设有矩形齿边。
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