CN116613545B - 一种介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种介质型人工表面等离激元的梳齿状带通滤波阵列天线，包括两个对称的矩形波导，矩形波导位于金属底板上表面的两端、金属底板上表面中间设有梳齿状结构的介质型人工表面等离激元传输结构，介质型人工表面等离激元传输结构上部设有介质辐射片；对称的矩形波导端部分别通过法兰与馈电波导连接，馈电波导上分别安装有SMA连接器；所述介质型人工表面等离激元传输结构由两端的直角梯形过渡段和中间表面等离激元传输线组成。本发明采用梳齿状介质型人工表面等离激元技术，实现了电磁波传输的高频频点处截止频率可控，并且利用人工表面等离激元传输线提供的足够的场束缚能力。此外，本发明具有高口径效率、剖面低、指向性好等特性。

Description

一种介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种介质型人工表面等离激元的梳齿状带通滤波阵列天线。
背景技术
随着科学技术的不断进步与现代通信与日俱增的需求，天线作为无线通信系统中的重要组成部逐渐受到了更多的关注。传统的单极子、偶极子、微带天线等，因其性能单一，不能适应不同的应用环境以及功能多样化的需求，必须选取多种不同类型的天线分别应用不同场景，具有很大的局限性。
滤波阵列天线是一种允许特定频段的波通过天线进行接收或辐射，屏蔽非工作频段的天线，可以大大提高天线在频域上的频率选择性，同时集成了滤波特性的阵列天线，可以有效的提高频谱使用率，是无线通信系统中的一个重要组成部分。利用滤波特性的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析，并且有效保持接收和发射频带的隔离，进而提高通信质量。
Leilei Liu在其发表的论文“Wideband Millimeter-Wave Endfire AntennaBased on Symmetrical Spoof Surface Plasmon Polaritons”(IEEE Transactions onAntennas and Propagation,2021)中提出了一种基于毫米波频段SSPP的新型平面端射天线。和往常一样，具有单面波纹表面的SSPP端射天线由于有限接地平面的影响，从波纹金属齿的平面向上发射倾斜的端射波束。开发了一种改进的SSPP端射天线，该天线在金属带的两侧具有两个对称的波纹表面，其中波纹表面与扩口槽相连，并且通过馈电网络沿表面激发两个相同的法线电场。所提出的SSPP端射天线的设计和制造是为了在模拟和测量中展示其独特的零倾角端射波束。此外，它具有非常低的轮廓，从而为在毫米波通信系统中应用的导电平面或表面上的齐平安装提供了有吸引力的特征。然而，该结构采用介质表面印刷金属表面等离激元传输线，在工作频带实现了远场的电磁辐射，但是无法避免高频电磁波在金属表面的电导损耗以及未实现天线的集成滤波功能，加大了电磁波的传输损耗，降低了信号的信噪比。
Yangbin Jiang在其发表的论文“Wideband Small Aperture Endfire AntennaBased on Spoof Surface Plasmon Polaritons”(IEEE Transactions on Antennas andPropagation,2021)中提出了一种基于奇模SSPP的宽带小孔径端射天线。利用连续线源理论对两种行波天线进行了分析。然而，长度为L0的普通SPP行波天线的最大方向性并不指向端射方向。相位反向交叉用于修改SSPP天线。两段长度为L0/2的奇模SSPP组成了一个二元阵列，并引入了额外的相位。因此，改进的SSPP天线实现了端射辐射。天线的仿真结果与实测结果吻合良好。所提出的天线具有从4到8GHz的宽带宽和高达7.9dBi的最大增益。此外，该天线外形小巧，成本低廉，易于用平面电路制造。该结构采用金属化的表面等离激元结构，无法避免因金属引起的电导损耗。此外，虽然在天线的工作频带内实现了高增益的端射辐射，但是无法实现天线的波束多角度扫描，且该天线不具备天线的集成滤波功能。
发明内容
本发明针对上述现有天线设计中存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有低损耗、高选择性、高效率、带通滤波、易于集成的梳齿状介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线。与传统天线设计不同，本发明在于合理地利用了波导的低频截止技术，不仅有效地降低了滤波天线的传输损耗、屏蔽了外界电磁波的干扰和提高了传输效率，而且实现电磁波传输的低频频点处截止频率可控；此外，采用梳齿状介质型人工表面等离激元技术，实现了电磁波传输的高频频点处截止频率可控，并且利用人工表面等离激元传输线提供的足够的场束缚能力。此外，该天线具有高口径效率、剖面低、指向性好等特性，解决现有技术中存在的口径效率较低、剖面较高、尺寸大和设计复杂的问题。
为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。
一种介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，包括两个对称的矩形波导，矩形波导位于金属底板上表面的两端、金属底板上表面中间设有梳齿状结构的介质型人工表面等离激元传输结构，介质型人工表面等离激元传输结构上部设有介质辐射片；对称的矩形波导端部分别通过法兰与馈电波导连接，馈电波导上分别安装有SMA连接器；
SMA连接器包括左侧SMA连接器和右侧SMA连接器，馈电波导包括左侧馈电波导和右侧馈电波导，矩形波导包括左侧矩形波导和右侧矩形波导；介质型人工表面等离激元传输结构包括位于两端的左侧过渡段、右侧过渡段和中间表面等离激元传输线，所述左侧过渡段和右侧过渡段均为直角梯形过渡段，直角梯形过渡段是由高度递增的梳齿状排列介质片构成；中间表面等离激元传输线是由若干个长度相等、周期性排列的梳齿状排列介质片组成；介质辐射片由上、下平行分布的N组长方形介质片构成，每组长方形介质片包括一个下介质辐射片和一个上介质辐射片。
本发明中，介质型人工表面等离激元传输结构易于与外围电路实现集成连接；使用周期性梳齿结构的介质型人工表面等离激元传输结构作为滤波天线的主传输线，在传输线的两端设置有梯型馈电结构左侧过渡段和右侧过渡段，中间部分的中间表面等离激元传输线由长度和宽度相等且梳齿状结构的连续排列而成。用于微波信号的亚波长传输，并利用其色散效应调控滤波天线内电磁波传输的高频频点处截止频率。从而将电磁波传输的两种截止特性相结合，实现天线的低损耗传输。
作为优选，所述矩形波导由内部填充空气介质的金属材料制成。
作为优选，所述梳齿状过渡段的介质片从该介质层左、右两端向内方向逐渐增长形成直角梯形排列结构，直至与中间表面等离激元传输线连接，各介质片间形成的开口方向相同，且介质片为介电常数为ξr＝5.0～25.0的复合电介质材料，优选的，介电常数为ξr＝16.0。
作为优选，所述介质辐射片由位于中间表面等离激元传输线上方且大小相等、周期性、平行排列的介质辐射片A(601)和介质辐射片B(602)组成；优选的，所述介质辐射片A(601)和介质辐射片B(602)的宽度均为Wr＝3.5～7.5mm，高度均为Lr＝8.0～12.0mm，周期间距均为dr＝4.5～6.5mm；更优选的，所述中间表面等离激元传输线(403)的梳齿宽度W1＝3.5～7.5mm，高度h1＝6.0～12.0mm，周期间距d＝4.5～6.5mm。
作为优选，所述馈电波导高度、宽度分别为h和W，与低频频点处的截止频率fL满足的关系如式(1)所示：
其中，C为光速。
作为优选的，中间表面等离激元传输线的梳齿高度h1与高频频点处截止频率fH满足的关系如式(2)所示：
其中，εr为介质的介电常数，μr为磁导率，C为光速。
作为优选，矩形波导的高度和宽度与馈电波导具有相同的宽度和高度，其宽边的宽度为W，窄边的高度为h，且满足宽度W＝20～30mm、高度h＝10～15mm，使得低频频点处截止频率在6.95～13.9GHz频率范围内可调；中间表面等离激元传输线的梳齿高度W1＝4.0～8.0mm，高度h1＝3.0～9.0mm，周期间距d＝3.5～8.5mm，通过调整h1使得高频频点处截止频率在6.95～13.9GHz频率范围内可调。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明解决了现有基于人工表面等离激元的端射天线存在的口径效率较低、剖面高、辐射方向偏移、横向尺寸大和设计复杂等问题，能够应用于毫米波以及太赫兹频段。
(2)本发明采用梳齿状人工表面等离激元周期性结构引导微波、毫米波以及太赫兹频率电磁波的传输，增强了传输线对电磁波的束缚性，降低了电磁波的传输损耗。
(3)本发明通过调整人工表面等离激元传输线上介质片高度，实现对人工表面等离激元的色散曲线的调控，从而实现对天线工作频率和带宽的调节：当介质片高度增加时，该天线的工作频率降低；当矩形贴片高度降低时，该天线的工作频率升高。
(4)本发明与目前人工表面等离激元侧射天线存在明显区别。结构上：现有的人工表面等离激元侧射天线通常采用周期性金属单元双边对称结构或使用金属寄生单元，本发明介质型人工表面等离激元天线周期性介质单元单边型对称结构；介质型人工表面等离激元传输线作为天线的馈电线，将传输线上的能量耦合到介质辐射片上进行辐射。本发明人工表面等离激元侧射天线，采用矩形波导对人工表面等离激元传输线进行馈电，从而实现能量有效传输和辐射。
(5)本发明提出一种实现矩形波导到介质型表面等离激元的高效转化结构，尤其是结合波导的导波效应和介质型表面等离激元中电磁波的传输形式设计出实现波导到介质型表面等离激元的高效转化的过渡结构，有效的降低了电磁波传输损耗，获得了性能稳定的传输特性，从而获得了一种以介质型材料为基础的高性能带通滤波传输技术，避免了高频电磁波的金属表面损耗，为毫米波及太赫兹频段的滤波天线设计供了技术支持；
本发明利用周期性排列的高介电常数介质片构成人工表面等离激元传输线，通过电磁波在梳齿状人工表面等离激元中传输的色散特性和矩形波导内电磁波传输的低频点处截止频率调控相结合，实现该滤波天线的通带调控和带外抑制。通过调节梳齿状人工表面等离激元传输线中的梳高度h1，可以实现电磁波传输的高频频点处截止频率调控。此外，通过调节矩形波导的宽度W、高度h，实现电磁波传输的低频频点处截止频率调控，从而实现滤波天线的带通特性。
本发明充分利用矩形波导的导波优势和梳齿状介质人工表面激元的慢波、低损耗优点，不仅实现了天线的通带辐射调控和带外抑制，而且本发明电路具有与其它电路易于集成的特性。本发明的天线，与目前加工/压铸过程完全兼容，并不需要特殊的制造工艺和制造过程。因此，结构简单、容易加工，成本较低。因此，本发明可以广泛地应用于微波、毫米波、太赫兹电路以及基站等无线通讯系统中。
附图说明
图1是本发明滤波天线剖面结构图；
图2是本发明滤波天线分层结构图；
图3是本发明滤波天线电路尺寸图；
图4是介质型人工表面等离激元传输结构尺寸图；
图5是本发明人工表面等离激元带通滤波天线的S参数；
图6为50°指向远场辐射方向图；
图7为18°指向远场辐射方向图。
图中：1、SMA连接器；101、左侧SMA连接器；102、右侧SMA连接器；2、馈电波导；201、左侧馈电波导；202、右侧馈电波导；3、矩形波导；301、左侧矩形波导；302、右侧矩形波导；4、介质型人工表面等离激元传输结构；401、左侧过渡段；402、右侧过渡段；403、中间表面等离激元传输线；5、金属底板；6、介质辐射片；601、下介质辐射片；602、上介质辐射片。
具体实施方式
下面结合具体实施例来进一步描述本发明，本发明的优点和特点将会随着描述而更为清楚。但实施例仅是范例性的，并不对本发明的范围构成任何限制。本领域技术人员应该理解的是，在不偏离本发明的精神和范围下可以对本发明技术方案的细节和形式进行修改或替换，但这些修改和替换均落入本发明的保护范围内。
实施例1：一种介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线
如图1-图4，所述介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线包括两个对称的矩形波导3，矩形波导3位于金属底板5上表面的两端、金属底板上表面中间设有梳齿状结构的介质型人工表面等离激元传输结构4，介质型人工表面等离激元传输结构4上部设有介质辐射片6；对称的矩形波导3端部分别通过法兰与馈电波导2连接，馈电波导2上分别安装有SMA连接器1，用于将电磁能量输入馈电波导或能量输出；
SMA连接器1包括左侧SMA连接器101和右侧SMA连接器102，馈电波导2包括左侧馈电波导201和右侧馈电波导202，当其中一侧馈电波导输入时，另一侧馈电波导输出；矩形波导3包括左侧矩形波导301和右侧矩形波导302，当其中一侧矩形波导与介质型人工表面等离激元传输结构4匹配输入时，另一侧矩形波导与介质型人工表面等离激元传输结构4匹配输出；介质型人工表面等离激元传输结构4包括位于两端的左侧过渡段401、右侧过渡段402和中间表面等离激元传输线403，所述左侧过渡段401和右侧过渡段403均为直角梯形过渡段，直角梯形过渡段是由高度递增的梳齿状排列介质片构成；中间表面等离激元传输线403是由若干个长度相等、周期性排列的梳齿状排列介质片组成；介质辐射片6由上、下平行分布的N组长方形介质片构成，每组长方形介质片包括一个下介质辐射片601和一个上介质辐射片602，通过调节介质辐射片与传输线之间的耦合强度，可以有效的调节滤波天线的辐射效率。
所述矩形波导3由内部填充空气介质的金属材料制成；所述梳齿状过渡段的介质片从该介质层左、右两端向内方向逐渐增长形成直角梯形排列结构，直至与中间表面等离激元传输线403连接，各介质片间形成的开口方向相同。
实施例2：
在实施例1的基础上，介质型人工表面等离激元传输结构4中介质片为介电常数为ξr＝16.0的复合电介质材料，所述介质辐射片A(601)和介质辐射片B(602)的宽度均为Wr＝5mm，高度均为Lr＝9.0mm，周期间距均为dr＝5.5mm；所述馈电波导2与矩形波导3具有相同的宽度和高度，且宽边的宽度为W，窄边的高度为h，且满足宽度W＝25mm、高度h＝13mm。与低频频点处的截止频率fL满足的关系如式(1)所示：
其中，C为光速。
所述中间表面等离激元传输线403的梳齿宽度W1＝7.0mm，梳齿高度h1＝6.75mm，周期间距d＝6.5mm，梳齿高度h1与高频频点处截止频率fH满足的关系如式(2)所示：
其中，εr为介质的介电常数，μr为磁导率，C为光速。
实施例3：
所述表面等离激元传输线403的梳齿结构都可以支持SSPPs模式，特征阻抗近似计算公式关系如下：
其中，Li表示传输线分布参数电感，C表示传输线分布参数的电容。通过调节表面等离激元传输线宽度W1，可以改变传输线的阻抗，从而实现更好的阻抗匹配。
试验例：本发明的效果结合仿真结果作进一步说明
1、仿真内容
1.1利用商业仿真软件对上述实施方式中天线的S参数进行仿真计算，结果如图5所示，天线的工作频率为6.95～13.9GHz。
1.2利用商业仿真软件对上述实施方式中人工表面等离激元带通滤波阵列天线进行仿真计算，结果如图6所示，通过以上仿真结果的对比不难发现，滤波天线具有稳定的增益和方向图，可以实现远距离定向通信。
1.3利用商业仿真软件对上述实施方式中人工表面等离激元带通滤波阵列天线进行仿真计算，结果如图6、图7所示，通过以上仿真结果的对比不难发现，滤波天线具有方向图随着频率的变化，其方向图指向度也发生了变化，可以方向图指向可变的远距离通信。
2、仿真结果
如图5所示，以有源回波损耗小于-10dB为标准，提供了一种宽带5G滤波天线的宽频带阻抗特性和滤波特性，从图中可以看出所设计的天线可以覆盖6.95～13.9GHz，且在过渡带具有很好的矩形系数，抑制带外信号的干扰。
如图6和图7所示，天线在两个谐振点处的仿真及测试的归一化二维辐射方向图，两个谐振点E面方向图显示，天线主波束在两个谐振点处的倾角分别为50°、18°，表明本天线具有良好的定向辐射特性和波束随频率变化特性。

Claims (10)

1.一种介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述阵列天线包括两个对称的矩形波导(3)，矩形波导(3)位于金属底板(5)上表面的两端、金属底板(5)上表面中间设有梳齿状结构的介质型人工表面等离激元传输结构(4)，介质型人工表面等离激元传输结构(4)上部设有介质辐射片(6)；对称的矩形波导(3)端部分别通过法兰与馈电波导(2)连接，馈电波导(2)上分别安装有SMA连接器(1)；
SMA连接器(1)包括左侧SMA连接器(101)和右侧SMA连接器(102)，馈电波导(2)包括左侧馈电波导(201)和右侧馈电波导(202)，矩形波导(3)包括左侧矩形波导(301)和右侧矩形波导(302)；介质型人工表面等离激元传输结构(4)包括位于两端的左侧过渡段(401)、右侧过渡段(402)和中间表面等离激元传输线(403)，所述左侧过渡段(401)和右侧过渡段(402)均为直角梯形过渡段，直角梯形过渡段是由高度递增的梳齿状排列介质片构成；中间表面等离激元传输线(403)是由若干个长度相等、周期性排列的梳齿状排列介质片组成；介质辐射片(6)由上、下平行分布的N组长方形介质片构成，每组长方形介质片包括一个下介质辐射片(601)和一个上介质辐射片(602)。
2.根据权利要求1所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述矩形波导(3)由内部填充空气介质的金属材料制成。
3.根据权利要求1所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述梳齿状过渡段的介质片从该介质层左、右两端向内方向逐渐增长形成直角梯形排列结构，直至与中间表面等离激元传输线连接，各介质片间形成的开口方向相同。
4.根据权利要求3所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述介质片为介电常数为ξr＝5.0～25.0的复合电介质材料。
5.根据权利要求4所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述介电常数为ξr＝16.0。
6.根据权利要求1所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述介质辐射片(6)由位于中间表面等离激元传输线(403)上方，且由大小相等、周期性、平行排列的介质辐射片A(601)和介质辐射片B(602)组成；优选的，所述介质辐射片A(601)和介质辐射片B(602)的宽度均为Wr＝3.5～7.5mm，高度均为Lr＝8.0～12.0mm，周期间距均为dr＝4.5～6.5mm。
7.根据权利要求1所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述馈电波导(2)高度、宽度分别为h和W，与低频频点处的截止频率fL满足的关系如式(1)所示：
其中，C为光速。
8.根据权利要求1所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述中间表面等离激元传输线(403)的梳齿高度h1与高频频点处截止频率fH满足的关系如式(2)所示：
其中，εr为介质的介电常数，μr为磁导率，C为光速。
9.根据权利要求7所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述馈电波导(2)与矩形波导(3)具有相同的宽度和高度，其宽边的宽度为W，窄边的高度为h，且满足宽度W＝20～30mm、高度h＝10～15mm。
10.根据权利要求8所述的介质型人工表面等离激元带通滤波阵列天线，其特征在于，所述中间表面等离激元传输线(403)的梳齿宽度W1＝4.0～8.0mm，高度h1＝3.0～9.0mm，周期间距d＝3.5～8.5mm。
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