CN111106442B - 一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构方法 - Google Patents

一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构方法。漏波天线包括介质基板以及设置在介质基板上的金属结构，金属结构包括两端的匹配结构和位于两个匹配结构之间的周期调制等离激元波导，匹配结构用以实现等效槽线结构到周期调制等离激元波导的匹配馈电，本发明可以将表面波(SWs)转变为空间多极化漏波，其中上下半空间分别为右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)，而左右半空间均为线极化(LP)。在极化可重构阵列下方设置金属地板，可以实现定向单极化漏波辐射。通过同步机械旋转阵列中的每个天线，则可以实现漏波辐射的极化可重构。

Description

一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构 方法
技术领域
本发明涉及多极化以及极化可重构漏波天线，特别是涉及一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构方法。
背景技术
表面等离激元(SPPs)是沿具有正负介电常数的两个电介质之间的界面传播的电磁波，其自然存在于光学区域。自2004年以来，在近红外、太赫兹和微波波段等较低频率下，人们提出了由周期性孔或槽装饰的三维或二维金属结构组成的人工表面等离激元(SSPPs)以有效地模拟天然表面等离激元。表面等离激元除了被用于有效地传输电磁能量外，也被广泛应用在光、太赫兹和微波天线设计中，其中微波表面等离激元漏波天线因其低成本和高指向性的独特优势而备受关注。然而，无论是表面等离激元天线还是其它常规天线，它们大多只能在线性极化辐射或圆极化辐射的单极化模式下工作。
随着现代无线通信系统的发展，极化复用受到了人们的广泛关注，这就要求天线产生多极化辐射。为了提高基于有限频率资源的通信系统的容量，采用了极化分集技术，将多个正交极化模式组合在一起。此外，还提出了基于改变馈电端口的多极化漏波天线的不同极化辐射。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种空间多极化漏波天线，包括介质基板以及设置在介质基板上的金属结构，金属结构包括两端的匹配结构和位于两个匹配结构之间的周期调制等离激元波导，匹配结构用以实现其等效槽线结构到周期调制等离激元波导的匹配馈电，该漏波天线能够将表面波SWs转变为空间多极化漏波。
可选的，周期调制漏波等离激元波导包含M个调制周期，每个调制周期内包含了一对相互垂直的45°倾斜凹槽，分别设计在周期两端，电场在一个传播周期内交替谐振在两个凹槽内，形成圆极化效果。
可选的，匹配结构包含带有弧形边缘的金属地，以及带有45°斜开槽的渐变金属条带，金属地位于渐变金属条带一侧，且弧形边缘与渐变金属条带的斜开槽侧之间构成等效槽线结构，渐变金属条带与周期调制等离激元波导连接。
可选的，周期调制等离激元波导为单导体结构，其辐射方向图以漏波天线为中心沿方位角呈全向分布。
可选的，当从漏波天线左侧馈电时，在漏波天线上半空间形成右旋圆极化辐射，在漏波天线下半空间形成左旋圆极化辐射，而在左右半空间形成线极化辐射。
本发明还提供了一种基于上述空间多极化漏波天线的极化可重构漏波天线阵列，其特征在于，包括金属地板、空间多极化漏波天线和射频SMA接头，其中，空间多极化漏波天线有N个，并沿y轴等间距平行排布在金属地板上方，每个空间多极化漏波天线的两端均加载射频SMA接头。
本发明还提供了一种上述极化可重构漏波天线阵列的漏波辐射的极化重构方法，其特征在于，N个空间多极化漏波天线围绕各自y轴中心以相同起始角度同时旋转α度，定向漏波波束的极化由旋转角度α决定，当α＝0°，90°和180°时，漏波波束的极化形式分别为右旋圆极化，水平线极化和左旋圆极化。
有益效果：与现有技术相比，本发明的一种基于人工表面等离激元波导的空间多极化漏波天线，其辐射方向在漏波天线周围的方位方向上具有不同的极化。此外，我们还提出只要在设计的漏波天线附近放置一个金属反射器，就可以实现纯圆极化辐射或线极化辐射，并且偏振是可重构的。最后本发明制造简单、操作方便、容易集成，只需要一步光刻过程，不仅节省造价，而且避免了复杂结构引发的加工误差。
附图说明
图1是本发明的空间多极化漏波天线结构示意图；左上角：匹配过渡结构；右下角：一个调制周期；
图2是极化可重构阵列设计方案；
图3是表面等离激元单元的一个调制周期的色散曲线；
图4是当瞬时相位分别为0°，90°，180°和270°时，10GHz处一个调制周期内的仿真旋转电场；
图5是仿真的10GHz下的三维远场辐射模式；其中，(a)右旋圆极化电磁波，(b)左旋圆极化电磁波，(c)水平极化电磁波，(d)垂直极化电磁波；
图6是空间多极化人工表面等离激元漏波天线的仿真和测量结果；其中(a)多极化人工表面等离激元漏波天线的实物照片，(b)S参数，(c)轴比和增益；
图7是仿真的10GHz极化可重构漏波天线阵列在不同旋转角度下的三维远场辐射方向图；α＝0：(a)右旋圆极化辐射，(b)左旋圆极化辐射。α＝90°：(c)水平线极化辐射，(d)垂直线极化辐射，α＝180°：(f)右旋圆极化辐射，(e)左旋圆极化辐射；
图中：1为匹配结构，2为周期调制等离激元波导，3为介质基板，4为金属地板，5为射频SMA接头，11为有弧形边缘的金属地，12为渐变金属条带，21为调制周期。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，一种空间多极化漏波天线，包括介质基板以及位于介质基板表面的金属结构，金属结构包括两端的匹配结构和位于两个匹配结构之间的周期调制等离激元波导，匹配结构用以实现等效槽线结构到周期调制等离激元波导的匹配馈电，周期调制漏波等离激元波导包含M个调制周期，每个调制周期内包含了一对相互垂直的45°倾斜凹槽，分别设计在周期两端，电场在一个传播周期内交替谐振在两个凹槽内，形成圆极化效果；匹配结构包含带有弧形边缘的金属地，以及带有45°斜开槽的渐变金属条带，金属地位于渐变金属条带一侧，且弧形边缘与渐变金属条带的斜开槽侧相邻但不接触，渐变金属条带与周期调制等离激元波导连接；该漏波天线能够将表面波SWs转变为空间多极化漏波。
周期调制等离激元波导为单导体结构，其辐射方向图以漏波天线为中心沿方位角呈全向分布；当从漏波天线左侧馈电时，在漏波天线上半空间形成右旋圆极化辐射，在漏波天线下半空间形成左旋圆极化辐射，而在左右半空间形成线极化辐射。
本实施例中，介质基板的介电常数为2.25，介质基板厚度为0.8mm。表面的金属结构包括匹配结构1以及周期调制等离激元波导2。其中，匹配结构包括带有弧形边缘的金属地11和包含两个锯齿高度逐渐增高的微开槽人工表面等离激元单元的渐变金属条带12，其中金属地和渐变金属条带的左侧部分构成等效槽线结构13，周期调制等离激元波导位于两个匹配结构中间，包含28个调制周期21，每个调制周期内包含了一对相互垂直的45°倾斜凹槽，分别设计在周期两端。
图1中所示，射频信号经过一端的由带有弧形边缘的金属地11和渐变金属条带12组成的匹配结构被馈入空间周期调制等离激元波导，被转换为等离激元表面波，其中频率在工作频带范围内的信号将被进一步调制为快波漏波辐射。因为我们设计的每个调制周期内包含了一对相互垂直的45°倾斜凹槽，表面电场在不同时刻以90°相位延迟依次集中在左右凹槽上，因此产生旋转电场，从而产生圆极化辐射。因为电磁波在这两个空间中的传播方向相反，在上半空间(+z)和下半空间(-z)产生的电磁波分别是右旋圆极化和左旋圆极化。同时，由于电场矢量总是与xoy平面平行，且必须同时与波矢矢量垂直，因此在左(-y)和右(+y)半空间中都会产生线极化波。因此实现了空间多极化人工表面等离激元漏波辐射。
如图1所示：H为周期调制等离激元波导宽度，h为周期内倾斜开槽深度，a为周期内倾斜开槽宽度，b为周期内倾斜开槽间距，P为周期调制长度，h1和h2分别为匹配结构中渐变金属条带的两个开槽深度，两个开槽深度与馈电端口及周期调制等离激元波导间构成的间距分别为d1，d2和d3，上述参数取值为：H＝2.93mm，h＝2.8mm，a＝0.8mm，b＝7.4mm，P＝14.86mm，h1＝0.6mm，h2＝1.2mm，d1＝10.2mm，d2＝6.5mm，d3＝7.6mm。
如图2所示，基于上述空间多极化漏波天线，设计极化可重构漏波天线阵列。该阵列包含4个平行等距排列的空间多极化漏波天线，以及一块金属地板4，漏波天线设置在金属地板上方，且每个漏波天线的两端均加载射频SMA接头5。采用由四个空间多极化漏波天线组成的天线阵列来提高天线的方向性。两个空间多极化漏波天线之间的距离优化为ds＝18mm，金属地板放置在距离天线阵列hr＝15.5mm的位置。同时，我们假设每个空间多极化漏波天线都可以围绕图2右下角所示的虚线顺时针旋转，旋转角度定义为α。因此，辐射到下半空间的电磁波将被金属反射器反射，并与辐射到上半空间的电磁波叠加，产生增强的纯单极化辐射，并且当旋转角度α改变时，偏振是可重构的。
如图3所示为相位常数随频率变化的曲线，该曲线可由S参数反演计算得到。在8.8～10.8GHz范围内观测到了快波辐射(β<k0)，辐射角(θ)可由下式计算：
Figure BDA0002361878620000041
其中，k0为自由空间波数，β为人工表面等离激元的相位常数，正/负θ分别表示正/反向辐射。
图4是以90°为相位间隔的一个周期中10GHz时天线的电场矢量分布。显然，表面电场在不同时刻以90°相位延迟依次集中在左右凹槽上，因此产生旋转电场，从而产生圆极化辐射。
图5显示了在10GHz下空间多极化漏波天线的模拟三维远场辐射图。如图5(a)和5(b)所示，在上半部(+z)和下半部(-z)可以分别观察到扇形的右旋和左旋漏波辐射。如图5(c)所示，水平极化的远场辐射方向图是全方位的，但垂直极化仅辐射到上部空间和下部空间，如图5(d)所示。因此，在左(-y)和右(-y)半空间中可以获得水平线极化波。也即，所提出的漏波天线可以产生空间多极化辐射，其中上部(+z)半空间为右旋圆极化辐射，下部(-z)半空间为左旋圆极化辐射，而左侧(+y)和右侧(-y)均为线极化辐射。
图6(a)展示了制作的多极化漏波天线，图6(b)分别是仿真和测量的S参数，因为S11和S21分别低于-15和-7.5dB，这表明在设计频率10GHz附近可以实现高效辐射。图6(c)给出了圆极化辐射的轴比以及圆极化和线极化辐射的增益。左旋和右旋圆极化的轴比在10GHz左右均低于3dB，表明圆极化性能良好。此外，从9.8到10.2GHz，左旋和右旋圆极化的模拟增益约为9dB，线极化的增益比圆极化的增益低约2dB，这是由于天线孔径的减小所致。
图7展示了在10GHz下仿真的3D远场辐射图。当α＝0、90°和180°时，产生的辐射分别是高定向性右旋圆极化，水平线极化和左旋圆极化辐射，如图7(a)，7(c)和7(f)所示。同时，图7(b)，7(d)和7(e)分别示出了相应的低交叉极化水平。值得一提的是，在天线元件旋转过程中，波束的辐射方向几乎不变，因此，该方法可以实现极化可重构的漏波天线系统，与传统的极化可重构系统相比，具有复杂度低，成本低的优点。
本发明的一种空间多极化漏波天线及其极化可重构阵列和极化重构方法。空间多极化漏波天线包括上层金属结构和下层介质基板。上层金属结构的中间部分为周期调制等离激元波导(漏波结构)，每个调制周期内包含了一对相互垂直的45°倾斜凹槽，分别设计在周期两端。漏波结构两端各有一个匹配过渡段(匹配结构)，用以实现等效槽线结构到周期调制等离激元波导的匹配馈电，匹配过渡段包含带有弧形边缘的金属地，以及带有45°斜开槽的渐变金属条带。本发明可以将表面波转变为空间多极化漏波，其中上下半空间分别为右旋圆极化和左旋圆极化，而左右半空间均为线极化。进一步地，将此空间多极化漏波天线进行阵列设计，并在阵列下方设置金属地，可以实现定向单极化漏波辐射。通过同时机械旋转阵列中的每个天线，则可以实现漏波辐射的极化可重构。
与现有技术相比，本发明提出的一种基于人工表面等离激元波导的空间多极化漏波天线，其辐射方向在漏波天线周围的方位方向上具有不同的极化。此外，我们还提出只要在设计的漏波天线附近放置一个金属地板，就可以实现纯圆极化辐射或线极化辐射，并且偏振是可重构的。最后本发明制造简单、操作方便、容易集成，只需要一步光刻过程，不仅节省造价，而且避免了复杂结构引发的加工误差。

Claims (4)

1.一种空间多极化漏波天线，其特征在于，包括介质基板以及设置在介质基板上的金属结构，金属结构包括两端的匹配结构和位于两个匹配结构之间的周期调制等离激元波导，匹配结构用以实现其等效槽线结构到周期调制等离激元波导的匹配馈电，该漏波天线能够将表面波SWs转变为空间多极化漏波；
周期调制等离激元波导包含M个调制周期，每个调制周期内包含了一对相互垂直的45°倾斜凹槽，分别设计在周期两端，电场在一个传播周期内交替谐振在两个凹槽内，形成圆极化效果；
匹配结构包含带有弧形边缘的金属地，以及带有45°斜开槽的渐变金属条带，金属地位于渐变金属条带一侧，且弧形边缘与渐变金属条带的斜开槽侧之间构成等效槽线结构，渐变金属条带与周期调制等离激元波导连接；
当从漏波天线左侧馈电时，在漏波天线上半空间形成右旋圆极化辐射，在漏波天线下半空间形成左旋圆极化辐射，而在左右半空间形成线极化辐射。
2.根据权利要求1所述的一种空间多极化漏波天线，其特征在于，周期调制等离激元波导为单导体结构，其辐射方向图以漏波天线为中心沿方位角呈全向分布。
3.一种基于权利要求1至2任一项所述空间多极化漏波天线的极化可重构漏波天线阵列，其特征在于，包括金属地板、空间多极化漏波天线和射频SMA接头，其中，空间多极化漏波天线有N个，并沿y轴等间距平行排布在金属地板上方，每个空间多极化漏波天线的两端均加载射频SMA接头。
4.一种权利要求3所述极化可重构漏波天线阵列的漏波辐射的极化重构方法，其特征在于，N个空间多极化漏波天线围绕各自y轴中心以相同起始角度同时旋转α度，定向漏波波束的极化由旋转角度α决定，当α=0°，90°和180°时，漏波波束的极化形式分别为右旋圆极化，水平线极化和左旋圆极化。
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