CN113285229A - 基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线 - Google Patents

基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，包括介质基板和微带线，微带线设于介质基板的上表面，还包括包边金属覆层和磁引向器，介质基板的上表面设有上金属传输线、上电偶极子和上电引向器，包边金属覆层环绕介质基板，包边金属覆层的顶端一侧连接微带线，包边金属覆层的顶端另一侧形成磁偶极子并连接上金属传输线，上金属传输线的两侧分别设有磁引向器，介质基板的下表面设有下金属传输线、下电偶极子和下电引向器，上金属传输线和下金属传输线分别采用人工表面等离子激元传输线；能使得端射圆极化天线的增益获得显著提高，解决了端射天线应用时圆极化增益较低的问题，且辐射定向性良好。

Description

基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线
技术领域
本发明涉及一种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，属于微波天线领域。
背景技术
无线通信的研究尤其是对于国防军工领域，对电磁波衰减的要求越来越严格，而圆极化波抗衰减能力较强，所以大量采用圆极化天线作为通信的载体，而边射的圆极化天线增益较端射低，因此端射圆极化天线具有很高的研究价值。
通信信号的强度用天线的增益来衡量，即使端射天线已经具有相当高的增益，但是追求更高的增益是非常有必要的，这对于远距离传输意义重大，所以对端射天线的增益研究也越来越多。
近年来，对端射高增益天线和端射圆极化天线的研究愈发增加，但是很少出现关于端射圆极化天线增益提高的研究，而这部分的需求通过上述分析可以看到是很明显的，所以在端射圆极化的基础上研究增益的提高是具有价值的。
上述问题是在高增益端射圆极化天线的设计与研发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基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，能使得端射圆极化天线的增益获得显著提高，解决现有技术中存在的端射天线应用时圆极化增益较低的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，包括介质基板和微带线，微带线设于介质基板的上表面，还包括包边金属覆层和磁引向器，介质基板的上表面设有上金属传输线、上电偶极子和上电引向器，包边金属覆层环绕介质基板，包边金属覆层的顶端一侧连接微带线，包边金属覆层的顶端另一侧形成磁偶极子并连接上金属传输线，上金属传输线设于包边金属覆层和上电引向器间，上金属传输线的侧部设有上电偶极子，上金属传输线的两侧分别设有磁引向器，介质基板的下表面设有下金属传输线、下电偶极子和下电引向器，下金属传输线设于包边金属覆层和下电引向器间，下金属传输线的侧部设有下电偶极子，上金属传输线和下金属传输线分别采用人工表面等离子激元传输线。
进一步地，上金属传输线和下金属传输线分别设有方向相反的周期性缺口。
进一步地，上电偶极子与上金属传输线的周期性缺口分别设于上金属传输线的两侧，下电偶极子与下金属传输线的周期性缺口分别设于下金属传输线的两侧。
进一步地，磁引向器包括若干金属条带结构，金属条带结构采用金属化通孔相连的周期性结构。
进一步地，金属条带结构包括若干排列设置的金属条带单元，金属条带单元包括上金属条带、下金属条带和金属化通孔，上金属条带设于介质基板的上表面，下金属条带设于介质基板的下表面，金属化通孔分别连接上金属条带和下金属条带。
进一步地，磁引向器的多个金属条带结构由近包边金属覆层侧向远包边金属覆层侧平行设置，且近包边金属覆层侧的金属条带结构的金属条带单元的数量大于远包边金属覆层侧的金属条带结构的金属条带单元的数量。
进一步地，上金属条带和下金属条带的短边朝向均为端射方向，上金属条带的长边与上金属传输线平行设置，下金属条带的长边与下金属传输线平行设置。
进一步地，下金属传输线连接包边金属覆层的底端一侧，包边金属覆层的底端另一侧延伸至介质基板的下表面端部。
进一步地，微带线采用50Ω的微带线，介质基板采用Rogers4003C，且介质基板大小为33mm*83.1mm、厚度1.524mm。
进一步地，该基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的实现过程为，上电偶极子和下电偶极子的电场为水平极化，上电引向器是上电偶极子的引向器，下电引向器是下电偶极子的引向器；包边金属覆层的形成的磁偶极子的电场为垂直极化，磁引向器是磁偶极子的引向器，磁偶极子的电场与电偶极子的电场正交，由此形成两个正交电场；由上金属传输线和下金属传输线的长度，使得两正交电场相位差为90°，即可形成圆极化波。
本发明的有益效果是：与现有的技术相比，该种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，首先，与普通的微带传输线相比，本发明使用了人工表面等离子激元传输线降低损耗，是实现高增益的重要保证；其次，与传统的端射圆极化天线相比，引入包边金属覆层等效磁偶极子产生的波和磁引向器，为高增益前提下实现圆极化提供了保障；最后，该发明结构在使用人工表面等离子激元传输线和磁引向器的情况下，使得端射圆极化天线的增益获得了显著的提高，且辐射定向性良好。
附图说明
图1是本发明实施例基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的介质基板的上表面的结构示意图；
图2是实施例基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的剖面结构示意图；
图3是实施例中磁引向器的金属条带单元的结构示意图；
图4是实施例中介质基板的下表面的结构示意图；
图5是实施例基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的仿真和实测的S参数图。
图6是实施例基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的仿真和实测的轴比图。
图7是实施例基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的仿真和实测的增益图。
图8是实施例基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的仿真和实测的方向图，其中，图8(a)为xoy面方向图，图8(b)为yoz面的方向图。
其中：1-微带线，2-包边金属覆层，3-上金属传输线，4-磁引向器，5-上电偶极子，6-上电引向器，7-介质基板，8-下金属传输线，9-下电偶极子，10-下电引向器；
41-上金属条带，42-下金属条带，43-金属化通孔。
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
一种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，如图1和图4，包括介质基板7和微带线1，微带线1设于介质基板7的上表面，还包括包边金属覆层2和磁引向器4，介质基板7的上表面设有上金属传输线3、上电偶极子5和上电引向器6，包边金属覆层2环绕介质基板7，包边金属覆层2的顶端一侧连接微带线1，包边金属覆层2的顶端另一侧形成磁偶极子并连接上金属传输线3，上金属传输线3设于包边金属覆层2和上电引向器6间，上金属传输线3的侧部设有上电偶极子5，上金属传输线3的两侧分别设有磁引向器4，介质基板7的下表面设有下金属传输线8、下电偶极子9和下电引向器10，下金属传输线8设于包边金属覆层2和下电引向器10间，下金属传输线8的侧部设有下电偶极子9，上金属传输线3和下金属传输线8分别采用人工表面等离子激元传输线。
该种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，通过使用人工表面等离子激元传输线替代微带线1作为载体降低电偶极子成分损耗，是实现高增益的重要保证。通过在使用人工表面等离子激元传输线和磁引向器4的情况下，使得端射圆极化天线的增益获得了显著的提高，且辐射定向性良好。该种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，能使得端射圆极化天线的增益获得显著提高，解决了端射天线应用时圆极化增益较低的问题。
实施例中，上金属传输线3和下金属传输线8分别设有方向相反的周期性缺口。上电偶极子5与上金属传输线3的周期性缺口分别设于上金属传输线3的两侧，下电偶极子9与下金属传输线8的周期性缺口分别设于下金属传输线8的两侧。
如图1、图2、图3和图4，磁引向器4包括若干金属条带结构，金属条带结构采用金属化通孔43相连的周期性结构。金属条带结构包括若干排列设置的金属条带单元，金属条带单元包括上金属条带41、下金属条带42和金属化通孔43，上金属条带41设于介质基板7的上表面，下金属条带42设于介质基板7的下表面，金属化通孔43分别连接上金属条带41和下金属条带42。通过使用金属化通孔43连接上下周期金属条带聚集磁偶极子波，显著的提高了天线的端射圆极化增益。磁引向器4可以实现比介质基板7更大的有效折射率，可以将电磁能量集中在端射方向，从而提高天线增益。上金属条带41、下金属条带42的短边朝向为端射方向，长边与上金属传输线3和下金属传输线8平行设置。
该种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线中，磁引向器4是采用金属化通孔43相连的周期性结构，磁引向器的多个金属条带结构由近包边金属覆层2侧向远包边金属覆层2侧平行设置，且近包边金属覆层2侧的金属条带结构的金属条带单元的数量大于远包边金属覆层2侧的金属条带结构的金属条带单元的数量。第一列数量较多是为了更好地将电磁能量耦合其上，第二列和第三列数量的减少是为了降低其与上金属传输线3、下金属传输线8、上电偶极子5和下电偶极子9的干扰，保证天线实现圆极化辐射。磁引向器4类似于八木天线引向器，设置三列磁引向器4可实现天线增益提升。这一结构作为磁偶极子的引向器，即磁引向器4，增强了作为磁偶极子的端射定向性。
实施例中，包边金属覆层2形成的磁偶极子的电场为垂直极化；上电偶极子5和下电偶极子9所形成的电场为水平极化，上电引向器6是上电偶极子5的引向器，下电引向器10是下电偶极子9的引向器，引向其辐射电场与磁偶极子的电场正交，由此形成两个正交电场。由上金属传输线3和下金属传输线8的长度，使得两正交电场相位差为90°，从而在端射的远场即能形成圆极化波。并通过设置磁引向器4和上电引向器6、下电引向器10，使得增益获得明显的提升。
如图1，在介质基板7上的四周包围一定宽度的包边金属覆层2形成磁偶极子，包边金属覆层2一侧与微带线1相连接，另一侧连接含有周期性缺口的一段金属条带即上金属传输线3，上金属传输线3的末端接与其成垂直的一段金属条带即上电偶极子5，在一定距离处还有一片金属长条即上电引向器6。在含有周期性缺口的上金属传输线3两侧的介质基板7的上下覆上周期性长方形金属片，使用金属化通孔43连接上下层金属片，形成磁引向器4，使得包边金属覆层2等效的磁偶极子产生的电磁波聚集，提高增益，该部分与金属条带产生的波一起形成圆极化波。
图1中，微带线1可与外部测量仪器相连接，上金属传输线3为含有周期性缺口的一段传输线，等效效果是表面等离子激元传输，这一部分传输能量时较非挖孔的微带线1而言具有较小的传输损耗，为高增益提供可能。包边金属覆层2沿着介质基板7的短边包裹介质基板7，具有一定的宽度，包边金属覆层的宽度依据设计需求的波长所确定。其一侧连接阻抗完全匹配的金属条带构成的微带线1，另一侧等效为一个磁偶极子。
如图4，下金属传输线8为含有周期性缺口的传输线，位于介质基板7的下表面，下金属传输线8与上金属传输线3的缺口的方向是相反的，并且缺口是按照固定周期值存在的，形成人工表面等离子激元，电磁波在其上传播的速度小于真空。下金属传输线8连接包边金属覆层2的底端一侧，包边金属覆层2的底端另一侧延伸至介质基板7的下表面端部。含有缺口的人工表面等离子激元的截止频率大于设计的最高频率即天线最大工作频率。周期性金属化通孔的截止频率大于设计的最高频率。
该种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，首先，与普通的微带传输线相比，本发明使用了人工表面等离子激元传输线降低损耗，是实现高增益的重要保证；其次，与传统的端射圆极化天线相比，引入包边金属覆层聚集等效磁偶极子产生的波和采用金属化通孔相连的周期性结构形成的磁引向器，为高增益前提下实现圆极化提供了保障；最后，该发明结构在使用人工表面等离子激元传输线和磁引向器4的情况下，使得端射圆极化天线的增益获得了显著的提高，且辐射定向性良好。
实施例中的关键参数为：使用的介质基板7为Rogers4003C(相对介电常数3.55，损耗角正切0.002)，厚度1.524mm，大小为33mm*83.1mm。其余参数标记于图上，数值为：L2＝14mm，Wm＝3.2mm，Lm＝13mm，wp＝1.2mm，lp＝26.1mm，wr＝1.4mm，lr＝8.5mm，Wd＝0.8mm，Ld＝7mm,sd＝2mm,gx1＝0.5mm,gx2＝13mm,gx3＝5.3mm。
实施例的仿真和测量结果，如图5到图8所示：
图5是散射参数S11的结果，其仿真小于-10dB的带宽为9.44GHz-10.88GHz(14.2％)，测量小于-10dB的带宽为9.5GHz-11.22GHz(16.6％)。
图6是轴比的结果，轴比小于3dB的仿真带宽为10.24GHz-10.82GHz(5.8％)，测量带宽为10.2GHz-10.9GHz(6.6％)。
图7是增益的结果，在轴比符合的范围内增益均大于5.4dBi，最大增益达到6.21dBi，增益较平稳。实施例通过结构设计，同时引入磁引向器和电引向器，从图7中可看出，与现有的圆极化天线相比，本实施例的增益有明显的提升。
图8是在10.5GHz处仿真和测量的方向图，图8(a)为xoy面方向图，从图中可看出实施例的仿真结果与实测结果基本吻合，主辐射方向上的共极化和交叉极化差值大于15dB。图8(b)为yoz面的方向图，从图中可以看出实施例的主辐射方向上的共极化和交叉极化差值大于15dB，具有良好的极化纯度；且主瓣明显，辐射定向性良好。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在该技术方案上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，包括介质基板和微带线，微带线设于介质基板的上表面，其特征在于：还包括包边金属覆层和磁引向器，介质基板的上表面设有上金属传输线、上电偶极子和上电引向器，包边金属覆层环绕介质基板，包边金属覆层的顶端一侧连接微带线，包边金属覆层的顶端另一侧形成磁偶极子并连接上金属传输线，上金属传输线设于包边金属覆层和上电引向器间，上金属传输线的侧部设有上电偶极子，上金属传输线的两侧分别设有磁引向器，介质基板的下表面设有下金属传输线、下电偶极子和下电引向器，下金属传输线设于包边金属覆层和下电引向器间，下金属传输线的侧部设有下电偶极子，上金属传输线和下金属传输线分别采用人工表面等离子激元传输线。
2.如权利要求1所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：上金属传输线和下金属传输线分别设有方向相反的周期性缺口。
3.如权利要求1所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：上电偶极子与上金属传输线的周期性缺口分别设于上金属传输线的两侧，下电偶极子与下金属传输线的周期性缺口分别设于下金属传输线的两侧。
4.如权利要求1-3任一项所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：磁引向器包括若干金属条带结构，金属条带结构采用金属化通孔相连的周期性结构。
5.如权利要求4所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：金属条带结构包括若干排列设置的金属条带单元，金属条带单元包括上金属条带、下金属条带和金属化通孔，上金属条带设于介质基板的上表面，下金属条带设于介质基板的下表面，金属化通孔分别连接上金属条带和下金属条带。
6.如权利要求5所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：磁引向器的多个金属条带结构由近包边金属覆层侧向远包边金属覆层侧平行设置，且近包边金属覆层侧的金属条带结构的金属条带单元的数量大于远包边金属覆层侧的金属条带结构的金属条带单元的数量。
7.如权利要求6所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：上金属条带和下金属条带的短边朝向均为端射方向，上金属条带的长边与上金属传输线平行设置，下金属条带的长边与下金属传输线平行设置。
8.如权利要求1-3任一项所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：下金属传输线连接包边金属覆层的底端一侧，包边金属覆层的底端另一侧延伸至介质基板的下表面端部。
9.如权利要求1-3任一项所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：微带线采用50Ω的微带线，介质基板采用Rogers4003C，且介质基板大小为33mm*83.1mm、厚度1.524mm。
10.如权利要求1-3任一项所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线，其特征在于：该基于人工表面等离子激元的高增益端射圆极化天线的实现过程为，上电偶极子和下电偶极子的电场为水平极化，上电引向器是上电偶极子的引向器，下电引向器是下电偶极子的引向器；包边金属覆层的形成的磁偶极子的电场为垂直极化，磁引向器是磁偶极子的引向器，磁偶极子的电场与电偶极子的电场正交，由此形成两个正交电场；由上金属传输线和下金属传输线的长度，使得两正交电场相位差为90°，即可形成圆极化波。
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