CN110957575A - 一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线 - Google Patents

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Abstract

本发明具体涉及一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，属于天线技术领域。本发明在毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线之间通过等离子体激元结构和辐射双臂结构的共享来实现天线的低剖面紧凑结构，同时天线加载的金属栅格阵列由于低剖面的特性可以在不增加天线体积的情况下与表面等离子体激元结构共同构成折射率渐变透镜来提高毫米波渐变槽端射天线的增益。本发明提高了毫米波频段信号的传输距离；通过高低频天线的结合，扩展了天线的工作频带，实现了不同频段的不同辐射方式。

Description

一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线
技术领域
本发明具体涉及一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，属于天线技术领域。
背景技术
迄今为止，多模谐振天线在工作频带引入多个谐振点有效地提升了天线的工作带宽，但是单一多模谐振模式的天线很难获得较大的频率比来覆盖更宽的频段。多个天线结合在一起的措施可以获得可控的频率比，同时也可以实现天线的独立设计，但是很多设计仅仅使用堆叠的形式，其在为了获取高隔离度的同时牺牲了天线的紧凑结构。提高天线增益的方式有天线组阵和使用介质谐振器天线等，但是天线组阵的馈电网络较复杂，会产生较大的损耗从而降低天线的效率；而介质谐振天线虽然具有较高的方向性和宽频带，但是它不仅剖面高，制作成本还高。近些年来，超表面由于其奇异的特性备受关注，在天线的传输方向上加载超表面可以实现增益提高，同时也可以克服之前现有天线的缺点。传统的介质谐振共享天线剖面较高、制作成本高，因此低剖面的宽带设计结构共享大频率比天线在现代无线通信系统中是迫切需要的。
发明内容
本发明为解决现有技术的大频率比天线体积大的缺陷，提供一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线。
本发明为实现上述发明目的，采取的技术方案如下：
一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，包括毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线；所述毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线的共享结构包括基板、第一金属贴片、第二金属贴片、表面等离子体激元结构、金属化通孔阵列；所述基板包括介质基片构成的上层和下层，以及由半固化片构成的中间层；所述第一金属贴片贴附在基板上层上表面；所述第二金属贴片贴附在基板下层下表面；所述表面等离子体激元结构采用金属贴片贴附在基板中间层与基板下层之间；所述第一金属贴片包括第一辐射臂；所述第二金属贴片包括第二辐射臂；所述第一辐射臂与第二辐射臂关于基板中心线相对称并构成辐射双臂结构；所述第一辐射臂与第二辐射臂远离基板中心线的一侧均设置槽状阵列；所述辐射双臂结构从基板中心线张开形成指数型的渐变槽；所述金属化通孔阵列贯通连接第一金属贴片、基板以及第二金属贴片；所述毫米波渐变槽端射天线还包括第一馈电结构、金属栅格阵列、金属化固定通孔；所述第一馈电结构包括依次连接的第一端口、第一接地共面波导、过渡结构、基片集成波导；所述第一端口、第一接地共面波导、过渡结构、基片集成波导均贯通连接第一金属贴片、基板以及第二金属贴片；所述基片集成波导与辐射双臂结构形成的渐变槽连接；所述第一端口的馈电信号依次通过第一接地共面波导、过渡结构、基片集成波导馈至辐射双臂结构形成的渐变槽；所述金属栅格阵列采用金属贴片贴附在基板中间层与基板下层之间；所述金属栅格阵列关于表面等离子体激元结构为中心相对称设置；所述金属化固定通孔贯通连接第一金属贴片、基板以及第二金属贴片；所述微波平面套筒单极子全向天线还包括第二馈电结构；所述第二馈电结构包括依次连接的第二端口、第二接地共面波导、集成同轴线芯；所述第二端口、第二接地共面波导均贯通连接第一金属贴片、基板以及第二金属贴片；所述集成同轴线芯采用金属贴片贴附在基板中间层与基板下层之间；所述集成同轴线芯与表面等离子体激元结构连接；所述第二端口的馈电信号依次通过第二接地共面波导、集成同轴线芯馈至表面等离子体激元结构；所述毫米波渐变槽端射天线中的表面等离子体激元结构、辐射双臂结构分别共享为微波平面套筒单极子全向天线中的单极子、寄生单元。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基片集成波导的波导壁上开口引出集成同轴线区与第二接地共面波导连接；所述集成同轴线芯设置于集成同轴线区的中心线上；所述集成同轴线芯从第二端口延伸至基片集成波导中心并弯折90度，使得集成同轴线区与表面等离子体激元结构连接。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述第二接地共面波导以及集成同轴线芯末端的拓宽是为了添加焊盘，便于与外部SMA接口的连接。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述基板上层与下层的介质基片采用均为厚度为0.2mm的Rogers 4003C印刷电路板材制成；所述基板中间层的半固化片采用厚度为0.1mm的Rogers RO4450f半固化片。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述金属栅格阵列为两个，均包括三排金属栅格阵；三排金属栅格阵的间距相等；三排金属栅格阵的金属栅格长度不相等。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述槽状阵列为周期型槽状结构。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述金属化固定通孔为两个，关于第一端口相对称设置，用于外部SMA接口的固定。
进一步的作为本发明的优选技术方案，所述天线的金属材质采用铜。
本发明所述，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明通过表面等离子体激元结构和辐射双臂结构的共享实现了天线的低剖面紧凑结构；在低频微波频段，通过寄生单元即辐射双臂结构的引入，在单极子天线中引入新的谐振点从而拓展了带宽；在高频毫米波频段，通过加载由表面等离子体激元结构和金属栅格阵列构成的超表面提高了毫米波渐变槽端射天线的增益，从而提高了毫米波频段信号的传输距离；通过高低频天线的结合，扩展了天线的工作频带，实现了不同频段的不同辐射方式。
附图说明
图1是本发明的立体结构图；
图2是本发明的俯视图以及局部放大图；
图3是本发明的表面等离子体激元结构与金属栅格阵列示意图；
图4是本发明的剖面图；
图5是本发明的毫米波渐变槽端射天线加载的超材料的梯度渐变折射率图；
图6是本发明的平面套筒单极子全向天线的寄生单元拓展带宽图；
图7是本发明的天线的隔离图；
图8是本发明的毫米波渐变槽端射天线反射系数图；
图9是本发明的毫米波渐变槽端射天线增益曲线图；
图10是本发明的平面套筒单极子全向天线反射系数图；
图11是本发明的平面套筒单极子全向天线增益曲线图；
图12是本发明的毫米波渐变槽端射天线24GHz E面方向图；
图13是本发明的毫米波渐变槽端射天线24GHz H面方向图；
图14是本发明的平面套筒单极子全向天线2.28GHz x-y面方向图；
图15是本发明的平面套筒单极子全向天线2.28GHz y-z面方向图；
图中标号示意如下：
1-第一金属贴片；2-第二金属贴片；6-第一辐射臂；7-第二辐射臂；8-槽状阵列；9-集成同轴线芯；10-过渡结构；11-第一接地共面波导；12-第二接地共面波导；13-基片集成波导；21-第一端口；22-第二端口；31-表面等离子体激元结构；32-金属栅格阵列；41-基板上层；42-基板中间层；43-基板下层；51-金属化固定通孔；52-金属化通孔阵列。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
如图1至图4所示，一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，包括毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线；所述毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线的共享结构包括基板、第一金属贴片1、第二金属贴片2、表面等离子体激元结构31、金属化通孔阵列52；基板包括介质基片构成的上层41和下层43，以及由半固化片构成的中间层42；第一金属贴片1贴附在基板上层41上表面；第二金属贴片2贴附在基板下层43下表面；表面等离子体激元结构31采用金属贴片贴附在基板中间层42与基板下层43之间；第一金属贴片1包括第一辐射臂6；第二金属贴片2包括第二辐射臂7；第一辐射臂6与第二辐射臂7关于基板中心线相对称并构成辐射双臂结构；第一辐射臂6与第二辐射臂7远离基板中心线的一侧均设置槽状阵列8；辐射双臂结构从基板中心线张开形成指数型的渐变槽；金属化通孔阵列52贯通连接第一金属贴片1、基板以及第二金属贴片2；毫米波渐变槽端射天线还包括第一馈电结构、金属栅格阵列32、金属化固定通孔51；第一馈电结构包括依次连接的第一端口21、第一接地共面波导11、过渡结构10、基片集成波导13；第一端口21、第一接地共面波导11、过渡结构10、基片集成波导13均贯通连接第一金属贴片1、基板以及第二金属贴片2；基片集成波导13与辐射双臂结构形成的渐变槽连接；第一端口21的馈电信号依次通过第一接地共面波导11、过渡结构10、基片集成波导13馈至辐射双臂结构形成的渐变槽；金属栅格阵列32采用金属贴片贴附在基板中间层42与基板下层43之间；金属栅格阵列32关于表面等离子体激元结构31为中心相对称设置；金属化固定通孔51贯通连接第一金属贴片1、基板以及第二金属贴片2；微波平面套筒单极子全向天线还包括第二馈电结构；第二馈电结构包括依次连接的第二端口22、第二接地共面波导12、集成同轴线芯9；第二端口22、第二接地共面波导12均贯通连接第一金属贴片1、基板以及第二金属贴片2；集成同轴线芯9采用金属贴片贴附在基板中间层42与基板下层43之间；集成同轴线芯9与表面等离子体激元结构31连接；第二端口22的馈电信号依次通过第二接地共面波导12、集成同轴线芯9馈至表面等离子体激元结构31；毫米波渐变槽端射天线中的表面等离子体激元结构31、辐射双臂结构分别共享为微波平面套筒单极子全向天线中的单极子、寄生单元。
基片集成波导13的波导壁上开口引出集成同轴线区与第二接地共面波导12连接；集成同轴线芯9设置于集成同轴线区的中心线上；集成同轴线芯9从第二端口22延伸至基片集成波导13中心并弯折90度，使得集成同轴线区与表面等离子体激元结构31连接。第二接地共面波导12以及集成同轴线芯9末端的拓宽是是为了添加焊盘，便于与外部SMA接口的连接。基板上层41与下层43的介质基片采用均为厚度为0.2mm的Rogers 4003C印刷电路板材制成；基板中间层42的半固化片采用厚度为0.1mm的Rogers RO4450f半固化片。
金属栅格阵列32为两个，均包括三排金属栅格阵；三排金属栅格阵的间距相等；三排金属栅格阵的金属栅格长度不相等。槽状阵列8为周期型槽状结构。金属化固定通孔51为两个，关于第一端口21相对称设置，用于外部SMA接口的固定。
天线的金属材质采用铜。辐射双臂结构从中心渐渐张开形成指数型的渐变槽，其渐变线式子为y＝0.7e0.15x。
毫米波渐变槽端射天线加载超表面实现增益的提高。表面等离子体激元结构31和金属栅格阵列32共同构成的超表面可以提高天线的增益，将该超表面看成一种介质透镜可以很好的解释这一现象。通过选取合适的结构参数，可以观察到超表面上的折射率的梯度渐变分布，也就是图5中所示的nSPP>ngrid>n0，其中nSPP为表面等离子体激元的折射率，ngrid对应于图中金属栅格结构长度Wx的不同参数曲线，n0＝1。这也就是说在毫米波渐变槽端射天线上加载一种等效渐变折射率的透镜可以使得天线的传播相位面更加平稳。因此波束宽度可以变得更窄，进而提高毫米波渐变槽端射天线的增益。
平面套筒单极子全向天线带宽的拓展，如图6所示，辐射双臂结构作为单极子天线的寄生单元，其通过在单极子天线中引入新的谐振点来拓展天线的带宽。表面等离子体激元结构31的长度主要影响第一个谐振频率，而辐射双臂结构的长度影响第二个谐振频率。
如图7所示，为天线的隔离。为了获得高隔离，毫米波渐变槽端射天线通过基片集成波导13进行馈电，而平面套筒单极子全向天线通过集成同轴线区进行馈电。基片集成波导13中不能传播TEM波，因此集成同轴线区中的TEM波不能到达第一端口21，因此在低频处可以获得(|S12|<-35dB)高隔离。但是，基片集成波导13中的电磁波能量会通过集成同轴线区泄露到第二端口22。这个泄露量可以通过调整集成同轴线区的套筒宽度来控制，套筒宽度Ld选取2.16mm可以有效的降低从第一端口21到第二端口22的能量泄露，它的隔离(|S21|<-25dB)也很好。
优化后天线各部分的尺寸如下：基板长度Lsub＝52.5mm,基板宽度/馈电部分宽度Wb＝16mm,馈电部分长度L1＝20mm,辐射臂长度L2＝16.2mm,集成同轴线套筒宽度Ld＝2.16mm,切开宽度Wcut＝2.5mm,切开长度Lcut＝4mm,辐射臂开口宽度Wa＝11.74mm,金属化通孔阵列52中的一个通孔直径d＝0.3mm,集成同轴线芯9宽度Wl1＝0.2mm,表面等离子体激元结构31中心线宽度Wl2＝0.3mm,外层金属栅格结构长度Wx1＝0.8mm,中间层金属栅格结构长度Wx2＝0.3mm,内层金属栅格结构长度Wx3＝1.1mm,表面等离子体激元结构31槽深h＝0.85mm,金属栅格阵列32之间的距离Gx1＝0.4mm,第一辐射臂6的宽度Wc＝8.8mm,第一接地共面波导11的宽度Ws＝1.52mm,第一接地共面波导11与两侧地的距离gap＝0.2mm,第一接地共面波导11与基片集成波导13的过渡深度Lt＝2.2mm,第一接地共面波导11与基片集成波导13的过渡宽度Wt＝3.4mm,基片集成波导13的宽度WSIW＝4.8mm,金属化通孔阵列52的间距pa＝0.5mm,表面等离子体激元结构31长度Lspp＝24.35mm,表面等离子体激元结构31的周期长度p＝0.6mm,表面等离子体激元结构31的槽宽a＝0.3mm,槽状阵列8中一个槽状宽度Gx3＝0.3mm,金属栅格阵列32中外层金属栅格结构宽度Lx1＝0.3mm,表面等离子体激元结构31槽的宽度Lx2＝0.3mm,槽状阵列8之间的宽度即辐射臂未切槽Lx3＝0.7mm,辐射臂切槽深度Wslot＝0.15mm。
使用软件CST对本发明实施例的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线进行模拟，分别模拟毫米波渐变槽端射天线和平面套筒单极子全向天线。对于毫米波渐变槽端射天线，其结果在图8和9中。图8中的反射系数S11，是一个超宽带的阻抗带宽，同时该天线的3dB增益带宽也达到了19.32-32.9GHz(52％)，它的峰值增益达到了13.09dBi，与图9中的仿真结果类似。图12和图13中是毫米波渐变槽端射天线在24GHz的E面和H面的方向图，所有的方向图与仿真的吻合较好。图10和11是平面套筒单极子全向天线的仿真和测试结果，测试的阻抗带宽为2.23-3.69GHz(49.3％),天线的增益大约在2dBi左右，其峰值增益位于为3.58GHz。图14和15中是平面套筒单极子全向天线在2.48GHz的x-y面和y-z面的方向图。实测和仿真的方向图之间的差异是由第二端口22引起的天线不对称结构引起的。
本发明通过表面等离子体激元结构31和辐射双臂结构的共享实现了天线的低剖面紧凑结构；在低频微波频段，通过寄生单元即辐射双臂结构的引入，在单极子天线中引入新的谐振点从而拓展了带宽；在高频毫米波频段，通过加载由表面等离子体激元结构31和金属栅格阵列32构成的超表面提高了毫米波渐变槽端射天线的增益，从而提高了毫米波频段信号的传输距离；通过高低频天线的结合，扩展了天线的工作频带，实现了不同频段的不同辐射方式。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。

Claims (8)

1.一种表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，包括毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线；所述毫米波渐变槽端射天线、微波平面套筒单极子全向天线的共享结构包括基板、第一金属贴片(1)、第二金属贴片(2)、表面等离子体激元结构(31)、金属化通孔阵列(52)；所述基板包括介质基片构成的上层(41)和下层(43)，以及由半固化片构成的中间层(42)；所述第一金属贴片(1)贴附在基板上层(41)上表面；所述第二金属贴片(2)贴附在基板下层(43)下表面；所述表面等离子体激元结构(31)采用金属贴片贴附在基板中间层(42)与基板下层(43)之间；所述第一金属贴片(1)包括第一辐射臂(6)；所述第二金属贴片(2)包括第二辐射臂(7)；所述第一辐射臂(6)与第二辐射臂(7)关于基板中心线相对称并构成辐射双臂结构；所述第一辐射臂(6)与第二辐射臂(7)远离基板中心线的一侧均设置槽状阵列(8)；所述辐射双臂结构从基板中心线张开形成指数型的渐变槽；所述金属化通孔阵列(52)贯通连接第一金属贴片(1)、基板以及第二金属贴片(2)；所述毫米波渐变槽端射天线还包括第一馈电结构、金属栅格阵列(32)、金属化固定通孔(51)；所述第一馈电结构包括依次连接的第一端口(21)、第一接地共面波导(11)、过渡结构(10)、基片集成波导(13)；所述第一端口(21)、第一接地共面波导(11)、过渡结构(10)、基片集成波导(13)均贯通连接第一金属贴片(1)、基板以及第二金属贴片(2)；所述基片集成波导(13)与辐射双臂结构形成的渐变槽连接；所述第一端口(21)的馈电信号依次通过第一接地共面波导(11)、过渡结构(10)、基片集成波导(13)馈至辐射双臂结构形成的渐变槽；所述金属栅格阵列(32)采用金属贴片贴附在基板中间层(42)与基板下层(43)之间；所述金属栅格阵列(32)关于表面等离子体激元结构(31)为中心相对称设置；所述金属化固定通孔(51)贯通连接第一金属贴片(1)、基板以及第二金属贴片(2)；所述微波平面套筒单极子全向天线还包括第二馈电结构；所述第二馈电结构包括依次连接的第二端口(22)、第二接地共面波导(12)、集成同轴线芯(9)；所述第二端口(22)、第二接地共面波导(12)均贯通连接第一金属贴片(1)、基板以及第二金属贴片(2)；所述集成同轴线芯(9)采用金属贴片贴附在基板中间层(42)与基板下层(43)之间；所述集成同轴线芯(9)与表面等离子体激元结构(31)连接；所述第二端口(22)的馈电信号依次通过第二接地共面波导(12)、集成同轴线芯(9)馈至表面等离子体激元结构(31)；所述毫米波渐变槽端射天线中的表面等离子体激元结构(31)、辐射双臂结构分别共享为微波平面套筒单极子全向天线中的单极子、寄生单元。
2.根据权利要求1所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述基片集成波导(13)的波导壁上开口引出集成同轴线区与第二接地共面波导(12)连接；所述集成同轴线芯(9)设置于集成同轴线区的中心线上；所述集成同轴线芯(9)从第二端口(22)延伸至基片集成波导(13)中心并弯折90度，使得集成同轴线区与表面等离子体激元结构(31)连接。
3.根据权利要求2所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述第二接地共面波导(12)以及集成同轴线芯(9)末端的拓宽是为了添加焊盘，便于与外部SMA接口的连接。
4.根据权利要求1所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述基板上层(41)与下层(43)的介质基片采用均为厚度为0.2mm的Rogers 4003C印刷电路板材制成；所述基板中间层(42)的半固化片采用厚度为0.1mm的Rogers RO4450f半固化片。
5.根据权利要求1所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述金属栅格阵列(32)为两个，均包括三排金属栅格阵；三排金属栅格阵的间距相等；三排金属栅格阵的金属栅格长度不相等。
6.根据权利要求1所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述槽状阵列(8)为周期型槽状结构。
7.根据权利要求1所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述金属化固定通孔(51)为两个，关于第一端口(21)相对称设置，用于外部SMA接口的固定。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的表面等离子体激元结构共享大频率比双频段天线，其特征在于，所述天线的金属材质采用铜。
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