CN113193351A - 人工表面等离激元宽带毫米波端射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，包括介质基板，介质基板的上下两面分别形成介质基板顶面和介质基板底面，介质基板顶面设有接地金属部、槽线过渡段和人工表面等离激元辐射条带，接地金属部与人工表面等离激元辐射条带之间设有槽线过渡段，接地金属部设有两条L型槽线，L型槽线分别连接人工表面等离激元辐射条带，介质基板底面设有第一微带线、T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器；该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，使用单层金属的薄介质基片，具有剖面低、柔性可弯折的优点，具有高增益、宽带、波束高定向等优势，能够应用于毫米波频段。

Description

人工表面等离激元宽带毫米波端射天线
技术领域
本发明涉及一种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，属于天线技术领域。
背景技术
人工表面等离激元是在微波段或太赫兹波段等较低频段内、在特定周期结构表面激励起的一种特殊的电磁波模式。该模式具有高的横向束缚能力、短工作波长、低损耗、便于共型传输等特性，因而受到了广泛的关注。随着对人工表面等离激元研究的逐步深入，涌现出一系列基于人工表面等离激元设计的新型传输线及功能器件，如人工表面等离激元的端射天线等。
基于人工表面等离激元的端射天线是利用表面波进行辐射的一种天线，目前现有的基于人工表面等离激元的端射天线，如中国专利申请号CN201710623550.2公开的一种基于人工表面等离激元的端射天线，但是仍存在以下问题：
1)虽然在一定程度降低体积，但需要使用铜柱等部件，存在着剖面较高的问题；
2)由于使用开口谐振环设计，存在工作带宽窄的问题；
3)两行开口谐振环需拉开间距以实现辐射，若间距过小则难以辐射，存在着横向尺寸过大的问题；其原因在于，由于以传统单极子为馈源，无法在辐射条带上形成差分电场分布，因此必须要将两行人工表面等离激元辐射条带拉开较宽的距离，从而将电磁波辐射到空中，其效果上必然尺寸较大，且其天线的工作带宽较窄，若两条人工表面等离激元辐射条带的间距较窄，则电磁波被强束缚在金属表面，无法形成良好的辐射；
4)由于其天线由两行多个谐振单元组成，存在着设计复杂的问题。
上述问题是在毫米波端射天线的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，宽带、高增益，具有极低的剖面，可以应用于毫米波频段，解决现有技术中存在的剖面较高、工作带宽窄、横向尺寸过大、设计复杂等问题。
本发明的技术解决方案是：
一种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，包括介质基板，介质基板的上下两面分别形成介质基板顶面和介质基板底面，介质基板顶面设有接地金属部、槽线过渡段和人工表面等离激元辐射条带，接地金属部与人工表面等离激元辐射条带之间设有槽线过渡段，接地金属部设有两条L型槽线，L型槽线均连接人工表面等离激元辐射条带；介质基板底面设有第一微带线、T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器，接地金属部与第一微带线分别设于介质基板的同一端部的上下两面，第一微带线的一端是天线的馈电端口，第一微带线的另一端连接T型功分器的端部，T型功分器的另一端部两侧分别通过第二微带线连接二阶阶跃阻抗变换器，两个二阶阶跃阻抗变换器与介质基板顶面的两条L型槽线分别耦合，再经由槽线过渡段对人工表面等离激元辐射条带进行馈电。
进一步地，人工表面等离激元辐射条带以纵向中轴线对称设置，人工表面等离激元辐射条带包括人工表面等离激元过渡段和锯齿形沟槽段，人工表面等离激元过渡段设于槽线过渡段和锯齿形沟槽段间。
进一步地，锯齿形沟槽段的两侧对称设有周期、开槽深度与宽度均相同的锯齿形沟槽。
进一步地，人工表面等离激元过渡段的两侧开槽，且两侧开槽深度均由远锯齿形沟槽端向近锯齿形沟槽端递增。
进一步地，通过T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器对介质基板顶面的两条同向的L型槽线进行耦合馈电，再经由槽线过渡段和人工表面等离激元过渡段构成的过渡结构，实现人工表面等离激元辐射条带两侧电磁波的同相馈电。
进一步地，二阶阶跃阻抗变换器包括一阶低阻抗四分之一波长微带线和二阶高阻抗四分之一波长微带线。
进一步地，第一微带线和第二微带线均采用50ohm微带线，且第二微带线采用90度弯折的微带线。
进一步地，通过调节人工表面等离激元辐射条带的锯齿形沟槽段的开槽深度，实现调控人工表面等离激元辐射条带的色散曲线，从而实现调节天线的工作频率和带宽：在锯齿形沟槽段的开槽深度加深时，该天线的工作频率降低，带宽变窄；在锯齿形沟槽段的开槽深度减小时，该天线的工作频率增高，带宽变宽。
进一步地，通过调节人工表面等离激元辐射条带的长度，实现调节天线的电长度，从而调节天线波束宽度和增益特性：在人工表面等离激元辐射条带的长度加长时，该天线的波束宽度变窄，增益提高；在人工表面等离激元辐射条带的长度变短时，该天线波束宽度变宽，增益降低。
进一步地，通过调节人工表面等离激元辐射条带的宽度，实现调节天线波束宽度：在人工表面等离激元辐射条带的宽度加大时，该天线波束宽度变宽；在人工表面等离激元辐射条带的宽度变窄，该天线波束宽度变窄。
本发明的有益效果是：
一、该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，具有剖面低、柔性可弯折、宽带带宽、高定向性、高增益，且横向尺寸较小，结构简洁的优点；解决了现有基于人工表面等离激元的端射天线存在的剖面高、横向尺寸大、带宽窄、设计复杂等问题，能够应用于毫米波频段。
二、该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，通过采用T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器组成馈电网络，实现天线的宽带带宽。
三、该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，通过采用L型槽线、槽线过渡段和人工表面等离激元过渡段构成的过渡结构，完成人工表面等离激元辐射条带两侧电磁波的同相馈电，在人工表面等离激元辐射条带两侧形成差分电场，从而实现了端射方向的高定向性辐射。
四、本发明的该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，利用轴对称设置的人工表面等离激元辐射条带，能够实现端射天线的高增益辐射，且横向尺寸较小。
附图说明
图1是本发明实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的结构示意图；
图2是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的底面结构示意图；
图3是图2中A的局部放大示意图。
图4是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的顶面结构示意图。
图5是图4中B的局部放大示意图。
图6是图4中C的局部放大示意图。
图7是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的仿真与实测S参数示意图。
图8是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的30G方向图示意图，其中，图8(a)是E面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图8(b)是H面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
图9是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的36G方向图示意图，其中，图9(a)是E面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图9(b)是H面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
图10是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的42G方向图示意图；其中，图10(a)是E面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图10(b)是H面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
图11是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的48G方向图示意图，其中，图11(a)是E面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图11(b)是H面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
图12是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的仿真和实测增益和效率示意图。
其中：11-介质基板顶面，12-接地金属部，13-L型槽线，14-槽线过渡段，15-人工表面等离激元辐射条带；
151-人工表面等离激元过渡段，152-锯齿形沟槽段；
21-介质基板底面，22-第一微带线，23-T型功分器，24-第二微带线，25-二阶阶跃阻抗变换器；
251-一阶低阻抗四分之一波长微带线，252-二阶高阻抗四分之一波长微带线。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，如图1、图2和图4，包括介质基板，介质基板的上下两面分别形成介质基板顶面11和介质基板底面21。
如图1和图4，介质基板顶面11设有接地金属部12、槽线过渡段14和人工表面等离激元辐射条带15，接地金属部12与人工表面等离激元辐射条带15之间设有槽线过渡段14，接地金属部12设有两条L型槽线13，L型槽线13均连接人工表面等离激元辐射条带15；
如图2，介质基板底面21设有第一微带线22、T型功分器23和两个二阶阶跃阻抗变换器25，接地金属部12设置在介质基板底面21的第一微带线22的接地端，即接地金属部12与第一微带线22分别设于介质基板的同一端部的上下两面，介质基板底面21的第一微带线22的一端是天线的馈电端口，第一微带线22的另一端连接T型功分器23的端部，T型功分器23的另一端部两侧随后分别通过第二微带线24连接二阶阶跃阻抗变换器25，两个二阶阶跃阻抗变换器25与介质基板顶面11的两条L型槽线13分别耦合，再经由槽线过渡段14对人工表面等离激元辐射条带15进行馈电。
该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，具有剖面低、柔性可弯折、宽带带宽、高定向性、高增益，且横向尺寸较小，结构简洁的优点；解决了现有基于人工表面等离激元的端射天线存在的剖面高、横向尺寸大、带宽窄、设计复杂等问题，能够应用于毫米波频段。
该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，通过采用T型功分器23、两个第二微带线24和两个二阶阶跃阻抗变换器25组成馈电网络，能够实现天线的宽带带宽，并能够通过调节T型功分器23、二阶阶跃阻抗变换器25和两条L型槽线13的长度，实现调节天线的工作频带。该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，通过采用L型槽线13、槽线过渡段14和人工表面等离激元过渡段15构成的过渡结构，完成人工表面等离激元辐射条带15两侧电磁波的同相馈电，通过人工表面等离激元辐射条带15两侧电磁波的差分电场辐射，从而实现了端射方向的高定向性辐射。
图4中，虚线为人工表面等离激元辐射条带15的纵向中轴线。如图4，人工表面等离激元辐射条带15以纵向中轴线对称设置，人工表面等离激元辐射条带15包括人工表面等离激元过渡段151和锯齿形沟槽段152，人工表面等离激元过渡段151设于槽线过渡段14和锯齿形沟槽段152间。通过采用轴对称设置的人工表面等离激元辐射条带15，能够实现端射天线的高增益辐射，且横向尺寸较小。人工表面等离激元辐射条带15为单条带，以自身纵向中轴线做镜像对称，尺寸小、占用金属面积小、结构简单易实现。
如图4和图6，锯齿形沟槽段的两侧对称设有周期、开槽深度与宽度均相同的锯齿形沟槽。通过采用轴对称的单个人工表面等离激元辐射条带结构，实现了端射辐射。如图4和图5，人工表面等离激元过渡段的两侧开槽，且两侧开槽深度均由远锯齿形沟槽端向近锯齿形沟槽端递增，该渐进过渡设计有效实现了电磁波转换过程中的阻抗匹配与动量匹配，保证了天线的宽带和高增益性能优势。
如图2和图4，通过T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器对介质基板顶面的两条同向的L型槽线进行耦合馈电，再经由槽线过渡段和人工表面等离激元过渡段构成的过渡结构，实现人工表面等离激元辐射条带两侧电磁波的同相馈电，能够增强天线的端射定向性。通过采用微带转槽线的馈电方式，利用槽线的同相位馈电，形成了辐射条带上的差分电场分布，使得电磁波高效辐射。
如图3，二阶阶跃阻抗变换器25包括一阶低阻抗四分之一波长微带线251和二阶高阻抗四分之一波长微带线252。该过渡实现了电磁波由横电磁波模式向人工表面等离激元模式的平滑过渡，在实现阻抗匹配和动量匹配的同时，实现了宽带的效果。
第一微带线22和第二微带线24均采用50ohm微带线，且第二微带线24采用90度弯折的微带线。该结构实现了电磁波的同相分流，并易于与其他平面电路有效集成。
实施例中，通过调节人工表面等离激元辐射条带的锯齿形沟槽段的开槽深度，实现调控人工表面等离激元辐射条带的色散曲线，从而实现调节天线的工作频率和带宽：在锯齿形沟槽段的开槽深度加深时，该天线的工作频率降低，带宽变窄；在锯齿形沟槽段的开槽深度减小时，该天线的工作频率增高，带宽变宽。
实施例中，通过调节人工表面等离激元辐射条带的长度，实现调节天线的电长度，从而调节天线波束宽度和增益特性：在人工表面等离激元辐射条带的长度加长时，该天线的波束宽度变窄，增益提高；在人工表面等离激元辐射条带的长度变短时，该天线波束宽度变宽，增益降低。
实施例中，通过调节人工表面等离激元辐射条带的宽度，实现调节天线波束宽度：在人工表面等离激元辐射条带的宽度加大时，该天线波束宽度变宽；在人工表面等离激元辐射条带的宽度变窄，该天线波束宽度变窄。
实施例中，在制造上，人工表面等离激元宽带毫米波端射天线可以采用平面印刷电路板(PCB)工艺制作，也可以采用芯片工艺、高温共烧陶瓷(HTCC)或低温共烧陶瓷(LTCC)等工艺制作。
该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，与现有人工表面等离激元端射天线的区别，从结构上的区别，现有天线的辐射结构主要采用非对称结构，该天线为对称结构；从原理实现上的区别，人工表面等离激元因具有局域化场增强能力，而使得电磁波被强束缚在传输线周围。若使得人工表面等离激元波转换为空间波辐射，需要电场在辐射条带上形成差分分布。因此，传统的人工表面等离激元端射天线均采用非对称结构形成差分电场。本发明采用了微带转槽线的馈电方式，巧妙地利用槽线形成了辐射条带上的差分电场分布，使得电磁波高效辐射，并在宽带频带内形成端射辐射。
该种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，使用单层金属的薄介质基片，剖面低、柔性可弯折，其形成的端射波束，不会因为非对称结构而上翘，最终形成了具有高增益、宽带带宽、高定向性、高效辐射的端射波束。
实施例的仿真和实测验证结果如下：
图7是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的S参数图，该天线有30-50GHz的工作带宽，相对带宽为50％，由图7结果可知，相对现有天线通常具有相对带宽为18％-22.2％，实施例天线的相对带宽得到较大的提高。
图8、图9、图10和图11分别是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线的30G、36G、42G、48G的方向图，随频率增加，方向图的波束宽度减小，该天线的定向性增加，具有高定向性。
图12是实施例人工表面等离激元宽带毫米波端射天线在30-50GHz频段内每隔1G取点得到的增益和辐射效率，该天线具有16dBi的最高增益，平均辐射效率为98％，具有高增益和高辐射效率。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，包括介质基板，介质基板的上下两面分别形成介质基板顶面和介质基板底面，其特征在于：介质基板顶面设有接地金属部、槽线过渡段和人工表面等离激元辐射条带，接地金属部与人工表面等离激元辐射条带之间设有槽线过渡段，接地金属部设有两条L型槽线，L型槽线分别通过槽线过渡段连接人工表面等离激元辐射条带；介质基板底面设有第一微带线、T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器，接地金属部与第一微带线分别设于介质基板的同一端部的上下两面，第一微带线的一端是天线的馈电端口，第一微带线的另一端连接T型功分器的端部，T型功分器的另一端部两侧分别通过第二微带线连接二阶阶跃阻抗变换器，两个二阶阶跃阻抗变换器与介质基板顶面的两条L型槽线分别耦合，再经由槽线过渡段对人工表面等离激元辐射条带进行馈电。
2.如权利要求1所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：人工表面等离激元辐射条带以纵向中轴线对称设置，人工表面等离激元辐射条带包括人工表面等离激元过渡段和锯齿形沟槽段，人工表面等离激元过渡段设于槽线过渡段和锯齿形沟槽段间。
3.如权利要求2所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：锯齿形沟槽段的两侧对称设有周期、开槽深度与宽度均相同的锯齿形沟槽。
4.如权利要求2所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：人工表面等离激元过渡段的两侧开槽，且两侧开槽深度均由远锯齿形沟槽端向近锯齿形沟槽端递增。
5.如权利要求2所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：通过T型功分器、两个第二微带线和两个二阶阶跃阻抗变换器对介质基板顶面的两条同向的L型槽线进行耦合馈电，再经由槽线过渡段和人工表面等离激元过渡段构成的过渡结构，实现人工表面等离激元辐射条带两侧电磁波的同相馈电。
6.如权利要求1-5任一项所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：二阶阶跃阻抗变换器包括一阶低阻抗四分之一波长微带线和二阶高阻抗四分之一波长微带线。
7.如权利要求1-5任一项所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：第一微带线和第二微带线均采用50ohm微带线，且第二微带线采用90度弯折的微带线。
8.如权利要求1-5任一项所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：通过调节人工表面等离激元辐射条带的锯齿形沟槽段的开槽深度，实现调控人工表面等离激元辐射条带的色散曲线，从而实现调节天线的工作频率和带宽：在锯齿形沟槽段的开槽深度加深时，该天线的工作频率降低，带宽变窄；在锯齿形沟槽段的开槽深度减小时，该天线的工作频率增高，带宽变宽。
9.如权利要求1-5任一项所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：通过调节人工表面等离激元辐射条带的长度，实现调节天线的电长度，从而调节天线波束宽度和增益特性：在人工表面等离激元辐射条带的长度加长时，该天线的波束宽度变窄，增益提高；在人工表面等离激元辐射条带的长度变短时，该天线波束宽度变宽，增益降低。
10.如权利要求1-5任一项所述的人工表面等离激元宽带毫米波端射天线，其特征在于：通过调节人工表面等离激元辐射条带的宽度，实现调节天线波束宽度：在人工表面等离激元辐射条带的宽度加大时，该天线波束宽度变宽；在人工表面等离激元辐射条带的宽度变窄，该天线波束宽度变窄。
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