CN111555023B - 非对称双人工表面等离激元的和差波束天线 - Google Patents

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Abstract

一种非对称双人工表面等离激元的和差波束天线，由介质基板(1)、以及在介质基板(1)上的共面波导到人工表面等离激元的过渡段(2)、上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)组成；介质基板(1)两面都有金属导体(4)，且对称分布在介质基板(1)的两面，由金属化过孔(5)连接；上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)共用一个公用侧边(30)但有不同的色散特性、传输两个不同的模式；在端射方向在不同的频率时，会交替呈现和波束以及差波束；当频率在和波束的频率与差波束的频率之间变化时，波束方向会围绕端射方向扫描。天线在实现和差波束的同时具有馈电简单的特点，减小了馈电损耗。

Description

非对称双人工表面等离激元的和差波束天线
技术领域
本发明专利涉及一种和差波束天线，尤其是一种非对称双人工表面等离激元的和差波束天线。
背景技术
在定位和追踪应用中，由于差波束的零向附近增益在极窄的角度范围内急剧下降，差波束具有精确定位的作用；和波束与差波束常常结合使用，和波束的高增益特性用于发现目标、判定目标大致方向。现有的天线通常使用两个相同的天线，通过不同的馈电网络实现和波束以及差波束，这样使得馈电网络的结构比较复杂，而且馈电损耗也比较大。
人工表面等离激元(SSPP)是一种在微波或太赫兹频段上的单导体传输线，可以在金属表面产生高束缚的人工表面等离激元模式。由于SSPP具有慢波特性、较强的场束缚能力、较低的中距离传输损耗以及良好的共形能力，在微波元器件的设计，尤其是漏波天线设计中受到广泛关注。同时，基于人工表面等离激元的端射天线通过奇模馈电实现和波束的辐射方向图。
发明内容
技术问题:本发明所要解决的技术问题是提出一种双人工表面等离激元的端射天线，具有端射的和波束以及差波束，具有简单的馈电结构。
技术方案：本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
该天线包括介质基板、以及在介质基板上的共面波导到人工表面等离激元的过渡段、上人工表面等离激元和下人工表面等离激元；介质基板两面都有金属导体，且对称分布在介质基板的两面，由金属化过孔连接；过渡段包括顺序设置的馈电段、渐变段、模式转换段三部分；上人工表面等离激元和下人工表面等离激元共用一个公用侧边，上人工表面等离激元和下人工表面等离激元结构上是一体的，但上人工表面等离激元和下人工表面等离激元传输的两个不同的模式；上人工表面等离激元和下人工表面等离激元的长度一样；上人工表面等离激元包括上相移段和上辐射段，上相移段由多个上周期单元组成；下人工表面等离激元有下相移段和下辐射段，下相移段由多个下周期单元组成；上人工表面等离激元和下人工表面等离激元具有不同的色散特性曲线，使得上人工表面等离激元的辐射场和下人工表面等离激元的辐射场，在端射方向在不同的频率时，会交替呈现和波束以及差波束；当频率在和波束的频率与差波束的频率之间变化时，波束方向会围绕端射方向扫描。
其中
所述馈电段具有任意相位特性，其内边为曲线状，上下对称，对设计频带内的电磁波具有较小的反射系数。
所述的渐变段其内边为曲线状，上下对称，将馈电结构输入的功率平均分为两部分。
所述的模式转换段的内边为曲线状，上下对称，两侧金属之间的开口逐渐张开，将电磁波由共面波导模式转变到人工表面等离激元模式。
所述的上周期单元的周期长度不同于下周期单元的周期长度。
利用两条人工表面等离激元传输线的不同色散曲线，在不同的频率实现和波束、差波束以及波束扫描。
介质基板两面为完全一致的金属导体结构，通过金属化过孔在金属边沿相连；馈电为一共面波导，渐变渐变张开，将共面波导的两条槽分为两路槽线，分别给上人工表面等离激元和下人工表面等离激元馈电，共面波导上输入的功率被平均分配到两路槽线上；在模式转换的中心导体两侧开出逐渐变深的矩形槽，模式转换两侧金属导体逐渐张开，使槽线中的电磁场模式转换为人工表面等离激元模式，实现与上人工表面等离激元和下人工表面等离激元的匹配；设计模式转换的中心导体的宽度，使上人工表面等离激元和下人工表面等离激元的耦合小至可以忽略；上人工表面等离激元和下人工表面等离激元具有不同的色散特性曲线，两者的长度一样，在一些频段，可形成180度奇数倍的相位差，即可实现和波束；在另一些频段，可达到180度偶数倍的相位差，即可实现差波束；在和波束与差波束之间的频段，实现波束随频率的扫描。两列具备特定相位差的电磁波由上辐射段和下辐射段辐射到自由空间，在远场区域叠加形成端射的和波束、差波束，或者波束随频率扫描。
上人工表面等离激元和下人工表面等离激元的不对称也可以通过不同的上周期单元和下周期单元不同的结构现状、尺寸实现。
可以沿公用侧壁开槽、或者沿公用侧壁加载垂直金属屏蔽墙降低上人工表面等离激元和下人工表面等离激元的耦合。
本发明的工作频率根据上人工表面等离激元和下人工表面等离激元的色散曲线设计，其形式为相移常数随频率变化的函数。
有益效果：本发明的有益效果是：
(1)本发明提出了一种非对称双人工表面等离激元的和差波束天线，利用了两条不同色散曲线的人工表面等离激元传输线，实现了在不同频率下的和波束、差波束，以及波束随频率扫描功能；
(2)本发明利用了人工表面等离激元模式的色散特性，拓展了在天线设计中人工表面等离激元模式的思路；
(3)本发明实现了多频带工作，具备在人工表面等离激元工作频率范围内任两个或多个指定频点上实现端射的功能；
(4)本发明使用了共面波导馈电，便于连接到同轴连接线上，馈电简单损耗小、使用简单；
(5)本发明结构简单，便于低成本制作和实现。
附图说明
图1是本发明的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线的结构示意图。
图2是本发明实施例中上人工表面等离激元和下人工表面等离激元中、相移段的周期单元的结构示意图。
图3是本发明实施例中上人工表面等离激元和下人工表面等离激元相速关于频率的色散关系曲线图。
图4是本发明实施例提供的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线在端射方向上增益关于频率变化的示意图。
图5是本发明实施例提供的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线在各工作频率上的辐射方向性图。
图6是本发明实施例提供的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线的散射参数示意图。
图中有：介质基板1、过渡段2、馈电段21、渐变段22、模式转换段23、公用侧边30、上人工表面等离激元31、上相移段311、上辐射段312、上周期单元3111、下人工表面等离激元32、下相移段321、下辐射段322、下周期单元3211、金属导体4和金属化过孔5。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明。此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不能以具体实施例限定本发明。
本发明所采用的实施方案是：
该非对称双人工表面等离激元和差波束天线由介质基板1、以及在介质基板1上的共面波导到人工表面等离激元的过渡段2、上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32组成；介质基板1两面都有金属导体4，且对称分布在介质基板1的两面，由金属化过孔5连接；过渡段2由馈电段21、渐变段22、模式转换段23三部分组成；上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32共用一个公用侧边30，上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32结构上是一体的，但上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32传输的两个不同的模式，因此上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32是两个不同的人工表面等离激元；上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的长度一样；上人工表面等离激元31包括上相移段311和上辐射段312，上相移段311由多个上周期单元3111组成；下人工表面等离激元32有下相移段321和下辐射段322，下相移段321由多个下周期单元3211组成；上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32具有不同的色散特性曲线，使得上人工表面等离激元31的辐射场和下人工表面等离激元32的辐射场，在端射方向在不同的频率时，会交替呈现和波束以及差波束；当频率在和波束的频率与差波束的频率之间变化时，波束方向会围绕端射方向扫描。
所述馈电段21可以具有任意相位特性，对设计频带内的电磁波具有较小的反射系数。
所述的渐变段22将馈电结构输入的功率平均分为两部分。
所述的模式转换段23的两侧金属之间的开口逐渐张开，将电磁波由共面波导模式转变到人工表面等离激元模式。
所述的介质基板1两面金属导体4在其边缘由金属化过孔5相连。
所述的上周期单元3111的周期长度可以不同于下周期单元3211的周期长度。
利用两条人工表面等离激元传输线的不同色散曲线，在不同的频率实现和波束、差波束以及波束扫描。
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
为了表示和描述的清晰便捷，下面借助图1所示的一种以共面波导馈电的天线结构进行具体实施方式的描述，本发明并不限于此具体天线结构。
介质基板1两面为完全一致的金属导体4结构，通过金属化过孔5在金属边沿相连；馈电段21为一共面波导，渐变段22渐变张开，将共面波导的两条槽分为两路槽线，分别给上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32馈电，共面波导上输入的功率被平均分配到两路槽线上；在模式转换段23的中心导体两侧开出逐渐变深的矩形槽，模式转换段23两侧金属导体逐渐张开，使槽线中的电磁场模式转换为人工表面等离激元模式，实现与上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的匹配；设计模式转换段23的中心导体的宽度，使上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的耦合小至可以忽略；上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32具有不同的色散特性曲线，两者的长度一样，在一些频段，可形成180度奇数倍的相位差，即可实现和波束；在另一些频段，可达到180度偶数倍的相位差，即可实现差波束；在和波束与差波束之间的频段，实现波束随频率的扫描。两列具备特定相位差的电磁波由上辐射段312和下辐射段322辐射到自由空间，在远场区域叠加形成端射的和波束、差波束，或者波束随频率扫描。
上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的不对称也可以通过不同的上周期单元3111和下周期单元3211不同的结构形状、尺寸实现。
可以沿公用侧壁30开槽、或者沿公用侧壁30加载垂直金属屏蔽墙降低上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的耦合。
介质基板1正反两面的结构完全相同，金属边沿均由金属化过孔5连接，金属化过孔5之间的距离小于工作波长的十分之一，以保证金属化过孔5的阵列可以等效为没有电磁泄漏的金属墙。使用介电常数较大的介质基板可以在相同的尺寸下实现人工表面等离激元的更好的场束缚特性，本实施例中使用了相对介电常数为6.4的板材。
图3给出了本发明实施例中上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32相速关于频率的色散关系曲线图，该图中上周期单元的周期长度等于下周期单元的周期长度。
本发明的工作频率根据上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的色散曲线设计，其形式为相移常数随频率变化的函数。
下面给出和波束、差波束出现频点的计算方法：根据端射方向上的增益计算公式，
Figure BDA0002469642290000051
可以计算出在设计频点上采用的结构是否可以达到端射方向上的增益极大或极小值；其中G表示端射方向上的增益值，k1(f)为在频率为f时上人工表面等离激元31上电磁波的相移常数，k2(f)为在频率为f时下人工表面等离激元32上电磁波的相移常数，n1为上周期单元3111的个数，n2为下周期单元3211的个数，p1为上周期单元的周期长度，p2为下周期单元的周期长度，Ptotal为总的辐射功率，C为常数。根据公式求出的极值点：该函数在k1(f)·n1·p1与k2(f)·n2·p2的差为180度的整数倍数时可以取得极大或极小值，依据色散曲线k1(f)与k2(f)得到此时的频率值。通过仿真判断是否与设计一致，并依据此结果调整结构，使极值点出现在设计频率上。根据上述计算公式获得到达增益极大值、极小值，即和波束与差波束出现的频点。设计周期性单元的周期结构，获得特定的色散曲线k(f)，从而影响G(f)，使得在所需的频点上的辐射方向图和波束以及差波束方向图。
图4给出了本发明实施例的端射方向上增益关于频率变化的预测、仿真和实测结果，结果表明，该天线在设计频率上可以实现在端射方向上实现和波束、差波束。
图5给出了本发明实施例的在各工作频率上的实测辐射方向性图。结果表明，在5.5GHz实现了和波束，在6.1GHz实现了差波束，以及在6.6GHz实现了和波束的端射方向图。
图6给出了本发明实施例在各个工作频带内的散射参数。结果表明，阻抗带宽可以满足天线在各个和波束、差波束端射频带内工作。
本发明实施例中采用了本征模方法计算了上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的色散曲线；再通过电场与增益的关系获得端射方向上的远场增益关于频率变化的曲线，以此得到和波束、差波束出现的频率点。
本发明可以改变上人工表面等离激元31和下人工表面等离激元32的尺寸，来调整和差波束出现的频率，从而获得各设计频率上可实现对应的端射方向图。
在全波仿真软件中对天线的性能进行仿真并进行实物加工，验证了本发明设计的正确性；天线实现了和波束与差波束的端射方向图，并且最终可以在多个频带上实现和波束或差波束的端射辐射方向图。
根据以上所述，便可实现本发明。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的设计方法和原则之内的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非对称双人工表面等离激元的和差波束天线，其特征在于该天线包括介质基板(1)、以及在介质基板(1)上的过渡段(2)、上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)；介质基板(1)两面都有金属导体(4)，且对称分布在介质基板(1)的两面，由金属化过孔(5)连接；过渡段(2)包括顺序设置的馈电段(21)、渐变段(22)、模式转换段(23)三部分；上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)共用一个公用侧边（30），上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)结构上是一体的，但上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)传输的两个不同的模式；上人工表面等离激元(31)和下人工表面等离激元(32)的长度一样；上人工表面等离激元(31)包括上相移段(311)和上辐射段(312)，上相移段(311)由多个上周期单元(3111)组成；下人工表面等离激元(32)有下相移段(321)和下辐射段(322)，下相移段(321)由多个下周期单元(3211)组成；所述的上周期单元(3111)的周期长度不同于下周期单元(3211)的周期长度。
2.根据权利要求1所述的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线，其特征在于，所述馈电段（21）具有任意相位特性，其内边为曲线状，上下对称，对设计频带内的电磁波具有较小的反射系数。
3.根据权利要求1所述的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线，其特征在于所述的渐变段（22）其内边为曲线状，上下对称，将馈电结构输入的功率平均分为两部分。
4.根据权利要求1所述的非对称双人工表面等离激元的和差波束天线，其特征在于，所述的模式转换段（23）的内边为曲线状，上下对称，两侧金属之间的开口逐渐张开，将电磁波由共面波导模式转变到人工表面等离激元模式。
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