CN111029766A - 基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线。包括主要包括介质板、位于介质板背面的人工表面等离激元波导结构和共面波导匹配结构以及介质板正面的人工局域表面等离激元谐振单元结构。本发明能够得到全向辐射的水平极化电磁波。本发明采用普通的PCB工艺制作,加工方便,具有小型化、低剖面的特点,提高了系统的集成度,具有很好的应用前景。

Description

基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线
技术领域
本发明属于人工电磁材料领域,涉及一种基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线。
背景技术
天线作为无线通信不可缺少的一部分,其基本功能是发射和接收无线电波。全向天线是指在水平面上表现为360°均匀辐射,在垂直面表现为有一定宽度的波束。全向天线在移动通信系统中一般应用于低密度用户的大范围覆盖。随着社会对通信系统要求的不断提高,对于全向天线的需求逐渐增高。
通过人工电磁材料的设计能够在低频(如微波、太赫兹波和远红外)波段实现类似表面等离激元的表面波,这种表面波被称为人工表面等离激元。这种表面波有着与光波段表面等离激元类似的局域和亚波长束缚特性,可以在低频波段实现诸如器件小型化及各种潜在应用。其中人工局域表面等离激元谐振单元结构由周期开槽金属片构成,能够实现电偶极子谐振和磁偶极子谐振。这种磁偶极子谐振可以等效为磁偶极子天线,全向辐射水平极化的电磁波。
同时水平极化全向天线在移动通信系统中有着很大的需求。现通常采用Alford方环天线、十字形蝙蝠翼、矩形波导或者圆形金属管开缝等结构作为水平极化全向天线的基本辐射单元。但是这些方法都有一定的缺陷,例如Alford方环天线的增益比较低,十字形蝙蝠翼天线体积较大且需要额外的馈电网络配合,矩形波导或者圆形金属管开缝天线的增益起伏较大。因此基于人工局域表面等离激元谐振单元的低剖面、亚波长水平极化全向天线,在移动通信领域具有广阔的应用价值。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,提供一种亚波长、低剖面的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,采用人工表面等离激元波导进行馈电,其制造简单、工艺容易。
基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,包括介质板、覆盖在该介质基板正面的人工局域表面等离激元谐振单元结构,以及覆盖在该介质基板背面的金属条带;
所述人工局域表面等离激元谐振单元结构由2根以上金属臂构成圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形螺旋形结构;金属臂之间的距离远小于波长。
所述金属条带包括人工表面等离激元波导结构和共面波导匹配结构。
所述人工表面等离激元波导结构包括若干个周期排布的人工表面等离激元单元结构,相邻人工表面等离激元单元结构通过连接线连接;所述人工表面等离激元单元结构为槽深相同的开槽单元结构A。
所述共面波导匹配结构位于介质板的一端,具体包括两个关于介质板中轴线轴对称设置的金属片,以及与人工表面等离激元波导结构连接的过渡段;
两个金属片间留有缝隙,该缝隙呈喇叭状;缝隙宽度为0.2mm,设置为0.2mm的目的是实现应用中的阻抗匹配。
所述过渡段由第一过渡段和第二过渡段构成。第一过渡段为直线结构,一端伸入两个金属片的缝隙,另一端与第二过渡段的一端连接;第二过渡段的另一端与人工表面等离激元波导结构的一端连接;
第二过渡段由若干个槽深不同的开槽单元B构成,开槽单元B的槽深从与第一过渡段连接端开始由浅至深。
两个金属片间缝隙宽度从第一过渡段至第二过渡段呈由小逐渐变大。
所述人工表面等离激元波导结构与人工局域表面等离激元谐振单元结构部分相对重合,x轴向重叠部分宽度为X1;人工表面等离激元波导结构的x轴向中轴线与人工局域表面等离激元谐振单元结构的x轴向中轴线之间相对距离为X2;
开槽单元A、B沿自身轴线方向的剖面形状为多边形。
介质板采用PCB板、硅基底、石英基底、或聚酰亚胺基底。
对于金属臂构成的谐振单元,当金属臂之间的距离远小于波长时,金属臂可以被视为一层围绕在内圆柱体外围的人工电磁媒质层。由于电磁波能够进入间隙中,所以人工媒质层在低频波段具有等离子体的性质。该谐振单元的散射特性可以由Mie散射理论得出,其散射特性与光波段局域表面等离激元谐振类似。人工电磁媒质层的介电常数和磁导率由金属臂的几何结构,如金属臂宽度、间隔距离、金属臂长度等参数决定。金属臂构成的谐振单元能够产生类似磁偶极子的谐振态,产生水平极化的全向辐射。
金属臂构成的人工局域表面等离激元谐振单元的磁偶极子谐振模式中,磁场沿着垂直结构的方向振荡。人工表面等离激元波导上传导的电磁波的磁场也沿着垂直结构的方向。因此,将人工局域表面等离激元谐振单元和人工表面等离激元波导放置在介质板的上下两面,使两者的磁场方向平行,通过人工表面等离激元波导对人工局域表面等离激元谐振单元进行耦合馈电。两者的重叠面积决定了耦合效率,由X1和X2决定。
本发明的有益效果是:
(1)本发明制作简单,加工方便。利用成熟的PCB加工技术可以完成对本发明的加工。部分传统的水平圆极化天线如介质天线、三维立体结构天线,需要复杂的工序,加工繁琐,并且价格昂贵。
(2)本发明的人工局域表面等离激元谐振单元和金属条带,印制在介质板的两面,具有低剖面的优势。
(3)本发明可以仅仅通过调节结构的几何尺寸来改变人工局域表面等离激元天线的谐振特性。调节简单,扩展性良好。因为金属臂构成的人工局域表面等离激元可以等效为一个高介电常数的谐振器,因此,调节金属臂结构,相当于调节了其结构的谐振频点,使谐振频率发生变化,从而改变天线的工作频率。
(4)由于本发明所涉及的人工局域表面等离激元天线能够等效为一个高介电常数的谐振器,所以具有亚波长的特点。
(4)本发明通过使用金属条带结构对人工局域表面等离激元谐振单元结构进行耦合馈电,很好的解决了类似传统小环磁偶极子天线匹配困难的问题。可以通过调节金属条带结构的几何尺寸来改变人工表面等离激元波导的色散特性,调节工作频率,传输特性。调节简单,扩展性良好。因为人工表面等离激元波导是利用金属多边形开槽单元的谐振效果来降低其等效的等离子体频率,因此调节金属多边形开槽单元结构,相当于调节了其金属结构,使等离子体频率发生变化,从而改变其色散特性,提高传输效率。
(5)本发明的基于人工表面等离激元波导的金属条带是不需要金属地的,这样可以消除金属地对天线辐射性能的影响。
附图说明
图1是本发明基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线的背面结构示意图:其中1为介质板,2为人工表面等离激元波导结构,31共面波导匹配结构的金属片,32为共面波导匹配结构的槽深逐渐变化的开槽周期单元的过渡结构。
图2是本发明基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线的正面结构示意图:其中1为介质板,4为人工局域表面等离激元谐振单元结构。
图3是人工局域表面等离激元谐振单元结构与人工表面等离激元波导结构的位置关系示意图,X1表示谐振结构与波导结构在X轴方向上的重合距离,X2表示谐振结构的圆心与中轴线的距离。
图4是人工表面等离激元波导的各参数示意图,d是凹槽的深度,p是周期长度,a是宽度。
图5人工局域表面等离激元单元结构示意图,w是金属臂的臂宽,t是金属臂之间的间距,k是单元结构的直径。
图6是天线的反射系数曲线图。
图7是本发明基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线的方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明
如图1、2所示,本发明基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,包括介质板1、覆盖在该介质基板1正面的人工局域表面等离激元谐振单元结构,以及覆盖在该介质基板背面的金属条带;
所述人工局域表面等离激元谐振单元结构由2根以上金属臂构成圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形螺旋形结构;
所述金属条带包括人工表面等离激元波导结构2和共面波导匹配结构。
所述人工表面等离激元波导结构包括若干个周期排布的人工表面等离激元单元结构,相邻人工表面等离激元单元结构通过连接线连接;所述人工表面等离激元单元结构为槽深相同的开槽单元结构A。
所述共面波导匹配结构位于介质板的一端,具体包括两个关于介质板中轴线轴对称设置的金属片31,以及与人工表面等离激元波导结构连接的过渡段32;
两个金属片间留有缝隙,该缝隙呈喇叭状;缝隙宽度为0.2mm,设置为0.2mm的目的是实现应用中的阻抗匹配。
所述过渡段由第一过渡段和第二过渡段构成。第一过渡段为直线结构,一端伸入两个金属片的缝隙,另一端与第二过渡段的一端连接;第二过渡段的另一端与人工表面等离激元波导结构的一端连接;
第二过渡段由若干个槽深不同的开槽单元B构成,开槽单元B的槽深从与第一过渡段连接端开始由浅至深。
两个金属片间缝隙宽度从第一过渡段至第二过渡段呈由小逐渐变大。
如图3所述人工表面等离激元波导结构与人工局域表面等离激元谐振单元结构部分相对重合;人工表面等离激元波导结构的x轴向中轴线与人工局域表面等离激元谐振单元结构的x轴向中轴线之间相对距离为X2;
开槽单元A、B沿自身轴线方向的剖面形状为多边形。
实施例1:
上述基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线介质基板结构中使用的是F4b,其相对介电常数为2.65,损耗角正切角为0.001,介质板的长度为22mm,宽度为63mm,厚度为1.5mm,其上结构通过电路板印刷技术加工而成。如图5人工局域表面等离激元谐振单元由四根金属螺旋臂组成螺旋结构,金属螺旋结构直径k=18mm,每根金属臂的线宽为w=1.1mm,金属臂之间的间隔为t=0.9mm,厚度0.035mm。
所述金属条带包括人工表面等离激元波导结构2和共面波导匹配结构。
人工表面等离激元波导结构2包括若干个周期排布的人工表面等离激元单元结构,相邻人工表面等离激元单元结构通过连接线连接;所述人工表面等离激元单元结构为槽深相同的开槽单元结构A。
如图4开槽单元结构A凹槽深度d=12mm,壁宽a是2.3mm;一个人工表面等离激元单元结构加一根连接线构成一个周期长度p=9mm;人工表面等离激元单元结构厚度0.02mm。
人工局域表面等离激元谐振单元与人工表面等离激元波导结构2的位置关系如图3所示,X1表示人工局域表面等离激元谐振单元与人工表面等离激元波导结构2重合部分在X轴方向上的宽度,X1为7.5mm,X2表示人工表面等离激元波导结构的x轴向中轴线与人工局域表面等离激元谐振单元结构的x轴向中轴线之间相对距离,X2为0.7mm。
当人工表面等离激元波导结构2按上述尺寸构造时,利用电磁仿真软件,可见其反射系数如图6所示。在2.71GHz到2.72GHz的频率得到-25dB的反射系数。
图7是按照上述尺寸的天线在水平面上的水平极化辐射方向图,可以清楚地看到,具有较好的全向均匀辐射效果。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述事实方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于包括介质板、覆盖在该介质基板正面的人工局域表面等离激元谐振单元结构,以及覆盖在该介质基板背面的金属条带;所述金属条带包括人工表面等离激元波导结构和共面波导匹配结构;
人工表面等离激元波导对人工局域表面等离激元谐振单元进行耦合馈电;
所述人工局域表面等离激元谐振单元结构由2根以上金属臂构成螺旋形结构;
所述人工表面等离激元波导结构包括若干个周期排布的人工表面等离激元单元结构,相邻人工表面等离激元单元结构通过连接线连接;所述人工表面等离激元单元结构为槽深相同的开槽单元结构A;
所述共面波导匹配结构位于介质板的一端,具体包括两个关于介质板中轴线轴对称设置的金属片,以及与人工表面等离激元波导结构连接的过渡段;
两个金属片间留有缝隙,该缝隙呈喇叭状;
所述过渡段由第一过渡段和第二过渡段构成;第一过渡段为直线结构,一端伸入两个金属片的缝隙,另一端与第二过渡段的一端连接;第二过渡段的另一端与人工表面等离激元波导结构的一端连接;
第二过渡段由若干个槽深不同的开槽单元B构成,开槽单元B的槽深从与第一过渡段连接端开始由浅至深;
两个金属片间缝隙宽度从第一过渡段至第二过渡段呈由小逐渐变大;
所述人工表面等离激元波导结构的部分结构与人工局域表面等离激元谐振单元结构相对重合,相对重叠部分x轴向宽度为X1;人工表面等离激元波导结构的x轴向中轴线与人工局域表面等离激元谐振单元结构的x轴向中轴线之间相对距离为X2。
2.如权利要求1所述的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于所述人工局域表面等离激元谐振单元结构的螺旋形为圆形、椭圆形、三角形、矩形或多边形结构。
3.如权利要求1或2所述的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于金属臂之间的距离远小于波长。
4.如权利要求1-3任一所述的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于开槽单元A、B沿自身轴线方向的剖面形状为多边形。
5.如权利要求1-4任一所述的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于介质板采用PCB板、硅基底、石英基底、或聚酰亚胺基底。
6.如权利要求1-5任一所述的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于可通过调节人工局域表面等离激元谐振单元结构的金属臂结构尺寸,进而调节了其结构的谐振频点,使谐振频率发生变化,从而改变天线的工作频率。
7.如权利要求1-6任一所述的基于人工局域表面等离激元的水平极化全向天线,其特征在于调节金属条带的开槽单元A、B结构尺寸,进而调节了其金属结构,使人工等离子体频率发生变化,从而改变人工表面等离激元波导的色散特性,提高传输效率。
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