CN110838618A - 基于人工表面等离激元结构的双模态天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于人工表面等离激元结构的双模态天线，包括：馈电结构、螺旋状的SSPPs传输与辐射结构、SMA接头；所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由多条S形结构沿一直线等间距平行排列，并在平行面内依次等角度共轴旋转排列而成，每个相邻的S形结构间的旋转角度为18°，每个相邻的S形结构间的距离相等；所述馈电结构包括两种形式，当天线工作在端射模式时，馈电结构作为印刷单极子，位于螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的一端；当天线工作在侧射模式时，馈电结构采用共面波导渐变到微带线的结构；本发明通过旋转的SSPPs结构实现了端射圆极化；本发明采用了SSPPs结构，提高了天线增益。

Description

基于人工表面等离激元结构的双模态天线
技术领域
本发明涉及天线领域，具体地，涉及一种基于人工表面等离激元结构的双模态天线。
背景技术
科学技术的不断进步与社会各方面与日俱增的需求，推动着无线通信技术迅速发展，天线作为无线通信系统中的重要组成部分，也渐渐受到更多的关注。传统的单极子、偶极子、螺旋天线、贴片天线等，性能单一，不能适应不同的应用环境，满足功能多样化的需求，必须选取多种天线分别应用不同场景，有很大的局限性。可重构天线应运而生。本专利主要应用于方向图可重构。方向图可重构天线，指的是在辐射波束上具有可重构性。天线的自由空间辐射方向图主要由天线的电流分布决定，电流分布的差异性也决定了其辐射特性的不同。能够充分利用电流和辐射特性的关系，即可实现天线方向图可重构。近年许多学者利用SSPPs结构设计了很多高性能天线，但是方向图可重构天线方面仍需进一步探究。
专利文献CN110190377A公开了一种方向图可重构液体天线，包括液体单极子、液体反射面、接地板以及馈电结构。天线的馈电结构采用顶端加载金属圆盘的同轴探针实现。液体单极子和液体反射面由透明液体容器和饱和盐水构成；天线的方向图可重构通过选择液体反射面特定位置注入盐水形成不同的液体反射面实现。该专利在适应不同的应用环境，满足功能多样化的需求上仍然有待提升的空间。
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基于人工表面等离激元结构的双模态天线。
根据本发明提供的一种基于人工表面等离激元结构的双模态天线，包括：馈电结构、螺旋状的SSPPs传输与辐射结构、SMA接头；所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由多条S形结构沿一直线等间距平行排列，并在平行面内依次等角度共轴旋转排列而成，每个相邻的S形结构间的旋转角度为18°，每个相邻的S形结构间的距离相等；所述馈电结构包括两种形式，当天线工作在端射模式时，馈电结构作为印刷单极子，位于螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的一端，馈电结构与螺旋状的SSPPs传输与辐射结构存在间距；所述SMA接头位于印刷单极子激励结构底部，对印刷单极子激励结构进行馈电；当天线工作在侧射模式时，馈电结构采用共面波导渐变到微带线的结构；所述SMA接头连接共面波导的入口，共面波导渐变到微带线的结构的另一端直接与螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的轴末端连接；所述印刷单极子激励结构、所述共面波导结构均设置在介质板上；所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由3D打印制成。
优选地，所述印刷单极子激励结构采用的介质板为双层板；所述印刷单极子激励结构采用的介质板采用介质材料为FR-4。
优选地，所述共面波导结构采用的介质板为单层板；所述共面波导结构采用的介质板采用的介质材料为FR-4。
优选地，通过SMA接头对单极子和共面波导进行馈电。
优选地，基于人工表面等离激元结构的双模态天线通过单极子耦合馈电或共面波导直接馈电改变螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的电流分布，实现端射与侧射两种模式。
优选地，基于人工表面等离激元结构的双模态天线工作在端射模式时，天线通过螺旋状的SSPPs传输与辐射结构中S形单元和单元的旋转实现端射的圆极化。
优选地，天线工作在端射模式时，当电场通过单极子和螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的耦合，将波导传输模式变换为SSPPs模式下的电磁波。
优选地，天线工作在侧射模式时，电流经过共面波导流入螺旋状的SSPPs传输与辐射结构，将波导传输模式变换为SSPPs模式下的电磁波。
优选地，所述印刷单极子和共面波导采用蚀刻法蚀刻在介质板上。
优选地，所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由3D打印制成。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明通过对螺旋状的SSPPs传输与辐射结构进行两种不同馈电实现端射和侧射两种模态；
2、本发明通过旋转的SSPPs结构实现了端射圆极化；
3、本发明采用了SSPPs结构，提高了天线增益。
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为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下的3D示意图。
图2为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下的侧视示意图。
图3为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下馈源的正视示意图。
图4为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下的回波损耗示意图。
图5为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下的轴比示意图。
图6为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下的辐射方向示意图。
图7为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下的3D示意图。
图8为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下的侧视示意图。
图9为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下馈源的正视示意图。
图10为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下的回波损耗示意图。
图11为本发明中基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下的辐射方向示意图。
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。
如图1-7所示，根据本发明提供的一种基于人工表面等离激元结构的双模态天线，包括：馈电结构、螺旋状的SSPPs传输与辐射结构、SMA接头；所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由多条S形结构沿一直线等间距平行排列，并在平行面内依次等角度共轴旋转排列而成，每个相邻的S形结构间的旋转角度为18°，每个相邻的S形结构间的距离相等；所述馈电结构包括两种形式，当天线工作在端射模式时，馈电结构作为印刷单极子，位于螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的一端，馈电结构与螺旋状的SSPPs传输与辐射结构存在间距；所述SMA接头位于印刷单极子激励结构底部，对印刷单极子激励结构进行馈电；当天线工作在侧射模式时，馈电结构采用共面波导渐变到微带线的结构；所述SMA接头连接共面波导的入口，共面波导渐变到微带线的结构的另一端直接与螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的轴末端连接；所述印刷单极子激励结构、所述共面波导结构均设置在介质板上；所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由3D打印制成。
优选地，所述印刷单极子激励结构采用的介质板为双层板；所述印刷单极子激励结构采用的介质板采用介质材料为FR-4。
优选地，所述共面波导结构采用的介质板为单层板；所述共面波导结构采用的介质板采用的介质材料为FR-4。
优选地，通过SMA接头对单极子和共面波导进行馈电。
优选地，基于人工表面等离激元结构的双模态天线通过单极子耦合馈电或共面波导直接馈电改变螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的电流分布，实现端射与侧射两种模式。
优选地，基于人工表面等离激元结构的双模态天线工作在端射模式时，天线通过螺旋状的SSPPs传输与辐射结构中S形单元和单元的旋转实现端射的圆极化。
优选地，天线工作在端射模式时，当电场通过单极子和螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的耦合，将波导传输模式变换为SSPPs模式下的电磁波。
优选地，天线工作在侧射模式时，电流经过共面波导流入螺旋状的SSPPs传输与辐射结构，将波导传输模式变换为SSPPs模式下的电磁波。
优选地，所述印刷单极子和共面波导采用蚀刻法蚀刻在介质板上。
优选地，所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由3D打印制成。
具体地，在一个实施例中，一种采用基于人工表面等离激元结构的双模态天线，包括：两种馈电结构、螺旋状的SSPPs传输与辐射结构、SMA接头。本发明天线可工作在端射模式或侧射模式。
图1为工作在端射模式的基于人工表面等离激元结构的双模态天线3D结构图，其中天线辐射结构为图1中的螺旋状的SSPPs传输与辐射结构。螺旋状的SSPPs传输与辐射结构与印刷单极子耦合馈电，在单极子的一端连接SMA接头进行射频激励。印刷单极子是将微带线采用蚀刻法蚀刻在介电常数为4.3的FR4介质板，厚度为1mm。螺旋状的SSPPs传输与辐射结构采用3D金属打印，该部分整体长度为203mm。
图7为工作在侧射模式的基于人工表面等离激元结构的双模态天线3D结构图，其中天线辐射结构为图7中的螺旋状的SSPPs传输与辐射结构。螺旋状的SSPPs传输与辐射结构与共面波导渐变到微带线直接连接馈电，在共面波导的一端连接SMA接头进行射频激励。共面波导是将微带线采用蚀刻法蚀刻在介电常数为4.3的FR4介质板，厚度为1mm。螺旋状的SSPPs传输与辐射结构采用3D金属打印，该部分整体长度为203mm。
本发明的工作原理如下：
如图1、7所示，其为本发明基于人工表面等离激元结构的双模态天线的3D结构图。当天线工作在端射模式时，射频激励信号经SMA接头进入单极子天线，然后对螺旋状的SSPPs传输与辐射结构进行耦合馈电，实现沿螺旋状的SSPPs传输与辐射结构轴向的单端圆极化辐射。
如图4所示，是本实施例基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下的回波损耗仿真图。
如图5所示，是本实施例基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下仿真得到的轴比图。
如图6所示，是本实施例基于人工表面等离激元结构的双模态天线端射模式下仿真得到的2.5GHz的辐射方向图。
当天线工作在侧射模式时，射频激励信号经SMA接头进入共面波导渐变到微带线的结构，然后通过螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的轴进入辐射结构，实现天线在与螺旋状SSPPs天线的轴垂直的平面内的辐射，实现近似全向辐射方向图，
如图10所示，是本实施例基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下的回波损耗仿真图。
如图11所示，是本实施例基于人工表面等离激元结构的双模态天线侧射模式下仿真得到的2.5GHz的辐射方向图。
本发明通过对螺旋状的SSPPs传输与辐射结构进行两种不同馈电实现端射和侧射两种模态；本发明通过旋转的SSPPs结构实现了端射圆极化；本发明采用了SSPPs结构，提高了天线增益。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。
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 (10)

1.一种基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，包括：馈电结构、螺旋状的SSPPs传输与辐射结构、SMA接头；所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由多条S形结构沿一直线等间距平行排列，并在平行面内依次等角度共轴旋转排列而成，每个相邻的S形结构间的旋转角度为18°，每个相邻的S形结构间的距离相等；
所述馈电结构包括两种形式，当天线工作在端射模式时，馈电结构作为印刷单极子，位于螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的一端，馈电结构与螺旋状的SSPPs传输与辐射结构存在间距；
所述SMA接头位于印刷单极子激励结构底部，对印刷单极子激励结构进行馈电；
当天线工作在侧射模式时，馈电结构采用共面波导渐变到微带线的结构；
所述SMA接头连接共面波导的入口，共面波导渐变到微带线的结构的另一端直接与螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的轴末端连接；
所述印刷单极子激励结构、所述共面波导结构均设置在介质板上。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，所述印刷单极子激励结构采用的介质板为双层板；
所述印刷单极子激励结构采用的介质板采用介质材料为FR-4。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，所述共面波导结构采用的介质板为单层板；
所述共面波导结构采用的介质板采用的介质材料为FR-4。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，通过SMA接头对单极子和共面波导进行馈电。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，基于人工表面等离激元结构的双模态天线通过单极子耦合馈电或共面波导直接馈电改变螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的电流分布，实现端射与侧射两种模式。
6.根据权利要求5所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，基于人工表面等离激元结构的双模态天线工作在端射模式时，天线通过螺旋状的SSPPs传输与辐射结构中S形单元和单元的旋转实现端射的圆极化。
7.根据权利要求5所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，天线工作在端射模式时，当电场通过单极子和螺旋状的SSPPs传输与辐射结构的耦合，将波导传输模式变换为SSPPs模式下的电磁波。
8.根据权利要求5所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，天线工作在侧射模式时，电流经过共面波导流入螺旋状的SSPPs传输与辐射结构，将波导传输模式变换为SSPPs模式下的电磁波。
9.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，所述印刷单极子和共面波导采用蚀刻法蚀刻在介质板上。
10.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元结构的双模态天线，其特征在于，所述螺旋状的SSPPs传输与辐射结构由3D打印制成。
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