CN115764294B - 一种基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线，包括：介质基板，介质基板上层印刷设置有人工表面等离激元馈电结构，介质基板下层印刷设置有周期性矩形金属贴片阵列，人工表面等离激元馈电结构包括从左到右依次设置的共面波导馈电部分、渐变结构和人工表面等离激元波导，周期性矩形金属贴片阵列包括两排交错排列的金属贴片。本发明通过人工表面等离激元馈电结构对周期性矩形金属贴片馈电，将人工表面等离激元馈电结构中传播的慢波转化为快波，成功将能量辐射到了自由空间，并实现了全角度连续波束扫描的特性。
Description
技术领域
本发明涉及波束扫描天线技术领域，具体涉及一种基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线。
背景技术
近些年来，随着无线通信技术的迅速发展，波束扫描天线在通信系统中发挥着越来越重要的作用。人工表面等离激元(Spoof surface plasmon polarons,SSPPs)是由金属中自由电子与光耦合而产生的电磁波，它继承了表面等离激元(Surface plasmonpolarons,SPPs)的大部分优异性能，如场约束性和非衍射极限等。随着科学研究的发展，各种各样的SSPPs被提出应用于实际之中。
SSPPs波是一种慢波模式，不会将能量辐射到自由空间中去。为了将这种慢波辐射到自由空间中，Yin等人在“Frequency-controlled broad-angle beam scanning ofpatch array fed by spoof surface plasmon polaritons”上提出了一种使用人工表面等离激元馈电圆形贴片阵列的频率控制波束扫描天线；Liao等人在“Wide-AngleFrequency-Controlled Beam-Scanning Antenna Fed by Standing Wave Based on theCutoff Characteristics of Spoof Surface Plasmon Polaritons”上提出基于人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线，但其扫描速率有待进一步提高。
目前，大部分波束扫描天线由基于提出的扩口地共面波导来激励，然而这种设计不利于波束扫描角度和扫描速率的提高。于是，Xu等人在文献“A Wide-Angle NarrowbandLeaky-Wave Antenna Based on Substrate Integrated Waveguide-Spoof SurfacePlasmon Polariton Structure”中提出了基于集成基片波导人工表面等离激元的波束扫描天线，该结构实现了高扫描速率和宽角度扫描。如今随着微波技术的快速发展，对波束扫描天线的扫描角度、波束扫描速率等要求也不断的提高。因此如何设计出满足全角度，高扫描速率等特点的波束扫描天线成为目前研究热点和难点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种全角度，高扫描速率的人工表面等离激元波束扫描天线。为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，包括介质基板，介质基板上层印刷设置有人工表面等离激元馈电结构，介质基板下层印刷设置有周期性矩形金属贴片阵列，人工表面等离激元馈电结构包括从左到右依次设置的共面波导馈电部分、渐变结构和人工表面等离激元波导，周期性矩形金属贴片阵列包括两排交错排列的金属贴片。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种基于人工表面等离激元的全角度高速率的波束扫描天线，通过人工表面等离激元馈电结构对周期性矩形金属贴片馈电，将人工表面等离激元馈电结构中传播的慢波转化为快波，成功将能量辐射到了自由空间，并实现了全角度连续波束扫描的特性。
本发明结构简单，通过在结构中引入金属地Ⅱ11，进一步降低结构尺寸，尺寸仅有6.37×0.78×0.025个中心频率波长，使得天线具有小尺寸特性。天线本身通过人工表面等离激元为周期性金属贴片单元馈电，使其色散特性处于快波区域，满足-1次空间谐波辐射要求，使得天线在实现全角度扫描的效果。另外，天线通过对金属贴片周期单元长度控制，从而实现窄带快波调制(相对带宽为24.5％)，使得天线实现了7.35°/％的高速率扫描。天线本身采用传统的PCB工艺印刷，使得天线具有易加工与制作成本低的特点。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域中的普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明人工表面等离激元馈电结构和周期性矩形金属贴片结构示意图；
图3为本发明仿真S参数图；
图4为本发明仿真总效率图；
图5为本发明仿真增益图；
图6为本发明在不同频率下的方向图。
图中：1-人工表面等离激元馈电结构，2-周期性矩形金属贴片阵列，3-介质基板，4-共面波导馈电部分，5-渐变结构，6-人工表面等离激元波导，7-金属贴片，8-中间微带线Ⅰ，9-金属地Ⅰ，10-缝隙Ⅰ，11-金属地Ⅱ，12-中间微带线Ⅱ，13-上部凹槽Ⅱ，14-下部凹槽Ⅱ，15-金属条带，16-缝隙Ⅲ，17-中间微带线Ⅲ，18-垂直方向上错开距离，19-左边距离，20-右边距离，21-底部距离，22-上部凹槽Ⅲ，23-下部凹槽Ⅲ，24-缝隙Ⅱ。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，包括介质基板3，介质基板3为F4B材料，相对介电常数为2.65，损耗正切为0.0015，厚度为0.508mm。介质基板3上层印刷设置有人工表面等离激元馈电结构1，介质基板3下层印刷设置有周期性矩形金属贴片阵列2，人工表面等离激元馈电结构1、周期性矩形金属贴片阵列2为0.018mm厚度金属铜。人工表面等离激元馈电结构1包括从左到右依次设置的共面波导馈电部分4、渐变结构5和人工表面等离激元波导6，周期性矩形金属贴片阵列2包括两排交错排列的金属贴片7。人工表面等离激元馈电结构1对周期性矩形金属贴片阵列2进行耦合馈电，以产生频率波束扫描波。
如图2所示，共面波导馈电部分4包括中间微带线Ⅰ8和关于中间微带线Ⅰ8对称设置的金属地Ⅰ9，中间微带线Ⅰ8和金属地Ⅰ9之间设有缝隙Ⅰ10；中间微带线Ⅰ8的宽度为4mm，缝隙Ⅰ10宽度为0.2mm，金属地Ⅰ9的宽度为4mm。共面波导馈电部分4阻抗为50欧姆，由SMA接头馈电，中间微带线Ⅰ8接SMA结构的内芯，金属地Ⅰ9接SMA结构的外芯。
渐变结构5包括中间微带线Ⅱ12和关于中间微带线Ⅱ12对称设置的金属地Ⅱ11，中间微带线Ⅱ12和金属地Ⅱ11之间设有缝隙Ⅱ24，金属地Ⅱ11宽度从左向右递减，中间微带线Ⅱ12宽度从左向右递增，中间微带线Ⅱ12的上部、下部分别设有深度从左向右递增的上部凹槽Ⅱ13和下部凹槽Ⅱ14，上部凹槽Ⅱ13和下部凹槽Ⅱ14在与介质基板3垂直的方向上交错设置；金属地Ⅱ11宽度从左向右由4mm连续变化到0.6mm，缝隙Ⅱ24宽度为0.2mm，中间微带线Ⅱ12宽度从左向右由4mm连续变化到5.6mm，上部凹槽Ⅱ13和下部凹槽Ⅱ14宽度为1mm，上部凹槽Ⅱ13与其相近的下部凹槽Ⅱ14在与介质基板3垂直的方向上错开1mm，最左侧上部凹槽Ⅱ13为0.2mm，右侧上部凹槽Ⅱ13比与其相邻的左侧上部凹槽Ⅱ13深0.26mm，最左侧下部凹槽Ⅱ14为0.2mm，右侧下部凹槽Ⅱ14比与其相邻的左侧下部凹槽Ⅱ14深0.26mm。
渐变结构5由从浅到深的上部凹槽Ⅱ13和下部凹槽Ⅱ14组成，从而解决准TEM波与TM波的波矢量不匹配问题，最终实现将共面波导馈入的准TEM波向人工表面等离激元波(TM波)的转化，以实现表面等离激元的特性；TM波在人工表面等离激元波导6中传播以实现对周期性矩形金属贴片阵列2的耦合馈电。金属贴片7的周期性扰动将人工表面等离激元波导6中传播的慢波转化成快波，并辐射到自由空间。
人工表面等离激元波导6包括中间微带线Ⅲ17和关于中间微带线Ⅲ17对称设置的金属条带15，中间微带线Ⅲ17和金属条带15之间设有缝隙Ⅲ16，中间微带线Ⅲ17上部、下部分别设有上部凹槽Ⅲ22和下部凹槽Ⅲ23，中间微带线Ⅲ17右端宽度递减，宽度递减位置处的中间微带线Ⅲ17两侧没有金属条带15。上部凹槽Ⅲ22和下部凹槽Ⅲ23在与介质基板3垂直的方向上交错设置。金属条带15宽度为0.6mm，缝隙Ⅲ16宽度为0.2mm，中间微带线Ⅲ17左端宽度5.6mm，上部凹槽Ⅲ22、下部凹槽Ⅲ23宽度、深度分别为1mm和2.6mm，上部凹槽Ⅲ22与其相近的下部凹槽Ⅲ23在与介质基板3垂直的方向上错开1mm，中间微带线Ⅲ17右端宽度由5.6mm连续变化到0.4mm。
周期性矩形金属贴片阵列2分为上下两排，每一排金属贴片阵列2均包含若干沿与介质基板3平行方向等间距排列的金属贴片7，金属贴片7的长和宽分别为6.2mm和1.6mm，相邻金属贴片7间距为6mm，上排金属贴片7和下排金属贴片7在与介质基板3垂直的方向上交错设置，上排金属贴片7与其相近的下排金属贴片7在与介质基板3垂直方向上错开距离18为3mm。金属贴片7在介质基板3上层的投影几何中心与其最近的凹槽左边距离19为0.4mm、右边距离20为0.6mm、底部距离21为3.3mm。
图3为基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线的S参数图，横坐标表示频率，纵坐标代表S参数，单位为dB。从图3可以看出，基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线阻抗带宽大约可以工作在12.9-16.5GHz。
图4为基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线的仿真总效率图，横坐标表示频率，纵坐标代表总效率，从图4可以看出，基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线的平均总效率为83.6％。
图5为基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线的仿真增益图，横坐标表示频率，纵坐标代表峰值增益，单位为dBi。从图5可以看出，基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线的平均增益在11dBi左右。
图6为基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线的在不同频率下的方向图。从图6中可以看出基于人工表面等离激元的全角度高速率波束扫描天线可以在12.9-16.5GHz内实现从后向前(-90°到+90°)的全空间连续波束扫描，并且达到了7.35°/％的高扫描速率。
本发明的波束扫描天线，通过渐变结构5，成功将准TEM波转化成TM波，并利用金属贴片7，将支持人工表面等离激元的慢波转化为快波，实现了全角度波束扫描的性能；通过空间谐波与色散曲线选择合适的金属贴片周期，实现了高扫描速率的性能；相比传统的波束扫描天线，具有更宽的扫描角度以及更高的扫描速率。
Claims (9)
1.一种基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，包括介质基板(3)，其特征在于，介质基板(3)上层印刷设置有人工表面等离激元馈电结构(1)，介质基板(3)下层印刷设置有周期性矩形金属贴片阵列(2)，人工表面等离激元馈电结构(1)包括从左到右依次设置的共面波导馈电部分(4)、渐变结构(5)和人工表面等离激元波导(6)，周期性矩形金属贴片阵列(2)包括两排交错排列的金属贴片(7)；
共面波导馈电部分(4)包括中间微带线Ⅰ(8)和关于中间微带线Ⅰ(8)对称设置的金属地Ⅰ(9)，中间微带线Ⅰ(8)和金属地Ⅰ(9)之间设有缝隙Ⅰ(10)；
渐变结构(5)包括中间微带线Ⅱ(12)和关于中间微带线Ⅱ(12)对称设置的金属地Ⅱ(11)，中间微带线Ⅱ(12)和金属地Ⅱ(11)之间设有缝隙Ⅱ(24)，金属地Ⅱ(11)宽度从左向右递减，中间微带线Ⅱ(12)宽度从左向右递增，中间微带线Ⅱ(12)的上部、下部分别设有深度从左向右递增的上部凹槽Ⅱ(13)和下部凹槽Ⅱ(14)，上部凹槽Ⅱ(13)和下部凹槽Ⅱ(14)在与介质基板(3)垂直的方向上交错设置；
人工表面等离激元波导(6)包括中间微带线Ⅲ(17)和关于中间微带线Ⅲ(17)对称设置的金属条带(15)，中间微带线Ⅲ(17)和金属条带(15)之间设有缝隙Ⅲ(16)，中间微带线Ⅲ(17)上部、下部分别设有上部凹槽Ⅲ(22)和下部凹槽Ⅲ(23)，中间微带线Ⅲ(17)右端宽度递减，上部凹槽Ⅲ(22)和下部凹槽Ⅲ(23)在与介质基板(3)垂直的方向上交错设置。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，介质基板(3)为F4B材料，相对介电常数为2.65，损耗正切为0.0015，厚度为0.508mm。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，中间微带线Ⅰ(8)的宽度为4mm，缝隙Ⅰ(10)宽度为0.2mm，金属地Ⅰ(9)的宽度为4mm。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，金属地Ⅱ(11)宽度从左向右由4mm连续变化到0.6mm，缝隙Ⅱ(24)宽度为0.2mm，中间微带线Ⅱ(12)宽度从左向右由4mm连续变化到5.6mm，上部凹槽Ⅱ(13)和下部凹槽Ⅱ(14)宽度为1mm，上部凹槽Ⅱ(13)与其相近的下部凹槽Ⅱ(14)在与介质基板(3)垂直的方向上错开1mm，最左侧上部凹槽Ⅱ(13)深度为0.2mm，右侧上部凹槽Ⅱ(13)比与其相邻的左侧上部凹槽Ⅱ(13)深0.26mm，最左侧下部凹槽Ⅱ(14)深度为0.2mm，右侧下部凹槽Ⅱ(14)比与其相邻的左侧下部凹槽Ⅱ(14)深0.26mm。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，金属条带(15)宽度为0.6mm，缝隙Ⅲ(16)宽度为0.2mm，中间微带线Ⅲ(17)左端宽度5.6mm，上部凹槽Ⅲ(22)、下部凹槽Ⅲ(23)宽度、深度分别为1mm和2.6mm，上部凹槽Ⅲ(22)与其相近的下部凹槽Ⅲ(23)在与介质基板(3)垂直的方向上错开1mm，中间微带线Ⅲ(17)右端宽度由5.6mm连续变化到0.4mm。
6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，周期性矩形金属贴片阵列(2)分为上下两排，每一排金属贴片阵列(2)均包含若干沿与介质基板(3)平行方向等间距排列的金属贴片(7)，金属贴片(7)的长和宽分别为6.2mm和1.6mm，相邻金属贴片(7)间距为6mm，上排金属贴片(7)和下排金属贴片(7)在与介质基板(3)垂直的方向上交错设置，上排金属贴片(7)与其相近的下排金属贴片(7)在与介质基板(3)垂直方向上错开距离(18)为3mm。
7.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，金属贴片(7)印刷在介质基板(3)的下层，金属贴片(7)在上层的投影几何中心与其最近的凹槽左边距离(19)为0.4mm、右边距离(20)为0.6mm、底部距离(21)为3.3mm。
8.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，共面波导馈电部分(4)由SMA接头馈电，中间微带线Ⅰ(8)接SMA结构的内芯，金属地Ⅰ(9)接SMA结构的外芯。
9.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元全角度高速率波束扫描天线，其特征在于，人工表面等离激元馈电结构(1)、周期性矩形金属贴片阵列(2)为0.018mm厚度金属铜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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