CN114171901B - 基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线 - Google Patents

基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，包括馈线，辐射结构，1或2个端口；辐射结构贯穿在馈线上，且辐射结构与馈线相接触，用于将所馈入的能量以电磁波的形式辐射到外部自由空间中，可以通过改变辐射单元结构的尺寸参数影响波束的相位来调整辐射波束的角度；将人工表面等离子体激元结构与传统的漏波天线结构相结合扩大波束扫描范围，并通过梭形辐射部件提高漏波天线的辐射效率，使其克服了传统的漏波天线存在的波束范围小，工作带宽窄，频带低等缺陷，本发明具有宽波束角度，宽工作频带，从后向前扫描特性，应用范围广，结构可调整，无方向性等优点。

Description

基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于人工表面等离子体激元的漏波天线。
背景技术
表面等离子体激元(surface plasmon polaritons,SPPs)是一种特殊的表面电磁波，其沿着介质与金属交界面传播并在横向上呈现指数型衰减分布，由于在微波频段内，金属介电常数不在为负数，其趋肤深度非常小，此时金属可以看作程一个近似理想的导体，其表面无法束缚表面等离子体激元，因而产生了一种能在微波频段和太赫兹波段能够激励类似SPPs的模式的结构，即为人工表面等离子体激元(spoof surface plasmon polaritons,SSPPs)。与表面等离子体激元相比，SSPPs的优点在于其色散特性和束缚电磁场的能力是根据所设计的结构的几何参量来决定的，由于SSPPs结构大多数有多个可调节的几何参数，使得其可以根据不同的要求和应用对象场景来进行设计，具备相当大的灵活性。
天线是射频前端电路最主要的器件之一，随着现代科学技术的快速发展，各种无线电系统对天线在复杂环境中的性能要求变得多样化和高标准，传统天线越来越难以满足现代无线电系统的需求。在各种不同的应用场景中，对天线性能的要求是复杂多变的，如宽波束角度，宽工作带宽，低成本，多极化，扫描特性等。因为天线的波束宽度越宽，天线就能在越大的角域范围内有效发射和接收电磁波，所以在当前的高速发展的现代无线通信技术下，为了提高天线的覆盖范围，一般要求天线要具备宽波束角度，较宽的工作带宽和一定范围的扫描特性。因此，具备较宽工作频带，波束扫描能力，无须额外的波束网络来控制的漏波天线受到了广泛的关注与研究。然而传统的漏波天线主要是依托于金属波导进行设计的，其辐射效率低，频带范围窄，波束扫描角度小，只能前向或者后向连续扫描等不足之处限制了传统的漏波天线的发展。
综上所述，本发明基于上述传统漏线存在的不足之处，提出了基于人工表面等离子体激元的漏波天线，利用梭形辐射部件将传统漏波天线结构和人工表面等离子体激元结构相结合，一方面提高漏波天线的工作频带和带宽，另一方面拓宽了其波束扫描范围，形成了从后向前的扫描特性。
发明内容
本发明的目的是为了针对现有技术，提出了一种具备从后向前扫描的宽扫描角度的全向漏波天线，利用了圆台形结构将人工表面等离子体结构与传统的漏播结构相结合，所形成的漏波天线不仅具备两者的优点之外，还具备从后向前扫描特性，无方向性，结构可调整等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案：
本发明基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，为三维结构，包括馈线，辐射结构，1或2个端口；
所述的辐射结构贯穿在馈线上，且辐射结构与馈线相接触，用于将所馈入的能量以电磁波的形式辐射到外部自由空间中，可以通过改变辐射单元结构的尺寸参数影响波束的相位来调整辐射波束的角度；其包括n个结构相同的辐射单元， n≥1；
所述辐射单元为一体成型的轴对称结构，包括梭形辐射部件和在梭形辐射部件外周分布多个周期性分布的辐射环凸起；其中两个辐射环凸起分别位于梭形辐射部件两端；其中位于同一侧的相邻辐射环凸起间留有一定深度的金属凹槽，且位于同一侧的金属凹槽深度为非周期性设置，例如未添加梭形辐射部件前，相邻辐射环凸起间的金属凹槽深度等于辐射环凸起的半径，添加梭形辐射部件后，相邻辐射环凸起间的金属凹槽深度不一致。
辐射环凸起的外环直径由中间向两端逐渐变小；
靠近梭形辐射部件中心的两个对称辐射环凸起的外环直径与梭形辐射部件中心的厚度相同；
作为优选，馈线的中心线与梭形辐射部件的横向轴线重合。
作为优选，位于梭形辐射部件两端的辐射环凸起的内环直径与馈线的直径相同，梭形辐射部件两端的直径与馈线的直径相同。
作为优选，同一侧相邻辐射环凸起的外环半径均相差a；
作为优选，所述馈线的半径为0.1mm-0.3mm，更为优选0.3mm；
作为优选，所述辐射环凸起的圆心位于馈线的中心线上；
作为优选，每个辐射单元内各辐射环凸起等间距设置；
作为优选，相邻辐射单元存在一定距离的间隔；
作为优选，所述辐射单元内靠近梭形辐射部件中心的辐射环凸起的半径等于端口外周半径，更为优选半径为1.5mm；
作为优选，辐射单元内所有辐射环凸起等宽，更为优选，宽度满足0.5mm；
所述的端口贯穿在馈线上，且位于馈线端部，端口不与馈线相接触，馈电方向由外向内；所述端口采用圆柱形金属柱，其中心开有一通孔用来放置馈线；所述端口为一体成型环形结构，从外向内具体依次包括端口1-Ⅰ部分、端口1-Ⅱ部分，所述端口1-Ⅰ部分用于配合馈线将TEM模式波输入到天线中，所述端口 1-Ⅱ部分用于模式转化与匹配，将TEM模式波转化成准TEM模式波，以方便辐射结构对馈入的模式波的转换；
作为优选，所述端口1-Ⅱ部分内中空部分为喇叭状，其较小开口与端口1- Ⅰ部分内中空部分尺寸相同，且较小开口与端口1-Ⅰ部分连接。
作为优选，若端口为1个时，该端口作为输入端口；若端口为2个时，两个端口分别作为输入端口、输出端口；
作为优选，端口与辐射结构间的距离与辐射环凸起之间的距离相等，更为优选，间距满足1mm；
作为优选，端口采用波导端口方式进行馈电，其匹配端1-Ⅱ部分采用渐变喇叭状，其较大端朝向辐射结构；外半径与辐射单元内靠近单元中心的辐射环凸起半径相同。
作为优选，端口1-Ⅰ部分和1-Ⅱ部分的中心位于馈线上；
作为优选，端口1-Ⅰ部分与馈线间距大于馈线半径，更为优选，间距满足 0.7mm；
作为优选，端口1-Ⅰ部分和1-Ⅱ部分外半径相等；
作为优选，端口1-Ⅱ部分通孔喇叭状结构下表面半径与外半径相差0.1mm；
作为优选，馈线、辐射结构、端口的材质均为相同金属材料。
所述的辐射单元可以通过对辐射环凸起与梭形辐射部件的尺寸、形状、大小等参数改变，对辐射的信号特性进行调节。
作为优选，辐射环凸起横截面为方环形、三角环形、圆环形、多边环形中的一种。
工作原理：
基于人工表面等离子体激元的漏波天线是一个对称结构，激励信号由输入端口结构部分馈入。由于激励信号是标准波导的横电磁(TEM)模式波与SSPP波导传播的横磁(TM)模式波不兼容，需要进行模式转换和阻抗匹配的平滑过渡。端口部分馈入能量和模式部分转换的功能。当端口是1个时，该端口1-Ⅰ部分起到波导馈电的作用，输入(TEM)模式波，经由1-Ⅱ部分时，通过渐变喇叭状结构 TEM模式波转化成准TEM模式波。端口是2个时，另一个端口起到连接负载消耗未辐射的能量，减少输入回拨损耗，提高辐射效率和能量利用率。
辐射单元SSPP结构通过前半段的m个半径逐渐增大的辐射环凸起来完成激励信号产生的电磁波的模式转换，将由端口转化过后的准TEM模式波转换成能够沿SSPP波导传播的TM模式波来达到模式平滑转换的效果。
由于单个辐射环凸起的辐射波属于慢波，无法直接将辐射馈入的能量辐射到空气中，一般来讲，SSPP为慢波，其产生的表面电磁波会束缚在等离子体波导表面上，不能辐射到自由空间中，但是由于SSPP结构的特殊的色散特性，可以通过调节SSPP结构即调节梭形辐射结构与辐射环凸起之间金属凹槽深度使其变为非周期性快波结构，产生不连续的空间谐波进而激发辐射波。所以该辐射单元结构后半段采用m个半径逐渐减小的辐射环凸起使得整个辐射单元构成一个辐射电场回路，根据bloch-Floquet理论产生了无穷多个空间谐波βN(N＝0，±1，±2，…)，如公式(1)所示：
βNA＝nβ0A+2Nπ，N＝0，±1，±2，…， (1)
其中βN表示N次谐波时的相位常数，β0为自由空间的相位常数(β0＝2π/λ0)， A为调制周期，n为有效表面折射率(通常n≥1)，N表示谐波次数，λ0表示自由空间波长。
由公式(1)可知，当n≥0时，βN大于β0,空间谐波均为慢波。当N≤-1时，空间谐波为快波，但是当N过小时空间谐波会快速向空间辐射能量，能量利用率较低。由于只需要辐射一个波束的天线，因此设计基于SSPP结构的漏波天线选择了N＝-1时的空间谐波(当有效表面折射率n＝1),可以得到公式(2)；结合公式 (3)，那么主波束辐射方向角度θ可有公式(4)得出：
其中β-1表示-1次谐波时的相位常数，λ0为自由空间波长，k0是自由空间波数，k0＝ω/c,ω为角频率，c为光速；sinθm表示主波束辐射方向角度为θm时的正弦值。
由公式(4)可以得出，工作频带范围越宽，主波束扫描角度越宽，且主波束扫描角度会随着频率的变化而变化，此外调整调制周期A使得β-1由负向正变化，可以使得该漏波天线的主波束辐射角度θ由后向前达到从后向前的扫描特性。
梭形辐射部件可以将SSPP结构模式与传统漏波天线辐射结构相结合来增强对横磁(TM)模式波的信号辐射；若无梭形辐射部件时，相邻辐射环凸起间构成电场回路，将电磁波辐射到自由空间中，这样会导致单元辐射结构会出现多个辐射电场，电场之间相互作用影响很大，降低了辐射效率，馈入的能量无法通过辐射进行消耗必然会致使部分能量反射，增加了输入回拨损耗，缩小了工作频带带宽使得主波束扫描角度范围变小；而梭形辐射部件的添加会使得辐射单元结构的辐射环凸起构成一个整体辐射电场回路，电场之间的相互作用的影响变小，提高了辐射效率，减小了输入回拨损耗，拓宽了工作带宽使得主波束扫描角度范围变大。
在辐射单元中心左右侧辐射环凸起添加梭形辐射部件，能够保证辐射单元结构免于由于中心两侧的辐射环凸起尺寸突变，导致后半段辐射环凸起失去辐射效果而产生整体辐射电场被割裂的影响，该影响会导致天线的输入回波损耗增大，工作频带带宽减小。由于单个辐射单元结构不能够完全将馈入的能量辐射完全，为了提高辐射效率和能量利用率，辐射结构由多个辐射单元结构组成。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
1)宽工作带宽：该漏波天线的工作频带范围在15Ghz-55Ghz范围。
2)宽扫描角度：该漏波天线属于全向天线，其扫描角度在53°～125°，以及-53°～-125°
3)扫描特性：不同于传统漏波天线的前向或者后向扫描特性，该漏波天线具备从后向前的扫描特性。
4)结构可调整：该漏波天线加入了SSPP结构，使得该天线可以通过改变结构参数来达到不同需求的性能指标。
附图说明
图1是本发明的整体结构图立体示意图；
图2是本发明的端口剖面结构示意图；
图3是本发明的辐射单元剖面结构示意图；
图4是本发明天线采用0.3mm馈线的S参数图；
图5是本发明天线采用0.3mm馈线的频段辐射直角坐标图；
图6是本发明天线采用0.3mm馈线的频段辐射方向图；
图7为本发明天线不同直径馈线的S参数仿真图；
图8是本发明天线采用0.2mm馈线的频段辐射方向图；
图9为本发明天线采用0.2mm馈线的频段辐射直角坐标图；
图10是本发明天线采用0.4mm馈线的频段辐射方向图；
图11为本发明天线采用0.4mm馈线的频段辐射直角坐标图；
图中标记：端口1，辐射结构，辐射单元21，辐射环凸起211，馈线3。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步的分析
结合图1-3，基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线属于三维结构，包括馈线3，辐射结构，1或2个端口1；馈线、辐射结构、端口的材质均为相同金属材料，可以是金属铜；若端口为1个时，该端口作为输入端口；若端口为2个时，两个端口分别作为输入端口、输出端口；
所述的辐射结构贯穿在馈线1上，且辐射结构与馈线3相接触，用于将所馈入的能量以电磁波的形式辐射到外部自由空间中，可以通过改变辐射单元2结构的尺寸参数影响影响波束的相位和工作频带带宽来调整辐射波束的扫描角度范围；馈线的中心线与梭形辐射部件的横向轴线重合。
所述的辐射结构可以由一个辐射单元结构作为一个整体，也可以由多个相同辐射单元结构组合而成；如图1本实施例天线的辐射结构由4个尺寸相同的辐射单元21组成。
如图3所述辐射单元21为一体成型的轴对称结构，包括梭形辐射部件和8 个等宽尺寸不一的辐射环凸起211，可以通过改变辐射环凸起211和梭形辐射部件的半径、形状、大小等参数改变，对辐射的信号波束角度，工作频带和天线增益进行调节。梭形辐射部件开有6个环形槽，且该环形槽内嵌入辐射环凸起211，同时在梭形辐射部件两端还各连接有1个辐射环凸起211；将上述8个辐射环凸起211从左至右命名为第一辐射环凸起、第二辐射环凸起、第三辐射环凸起、第四辐射环凸起、第五辐射环凸起、第六辐射环凸起、第七辐射环凸起、第八辐射环凸起。位于梭形辐射部件两端的辐射环凸起211的内环直径与馈线的直径相同，梭形辐射部件两端的直径与馈线的直径相同；同一侧相邻辐射环凸起211的外环半径均相差a；所有辐射环凸起211的圆心位于馈线的中心线上，且等间距设置；
位于同一侧的相邻辐射环凸起211间留有一定深度的金属凹槽，且位于同一侧的金属凹槽深度为非周期性设置，即深度不一致，且不满足规律性；
位于同一侧辐射环凸起211的外环直径由梭形辐射部件的中心向外侧由大到小渐变；靠近梭形辐射部件中心的两个对称辐射环凸起211的外环直径与梭形辐射部件中心的厚度相同；辐射单元内靠近梭形辐射部件中心的辐射环凸起211 的半径等于端口外周半径；相邻辐射单元存在1mm间隔；
本实施例辐射环凸起211横截面为圆环。
所述馈线的半径可以按照性能需求在0.1-0.3mm范围内选择，馈线的长度根据辐射单元结构的个数来决定。
所述的端口贯穿在馈线上，端口不与馈线相接触，馈电方向由外向内；如图2所述端口采用圆柱形金属柱，其中心开有一通孔用来放置馈线；所述端口为一体成型环形结构，从外向内具体依次包括外半径相等的端口1-Ⅰ部分、端口 1-Ⅱ部分，所述端口1-Ⅰ部分用于配合馈线将TEM模式波输入到天线中，所述端口1-Ⅱ部分用于模式转化与匹配，将TEM模式波转化成准TEM模式波，以方便辐射结构对馈入的模式波的转换；端口1-Ⅰ部分和1-Ⅱ部分的中心位于馈线上；端口1-Ⅰ部分与馈线间距大于馈线半径；
所述的端口1-Ⅰ部分内导体是馈线，外导体为中空圆柱体金属结构，其中空部分为圆柱体，内外导体中间只有空气作为唯一介质。端口2与端口1的结构一致。端口1-Ⅰ部分的外导体中空圆柱体金属结构和内导体馈线的中心位于一条直线上。
所述端口1-Ⅱ部分内导体是馈线，外导体为中空圆柱体金属结构，其中空部分为喇叭状，其较小开口与端口1-Ⅰ部分内中空部分尺寸相同，且较小开口与端口1-Ⅰ部分连接。端口与辐射结构间的距离与同一辐射单元内相邻辐射环凸起 211之间的距离相等(即端口与最近辐射环凸起的距离是1mm)；端口采用波导端口方式进行馈电，其匹配端1-Ⅱ部分采用渐变喇叭状，其较大端朝向辐射结构；外半径与辐射单元内靠近单元中心的辐射环凸起211半径相同。
以下给出优化后的天线具体结构几何参数如下：
表1基于SSPP的宽角度全向漏波天线参数表 (单位：mm)
参数 1-d1 1-d2 1-d3 1-d4 1-h1 1-h2 2-d1 2-d2
数值 0.6 2.0 3 2.8 1.5 1.5 1.2 1.8
参数 2-d3 2-d4 2-d5 2-h1 2-h2 2-h3 2-h4 a
数值 2.4 3.0 0.3 0.5 1.0 1.0 4.5 0.3
其中1-d1为馈线半径，1-d2为端口1-Ⅰ部分中空圆柱体结构的内半径和端口1-Ⅱ喇叭状结构的上表面直径，1-d3为端口1-Ⅰ和1-Ⅱ部分中空圆柱体结构的外直径,1-d4为端口1-Ⅱ部分挖去的喇叭状结构的下表面直径，1-h1为端口 1-Ⅰ部分长度，1-h2为端口1-Ⅱ部分长度，2-d1为第一辐射环凸起、第八辐射环凸起的直径，2-d2为第二辐射环凸起、第七辐射环凸起的直径，2-d3为第三辐射环凸起、第六辐射凸起的直径，2-d4为第四辐射环凸起、第五辐射凸起的直径，2-d5为辐射单元结构圆，a为辐射环凸起外环半径的渐变量，2-d4为梭形辐射部件的端口尺寸，2-h1为所有辐射环凸起的厚度，2-h2为同一辐射单元内同一侧相邻两辐射环凸起之间的距离，为梭形辐射部件的一半长度，2-h4 为第四辐射环凸起、第五辐射凸起间的距离。
图4为该基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线的仿真结果。由图4可见，该天线的在16Ghz～55Ghz工作频带范围内|S11|均低于-10db，在 27Ghz～47Ghz频带范围内|S11|均低于-15db，且|S21|在整个工作频带范围内均低于-20db，表明该天线在整个工作频带内都具有稳定良好的辐射特性。
由图5～6可见，该天线在整个工作频带范围内的波束扫描范围是53°～ 125°和-53°～-125°，证明了该天线具备全向性，且根据各个频带的主瓣方向角度可以看出，该天线还具备从后向前的扫描特性。
图7-11为该全向漏波天线不同直径馈线的S参数仿真图，不同直径的馈线的工作频带不同，对应的漏波天线的扫描角度的范围和增益也不同，如图8-9所示，0.2mm馈线的工作频带为12GHz～40GHz，如图10-11所示，0.4mm馈线的工作频带为13.5GHz～46Ghz,且不同直径的馈线的天线增益也不同,该全向漏波天线可以根据性能需求灵活对天线结构尺寸进行修改。

Claims (8)

1.基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：包括馈线，辐射结构，1或2个端口；
所述的端口贯穿在馈线上，且位于馈线端部，端口不与馈线相接触，馈电方向由外向内；所述端口采用圆柱形金属柱，其中心开有一通孔用来放置馈线；所述端口从外向内依次包括端口1-Ⅰ部分、端口1-Ⅱ部分，端口1-Ⅰ部分的通孔为圆柱形，端口1-Ⅱ部分的通孔为喇叭状；
所述的辐射结构贯穿在馈线上，且辐射结构与馈线相接触，用于将所馈入的能量以电磁波的形式辐射到外部自由空间中；其包括n个结构相同的辐射单元，n≥1；
所述辐射单元为一体成型的轴对称结构，包括梭形辐射部件和在梭形辐射部件外周设置多个周期性分布的辐射环凸起；其中两个辐射环凸起分别位于梭形辐射部件两端；位于梭形辐射部件同一端的相邻辐射环凸起间留有金属凹槽，且位于梭形辐射部件同一端的金属凹槽深度为非周期性设置；馈线的中心线与梭形辐射部件的横向轴线重合；未添加梭形辐射部件前，相邻辐射环凸起间的金属凹槽深度等于辐射环凸起的半径，添加梭形辐射部件后，相邻辐射环凸起间的金属凹槽深度不一致；
辐射环凸起的外环直径由梭形辐射部件中间向两端逐渐变小；
靠近梭形辐射部件中心的两个对称辐射环凸起的外环直径与梭形辐射部件中心的厚度相同；所述辐射环凸起的圆心位于馈线的中心线上。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：位于梭形辐射部件两端的辐射环凸起的内环直径与馈线的直径相同，梭形辐射部件两端的直径与馈线的直径相同。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：位于梭形辐射部件同一端的相邻辐射环凸起的外环半径均相差a。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：同一辐射单元内各辐射环凸起等间距设置；同一辐射单元内所有辐射环凸起等宽。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：相邻辐射单元存在间隔。
6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：所述辐射单元内靠近梭形辐射部件中心的辐射环凸起的半径等于端口外周半径。
7.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：所述端口1-Ⅰ部分用于配合馈线将TEM模式波输入到天线中，所述端口1-Ⅱ部分用于模式转化与匹配，将TEM模式波转化成准TEM模式波。
8.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子体激元的宽角度全向漏波天线，其特征在于：馈线、辐射结构、端口的材质均为相同金属材料。
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基于人工表面等离激元的圆极化漏波天线;程爱粉等;光通信研究(03);全文 *

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