CN111916908B - 基于人工表面等离激元水平全向频率扫描天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，旨在实现天线的水平全向波束扫描辐射特性，包括介质板、馈电单元、模式转换单元、高频辐射单元和低频辐射单元；馈电单元包括印制在介质板上下表面的金属导带和地板；模式转换单元包括印制在介质板上下表面的渐变金属导带和地板；高频辐射单元包括印制在介质板上下表面的旋转对称的人工表面等离激元，人工表面等离激元采用两侧边蚀刻周期性排布且相互交错的n个等宽矩形槽的微带结构，每个侧边蚀刻的槽深从中点到两端逐渐减小；低频辐射单元包括介质板上下表面分别印制的渐变微带线。本发明实现了频率扫描天线的水平全向波束扫描，易于实现平面化集成，可用于雷达等无线通信系统中。

Description

基于人工表面等离激元水平全向频率扫描天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种频率扫描天线，具体涉及一种基于人工表面等离激元水平全向频率扫描天线，可用于雷达卫星等无线通信系统。
背景技术
小型化、宽带化是天线恒定不变的指标，如今大量的场合需要天线拥有波束扫描功能。波束扫描有电控扫描和机械扫描两种方式，传统的机械扫描需要天线本体运动，而天线速度慢，结构复杂且体积较大，已经远远无法满足雷达探测和卫星通信等无线通信领域要求快速波束扫描的需求。而电控扫描天线波束不需要天线本体运动，通过改变馈电相位即可改变辐射特性，指向灵活、迅速、数据率高、波束扫描时间短，并可同时实现识别、搜索、跟踪、无源探测和制导等多种功能，缺点是结构复杂且成本高。
作为电控扫描天线的一种，频率扫描天线是波束指向角随工作频率的改变而有规律地大范围改变的天线，简称频扫天线。频率扫描天线具有增益高、低副瓣、宽角扫描、成本低、结构简单等优点。近年来被广泛应用于低空搜索雷达、地面警戒雷达、卫星通信等领域。现有的单频段频率扫描天线大致分为漏波天线和频率扫描阵列天线两种形式。漏波天线主要以波导隙缝的形式实现，其结构简单、效率高，但是体积较大，加工精度要求较高，并且扫描角度受到限制，通常无法实现大角度扫描。频率扫描阵列天线能够实现较大的波束扫描，但对馈电网络设计要求高，且体积较大，带宽窄。表面等离激元(简称SPPs)天线是一种新兴的频率扫描天线，因其结构特点产生的开阻带效应，可以产生处于低频和高频的两个工作频段，这种天线结构简单，效率高，带宽大，但其设计难度大，设计周期长。
例如，申请公布号为，CN110071364A，名称为“一种双频段频率扫描天线”的专利申请，公开了一种双频段频率扫描天线，包括介质基板、两个馈电结构、两个模式转换结构和辐射结构，一个馈电结构、一个模式转换结构、辐射结构、另一个馈电结构和另一个模式转换结构依次设置于介质基板上、且相互电性连通，两个模式转换结构沿介质基板的第一中心线对称设置，两个馈电结构沿介质基板的第一中心线对称设置。该天线通过。该天线的辐射结构中的人工表面等离激元可以辐射高频能量和传输低频能量，并对圆形辐射贴片进行耦合侧馈，圆形贴片耦合低频能量并以圆形微带模式工作，将低频能量辐射到空间中，从而实现了天线的两个工作频段。该天线工作在2.8-7.3GHz和13.7-27.4GHz两个频段范围内，并且在两个工作频段内均能够独立实现大范围的波束扫描，在低频随频率变化天线的波束指向从-21.5°偏转至43.1°，实现了64.6°的波束偏转角，在低频随频率变化天线的波束指向从-47.3°偏转至22.5°，实现了69.8°的波束偏转角，波束总扫描范围为180.8°。该天线虽然实现了平面化设计，且实现大范围波束扫描，但由人工表面等离激元的辐射特点，只能实现人工表面等离激元两侧的波束扫描范围覆盖，不能实现馈电端和匹配负载侧的波束扫描范围覆盖，且天线需要安装造价昂贵的毫米波匹配负载，不利于平面化集成。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种基于人工表面等离激元双频段水平全向频率扫描天线，旨在实现天线的水平全向波束扫描辐射特性。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
基于人工表面等离激元水平全向频率扫描天线，包括介质板1以及介质板上层刻蚀的馈电单元2、模式转换单元3、高频辐射单元4和低频辐射单元5；
所述介质板1，其板面形状为长方形，该介质板1的下表面位于O-XYZ坐标系的XOY平面内，其中心法线与Z轴重合,A和A'分别为介质板1短边所在侧面的中心；
所述馈电单元2，包括印制在介质板1上表面的金属导带21和下表面的金属地板22；
所述模式转换单元3，包括印制在介质板1上表面的渐变金属导带31和下表面的位于渐变金属导带31投影位置的渐变金属地板32；所述渐变金属导带31和渐变金属地板32的长度相等，所渐变金属导带31的宽度从输入端到输出端线性增大，所述渐变金属地板32的宽度从输入端到输出端线性减小；
所述高频辐射单元4，采用微带双线结构，包括介质板1上表面和下表面分别印制的人工表面等离激元41，下表面的人工表面等离激元41位于上表面的人工表面等离激元41的投影位置；所述人工表面等离激元41，采用在线性微带的两个侧边蚀刻有周期性排布且相互交错的n个等宽矩形槽结构，n≥3，每个侧边上蚀刻的n个矩形槽的深度从中点到两端逐渐减小，且下表面的人工表面等离激元41与上表面的人工表面等离激元41关于介质板1短边所在侧面中心的连线AA'旋转对称；
所述低频辐射单元5，采用微带双线结构，包括介质板1上表面和下表面分别印制的渐变微带线51，所述渐变微带线51采用输入端指向开路端的宽度呈指数型增大且其两个侧边同向弯曲的曲面结构，位于上表面的渐变微带线51向Y轴正向弯曲，位于下表面的渐变微带线51向Y轴负向弯曲，且下表面的渐变微带线51与位于上表面的渐变微带线51关于介质板1短边所在侧面中心的连线AA'旋转对称；所述渐变微带线51两个侧边中短边上每个点的坐标位置(x1,y1)和长边上每个点的坐标位置(x2,y2)分别满足函数y1＝f(x1)和y2＝f(x2)：
f(x1)＝0.419exp(0.14((x1-L3/2-W3)-1))+W2/2
f(x2)＝0.606exp(0.14(x2-L3/2)-1)-W2/2
其中，W2和L3分别表示人工表面等离激元41的宽度和长度，W3表示渐变微带线51开路端的宽度，exp表示以自然函数为底的指数函数；
所述人工表面等离激元41的输出端与渐变微带线51的输入端相连，介质板1上表面的人工表面等离激元41的输入端与渐变金属导带31的输出端相连，渐变金属导带31的输入端与金属导带21相连，介质板1下表面的人工表面等离激元41的输入端与渐变金属地板32的输出端相连，渐变金属地板32的输入端与金属地板22相连。
上述基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，所述渐变金属地板32输入端和输出端中点的连线，以及渐变金属导带31输入端和输出端中点的连线，位于XOZ平面上。
上述基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，所述人工表面等离激元41输入端和输出端中点的连线，位于XOZ平面上，该人工表面等离激元41侧边上蚀刻的矩形槽的槽宽和槽深分别为s和h，s＝p/2，h＜W2/2，W2表示矩形槽的宽度，p表示相邻矩形槽之间的距离。
上述基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，所述渐变微带线51的输入端横截面的中点位于位于XOZ平面上。
上述基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，所述人工表面等离激元41，其输入端的宽度与渐变金属导带31以及渐变金属地板32输出端的宽度相等，输出端的宽度与渐变微带线51输入端的宽度相等。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明采用的高频辐射单元，包括介质板上下表面印制的两条旋转对称的人工表面等离激元，人工表面等离激元采用在线性微带的两个侧边蚀刻有周期性排布且相互交错的n个等宽矩形槽结构，每个侧边上蚀刻的n个矩形槽的深度从中点到两端逐渐减小，产生的开阻带效应，产生处于低频和高频的两个工作频段，且天线工作在高频时，人工表面等离激元对天线馈电和两侧进行波束扫描；通过设计渐变微带线结构，其输入端与人工表面等离激元的输出端连接，天线工作在低频时，渐变微带线产生能量传输方向的定向宽波束以弥补人工表面等离激元的辐射盲区；天线随工作频率变化，实现水平全向波束扫描。
2.本发明采用的低频辐射单元，包括印制介质板上下表面分别的渐变微带线，其输入端与人工表面等离激元的输出端连接，实现天线的阻抗匹配，易于实现平面化集成，减小天线加工成本。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2(a)为本发明中的金属导带和渐变金属导带示意图；
图2(b)为本发明中的金属地板和渐变金属地板示意图；
图3为本发明中的人工表面等离激元示意图；
图4为本发明中的渐变微带线示意图；
图5为本发明反射系数S11的仿真结果图；
图6为本发明在低频段的辐射方向图。
图7为本发明在高频段的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明：
参见图1，本发明包括介质基板1、馈电单元2、模式转换单元3、高频辐射单元4和低频辐射单元5。
所述介质板1，其板面形状为长方形，该介质板1的下表面位于O-XYZ坐标系的XOY平面内，其中心法线与Z轴重合,A和A'分别为介质板1短边所在侧面的中心；
所述介质板1采用介电常数εr＝3.5的F4B材料，介质板长度L＝265mm，宽度W＝60mm，厚度t＝50mm；
所述馈电单元2，包括印制在介质板1的上表面金属导带21和的下表面金属地板22；模式转换单元3，包括印制在介质板1上表面的渐变金属导带31和下表面的渐变金属地板32；
所述馈电单元2的输出端与模式转换单元3的输入端相连，高频辐射单元4的输入端与模式转换单元3的输出端连接，其输出端与低频辐射单元5的输入端连接；馈电单元2作为天线的激励端口，用于连接射频激励信号；模式转换单元3，作为馈电部分和辐射结构的过渡结构，保证馈电单元与辐射单元输入端口的阻抗匹配；高频辐射单元4用以辐射高频电磁波；低频辐射单元5用以辐射低频电磁波和实现阻抗匹配。
参见图2(a)和(b)中，印制在介质板1的上表面金属导带21和的下表面金属地板22，金属导带21输入端和输出端中点的连线位于XOZ面上，金属地板22位于金属导带21的投影位置。金属导带21的宽度W0＝1.11mm，长度为L1＝5mm。下表面金属地板的宽度W1＝20mm，长度L1＝5mm。
参见图2(a)和(b)中，印制在介质板1上表面的渐变金属导带31和下表面的渐变金属地板32，渐变金属导带31输入端和输出端中点的连线位于XOZ面上，渐变金属地板32位于渐变金属导带31的投影位置。渐变金属导带31的长度L2＝40mm，宽度从输入端到输出端线性增大，左侧宽度W0＝1.11mm，右侧宽度W2＝5mm。渐变金属地板32长度L2＝40mm，宽度从输入端到输出端线性减小，左侧宽度W1＝20mm，右侧宽度W2＝5mm。渐变金属导带31和渐变金属地板32将微带线的TM主模转换为人工表面等离激元的工作模式，实现天线辐射单元输入端的阻抗匹配，提高天线的辐射效率。
参见图3中，分别印制在介质板1上表面和下表面的人工表面等离激元41。上表面的人工表面等离激元41输入端和输出端中点的连线位于XOZ面上，下表面的人工表面等离激元41位于上表面的人工表面等离激元41的投影位置，且人工等离激元传输线41关于介质板1短边所在侧面中心的连线AA'旋转对称。共包含n＝20mm个辐射单元，辐射结构整体长度L3＝140mm。人工表面等离激元41，是在宽W2＝5mm的金属导带上每隔p/2在上下两侧交替开宽为s＝3.5mm的矩形槽，形成长度为p＝7mm的结构单元，其结构中心对称点向输入端和输出端的第i个矩形槽的槽深为h＝(2.53-0.23i)mm。人工表面等离激元41两侧边交错开槽的结构特点，拥有快波和慢波两种工作模式，人工表面等离激元41工作在慢波模式时将低频段的电磁能量传输到低频渐变微带线51；人工表面等离激元41工作在快波模式时将高频段的电磁能量在传输过程中辐射出去，并随频率升高，辐射波束从X轴负向水平偏移到X轴两侧的方向，实现X轴负向和同时向X轴两侧的波束扫描范围覆盖。
参见图4中，分别印制在介质板1上表面和下表面的渐变微带线51，所述渐变微带线51采用输入端指向开路端的宽度呈指数型增大且其两个侧边同向弯曲的曲面结构，位于上表面的渐变微带线51向Y轴正向弯曲，位于下表面的渐变微带线51向Y轴负向弯曲，且下表面的渐变微带线51与位于上表面的渐变微带线51关于介质板1短边所在侧面中心的连线AA'旋转对称。渐变微带线51的宽度从输入端到开路端指数增大，输入端宽度W2＝5mm，开路端宽度为W3＝50mm。渐变微带线51两个侧边中短边上每个点的坐标位置(x1,y1)和长边上每个点的坐标位置(x2,y2)分别满足函数y1＝f(x1)和y2＝f(x2)：
f(x1)＝0.419exp(0.14((x1-L3/2-W3)-1))+W2/2
f(x2)＝0.606exp(0.14(x2-L3/2)-1)-W2/2
其中，exp表示以自然函数为底的指数函数；
渐变微带线51通过将上表面和下表面的金属导带往两侧相反方向弯折的方式，可以将从人工表面等离激元接收到的低频电磁能量沿着X轴正向定向辐射。
本发明的工作原理如下：
本发明通过微带馈电对天线进行馈电，为了实现更好的电磁能量传输，以模式转换单元3作为过渡结构，将微带线的传输主模转换为人工表面等离激元的传输模式，实现高频辐射单元4输入端的阻抗匹配，提高天线辐射效率；人工表面等离激元41两侧边交错开槽的结构，使天线拥有慢波和快波两种工作模式，分别工作于低频和高频的两个工作频段：参考图1坐标系，天线工作在快波模式时，高频电磁能量在人工表面等离激元41传输过程中辐射出去，并随频率升高，辐射波束从X轴负向水平偏移到X轴两侧的方向，实现X轴负向和同时向X轴两侧的波束扫描范围覆盖，如图7所示；参考图1坐标系，天线工作在慢波模式时将低频段的电磁能量传输到渐变微带线51，渐变微带线51通过将上表面和下表面的金属导带往两侧相反方向弯折的方式，将从人工表面等离激元接收到的低频电磁能量沿着X轴正向定向辐射，如图6所示；天线对低频段和高频段进行频率扫描，实现辐射波束从X轴正向、负向和两侧扫描范围覆盖，从而实现水平全向的波束扫描；解决了现有频率扫描天线不能实现水平全向波束扫描的问题。
本发明的效果可结合仿真结果作进一步说明：
1、仿真内容
1.1利用商业化电磁仿真软件CST2019对本发明实施例在同轴馈电情况下，天线的反射系数S11进行仿真计算，结果如图5所示。
1.2利用商业化电磁仿真软件CST2019对本发明实施例在同轴馈电情况下，天线在频率为6GHz、8GHz和10GHz时水平面的辐射方向图增益进行仿真计算，结果图6所示。
1.3利用商业化电磁仿真软件CST2019对本发明实施例在同轴馈电情况下，天线在频率为13GHz、18GHz、23GHz、28GHz和33GHz时水平面的辐射方向图增益进行仿真计算，结果图7所示。
2、仿真结果
参见图5，图中横坐标为频率，单位为GHz，范围为从0GHz到40GHz，纵坐标为S11参数幅度的分贝值，单位为dB，范围为-55dB—0dB。S11在6-10GHz和12-36GHz频段范围内均小于-10dB，天线在上述两个频段内都能够正常工作。
参见图6，为天线在频率为6Ghz、8Ghz、10Ghz的方向图。可以看出随频率变化，天线的波束指向始终为0°，波束宽度从-31°到30°，实现了61°的波束覆盖范围，并且增益变化范围为6.88-8.34dBi，表明天线在低频工作频段具有定向波束指向和稳定的增益的能力。
参见图7，为天线在频率为13GHz、18GHz、23GHz、28GHz和33GHz的方向图，可以看出随着频率的变化，天线两侧的波束覆盖从-29°偏转至-180°和24°偏转至180°，能够实现307°的波束覆盖范围，增益变化范围为8.77-16.8dBi，表明天线在高频工作频段具有大范围波束扫描和稳定的高增益的能力。
仿真结果得出，天线在6-10GHz和12-36GHz两个频段范围内，实现水平全向的波束扫描。
综上，本发明所提出的基于人工表面等离激元水平全向频率扫描天线，解决了传统频率扫描天线不能实现水平全向波束扫描的问题，并且体积小，成本低，有利于平面集成化设计。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，其特征在于,包括介质板(1)、馈电单元(2)、模式转换单元(3)、高频辐射单元(4)和低频辐射单元(5)，其中：
所述介质板(1)，其板面形状为长方形，该介质板(1)的下表面位于O-XYZ坐标系的XOY平面内，其中心法线与Z轴重合；
所述馈电单元(2)，包括印制在介质板(1)上表面的金属导带(21)和下表面的金属地板(22)；
所述模式转换单元(3)，包括印制在介质板(1)上表面的渐变金属导带(31)和下表面的位于渐变金属导带(31)投影位置的渐变金属地板(32)；所述渐变金属导带(31)和渐变金属地板(32)的长度相等，所述渐变金属导带(31)的宽度从输入端到输出端线性增大，所述渐变金属地板(32)的宽度从输入端到输出端线性减小；
所述高频辐射单元(4)，采用微带双线结构，包括介质板(1)上表面和下表面分别印制的人工表面等离激元(41)，下表面的人工表面等离激元(41)位于上表面的人工表面等离激元(41)的投影位置；所述人工表面等离激元(41)，采用在线性微带的两个侧边蚀刻有周期性排布且相互交错的n个等宽矩形槽结构，n≥3，每个侧边上蚀刻的n个矩形槽的深度从中点到两端逐渐减小，且下表面的人工表面等离激元(41)与上表面的人工表面等离激元(41)关于介质板(1)短边所在侧面中心的连线AA'旋转对称；
所述低频辐射单元(5)，采用微带双线结构，包括介质板(1)上表面和下表面分别印制的渐变微带线(51)，所述渐变微带线(51)采用输入端指向开路端的宽度呈指数型增大且其两个侧边同向弯曲的曲面结构，位于上表面的渐变微带线(51)向Y轴正向弯曲，位于下表面的渐变微带线(51)向Y轴负向弯曲，且下表面的渐变微带线(51)与位于上表面的渐变微带线(51)关于介质板(1)短边所在侧面中心的连线AA'旋转对称；所述渐变微带线(51)两个侧边中短边上每个点的坐标位置(x1,y1)和长边上每个点的坐标位置(x2,y2)分别满足函数y1＝f(x1)和y2＝f(x2)：
f(x1)＝0.419exp(0.14((x1-L3/2-W3)-1))+W2/2
f(x2)＝0.606exp(0.14(x2-L3/2)-1)-W2/2
其中，W2和L3分别表示人工表面等离激元(41)的宽度和长度，W3表示渐变微带线(51)开路端的宽度，exp表示以自然函数为底的指数函数；
所述人工表面等离激元(41)的输出端与渐变微带线(51)的输入端相连，介质板(1)上表面的人工表面等离激元(41)的输入端与渐变金属导带(31)的输出端相连，渐变金属导带(31)的输入端与金属导带(21)相连，介质板(1)下表面的人工表面等离激元(41)的输入端与渐变金属地板(32)的输出端相连，渐变金属地板(32)的输入端与金属地板(22)相连。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，其特征在于，所述渐变金属地板(32)输入端和输出端中点的连线，以及渐变金属导带(31)输入端和输出端中点的连线，位于XOZ平面上。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，其特征在于，所述人工表面等离激元(41)输入端和输出端中点的连线，位于XOZ平面上，该人工表面等离激元(41)侧边上蚀刻的矩形槽的槽宽和槽深分别为s和h，s＝p/2，h＜W2/2，p表示相邻矩形槽之间的距离。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，其特征在于，所述渐变微带线(51)的输入端横截面的中点位于XOZ平面上。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的水平全向频率扫描天线，其特征在于，所述人工表面等离激元(41)，其输入端的宽度与渐变金属导带(31)以及渐变金属地板(32)输出端的宽度相等，输出端的宽度与渐变微带线(51)输入端的宽度相等。
CN202010861163.4A 2020-08-25 2020-08-25 基于人工表面等离激元水平全向频率扫描天线 Active CN111916908B (zh)

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