CN105552544A - 一种端射式的人工表面等离激元天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种端射式的人工表面等离激元天线，包括介质基板、微带线、表面等离激元波导、微带线到表面等离激元波导的过渡传输线、印刷偶极子和I形结构谐振器阵列；该端射式人工表面等离激元天线工作在微波频段，以微带线进行馈电，并通过过渡传输线过渡到表面等离激元波导，利用人工表面等离激元波导作为激励，印刷偶极子作为主要辐射部分，同时利用I形结构谐振器阵列实现辐射性能的提高。本发明结构简单，易于加工，体积小，增益高、辐射效率高，可以实现人工表面等离激元在端射方向的辐射。

Description

一种端射式的人工表面等离激元天线
技术领域
本发明属于新型人工电磁媒质以及无线通信***电子器件领域，具体涉及一种端射式的人工表面等离激元天线。
背景技术
近几年来，人工表面等离激元在科研和工程领域引起了人们极大的兴趣，人工表面等离激元波导被认为是微波段到太赫兹段很具前景的一种新型传输线。典型的人工表面等离激元波导利用金属表面层上的一维或者二维的亚波长周期结构实现人工表面等离激元的传播。其中，很多有价值的工作都是利用亚波长的褶皱结构实现的。要实现人工表面等离激元波导的广泛应用，就需要将其与传统波导结合起来。随着传统波导到人工表面等离激元波导的过渡结构逐渐简化，基于人工表面等离激元的功能器件也逐渐引起了大家的兴趣。
任何通信***中必不可少的部分就是天线，人工表面等离激元通信***也不例外。虽然现在已经有一些基于人工表面等离激元的天线结构，但是它们都比较复杂，天线体积也比较大。印刷偶极子作为最基础、应用最普遍的天线，在射频电路设计和工程应用中都是非常方便的。然而在微波和太赫兹波段，偶极子的增益往往不是很高。幸运的是，具有特殊性质的超材料可以解决偶极子在微波及太赫兹频段的增益不高的问题。因此若能将三者结合，人工表面等离激元和印刷偶极子都将会有更加广阔的应用范围。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出了一种端射式的人工表面等离激元天线。该结构利用传统的微带传输线进行馈电，利用对踵放置在介质上下两层的宽度渐变的金属带线结构和槽深渐变的单边褶皱带线实现了从微带传输线到表面等离激元波导的高效转换，同时利用表面等离激元波导对印刷偶极子进行馈电；再利用I形结构谐振器阵列对印刷偶极子的辐射特性做进一步的提高。
技术方案：本发明提出的技术方案为：一种端射式的人工表面等离激元天线，包括介质基板、微带线1、表面等离激元波导3、微带线1到表面等离激元波导3的过渡传输线2、印刷偶极子4和I形结构谐振器阵列5；
微带线1包括分别设置在介质板上下两侧的金属线和金属地；微带线1通过过渡传输线2与表面等离激元波导3相连；表面等离激元波导3包括分别设置在介质板上下两侧、对踵放置的带状线，带状线的宽度与微带线1中的金属线的宽度相等，带状线上设有周期性排列的、深度相等的凹槽；印刷偶极子4的两臂分别与表面等离激元波导3上下两侧的带状线相连；微带线1通过过渡传输线2为表面等离激元波导3馈电，过渡传输线2实现微带线1和表面等离激元波导3之间的波数匹配和阻抗匹配；电磁波信号经表面等离激元波导3传输至印刷偶极子4并由印刷偶极子4辐射出去；I形结构谐振器阵列5设置在印刷偶极子4输出端并与印刷偶极子4之间隔开距离M㎜；I形结构谐振器阵列5用于增加端射式的人工表面等离激元天线的增益。
进一步的，所述过渡传输线2包括相连的第一过渡传输线2a和第二过渡传输线2b；第一过渡传输线2a包括微带线1上层金属线的等宽延伸部分和下层金属地的宽度渐变延伸部分，宽度渐变延伸部分的宽度沿延伸方向由大到小渐变直至与微带线1上层金属线的宽度相等；第二过渡传输线2b包括分别设置在介质板上下两侧的、与微带线1上层金属线宽度相等的单边褶皱带状线，单边褶皱带状线上沿长度方向设有周期性排列的凹槽，单边褶皱带状线上的凹槽深度沿长度方向逐渐加深直至与表面等离激元波导3上的凹槽深度相等。
进一步的，所述I形结构谐振器阵列5包括8个由超材料制成的I形结构谐振器，I形结构谐振器由一根纵向金属线和连接在纵向金属线两端的横向金属线组成，纵向金属线长度为5.5mm，横向金属线长度为5mm，纵向金属线和横向金属线的宽度均为0.6mm相邻两个I形结构谐振器的间隔为0.7mm。
进一步的，所述表面等离激元波导3上的凹槽为矩形凹槽，矩形凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。
进一步的，所述印刷偶极子4的两臂臂长均为11mm。
有益效果：本发明利用传统的微带传输线进行馈电，利用对踵放置在介质上下两层的宽度渐变的金属带线结构和槽深渐变的单边褶皱带线实现了从微带传输线到表面等离激元波导的高效转换，同时利用表面等离激元波导对印刷偶极子进行馈电；再利用I形结构谐振器阵列对印刷偶极子的辐射特性做进一步的提高。相比于已有的基于人工表面等离激元的天线，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，增益高、辐射效率高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信***中有着重要的前景。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明上下两层结构拆分图；
图3为I形结构谐振器的关于散射参数(传输系数和反射系数)和频率的关系图；
图4为I形结构谐振器根据散射参数反演的等效折射率关于频率的关系图；
图5为仅由印刷偶极子辐射的增益和增加了I型结构谐振器阵列后的辐射增益对比图；
图6为所述端射式的人工表面等离激元天线的反射系数与频率关系的仿真和测试图；
图7为所述端射式的人工表面等离激元天线的实测归一化远场辐射方向图；
图8为所述端射式的人工表面等离激元天线的增益曲线。
图中：1、微带线，2、过渡传输线，3、表面等离激元波导4、印刷偶极子，5、I形结构谐振器阵列。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。
本发明提出了一种端射式的人工表面等离激元天线，其目的在于实现在端射方向的电磁波辐射。
所述端射式的人工表面等离激元天线利用传统的微带传输线进行馈电，利用对踵放置在介质上下两层的宽度渐变的金属带线结构和槽深渐变的单边褶皱带线实现了从微带传输线到表面等离激元波导的高效转换，同时利用表面等离激元波导对印刷偶极子进行馈电；再利用I形结构谐振器阵列对印刷偶极子的辐射特性做进一步的提高。相比于已有的基于人工表面等离激元的天线，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，增益高、辐射效率高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信***中有着重要的前景。
如图1和图2所示为本发明的结构示意图，包括介质基板、微带线1、表面等离激元波导3、微带线1到表面等离激元波导3的过渡传输线2、印刷偶极子4和I形结构谐振器阵列5；
微带线1包括分别设置在介质板上下两侧的金属线和金属地；微带线1通过过渡传输线2与表面等离激元波导3相连；表面等离激元波导3包括分别设置在介质板上下两侧、对踵放置的带状线，带状线的宽度与微带线1中的金属线的宽度相等，带状线上设有周期性排列的、深度相等的凹槽；印刷偶极子4的两臂分别与表面等离激元波导3上下两侧的带状线相连；微带线1通过过渡传输线2为表面等离激元波导3馈电，过渡传输线2实现微带线1和表面等离激元波导3之间的波数匹配和阻抗匹配；电磁波信号经表面等离激元波导3传输至印刷偶极子4并由印刷偶极子4辐射出去；I形结构谐振器阵列5设置在印刷偶极子4输出端并与印刷偶极子4之间隔开距离M㎜；I形结构谐振器阵列5用于增加端射式的人工表面等离激元天线的增益。
作为本发明的优选实施方式，所述过渡传输线2包括相连的第一过渡传输线2a和第二过渡传输线2b；第一过渡传输线2a包括微带线1上层金属线的等宽延伸部分和下层金属地的宽度渐变延伸部分，宽度渐变延伸部分的宽度沿延伸方向由大到小渐变直至与微带线1上层金属线的宽度相等；第二过渡传输线2b包括分别设置在介质板上下两侧的、与微带线1上层金属线宽度相等的单边褶皱带状线，单边褶皱带状线上沿长度方向设有周期性排列的凹槽，单边褶皱带状线上的凹槽深度沿长度方向逐渐加深直至与表面等离激元波导3上的凹槽深度相等。本发明采用第一过渡传输线2a和第二过渡传输线2b两重过渡结构，便于实现两种波导之间的波数匹配和阻抗匹配，进而实现功率传输最大化。微带传输线1阻抗设计匹配到50欧姆，便于实现最大功率传输。
图3给出了I形结构谐振器的关于散射参数(传输系数和反射系数)和频率的关系图，图4给出了I形结构谐振器根据散射参数反演的等效折射率关于频率的关系图；根据斯涅尔定律，n1sinθ1＝n2sinθ2，在入射角θ1不变的情况下，折射角θ1随着折射率n1的增加而增加，这样能量就会向端射的参考面汇聚，因此辐射增益可以得到一定程度上的提高。添加了I形结构谐振器阵列5的介质等效折射率可以根据仿真的I形结构谐振器单元的散射参数反演得出。反演公式如下：
n = 1 k 0 d c o s [ 1 2 S 11 ( 1 - S 11 2 + S 21 2 ) ]
其中，k0是自由空间入射波的波数，d是单元结构的周期，n即为所求的添加了I形结构谐振器阵列的介质等效折射率。根据仿真的散射参数图可以看出，当I形结构谐振器单元工作在谐振频率点时，传输系数非常小，可以认为I形结构谐振器阵列此时不能传播电磁波。所以，若要使增益增大，在设计I形结构谐振器的尺寸时，就要使I形结构谐振器的谐振频率点避开天线的工作频率，同时在天线的工作频率点得到的介质等效折射率越大越好。另外，反演得出的等效折射率图中的虚部表征了单元结构对于电磁波的吸收。即虚部越大则损耗越大，增益就越小。因此，虚部尽量小也是设计I形结构谐振器单元尺寸的时候必须要考虑的因素。
综合以上，本发明的另一优选实施方式为：所述I形结构谐振器阵列5包括8个由超材料制成的I形结构谐振器，I形结构谐振器由一根纵向金属线和连接在纵向金属线两端的横向金属线组成，纵向金属线长度Ls2＝5.5mm，横向金属线长度为Ls1＝5mm，纵向金属线和横向金属线的宽度Iw均为0.6mm，相邻两个I形结构谐振器的间隔为0.7mm。
图5给出了仿真的没有I形结构谐振器阵列时的增益图以及添加了上述技术方案中I型结构谐振器阵列后的增益图。从图中可以明显的看出I形结构谐振器阵列对于提高增益的效果，添加了I形结构谐振器阵列之后的增益比原先增加了5dBi。
图6为所述端射式的人工表面等离激元天线的反射系数与频率关系的仿真和测试图，由图可知，实验结果和仿真结果吻合的比较好。可以看到，所述端射式的人工表面等离激元天线在工作频率(6GHz)处的反射系数小于-10dB，说明电磁波能量均沿表面等离激元波导传向印刷偶极子，很少有能量被反射回端口。
图7为所述端射式的人工表面等离激元天线的实测归一化远场辐射方向图。此图进一步证明了有电磁波被辐射出去。
图8为所述端射式的人工表面等离激元天线的增益曲线。实验结果和仿真结果吻合，最终的天线增益达7dBi。说明了所述端射式的人工表面等离激元天线的成功。
需要说明的是，术语“上”、“下”、“纵向”、“横向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”“第二”等仅用于区分描述，因此不能理解为只是或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解。
以上所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和出示的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种端射式的人工表面等离激元天线，其特征在于包括介质基板、微带线(1)、表面等离激元波导(3)、微带线(1)到表面等离激元波导(3)的过渡传输线(2)、印刷偶极子(4)和I形结构谐振器阵列(5)；
微带线(1)包括分别设置在介质板上下两侧的金属线和金属地；微带线(1)通过过渡传输线(2)与表面等离激元波导(3)相连；
表面等离激元波导(3)包括分别设置在介质板上下两侧、对踵放置的带状线，带状线的宽度与微带线(1)中的金属线的宽度相等，带状线上设有周期性排列的、深度相等的凹槽；
印刷偶极子(4)的两臂分别与表面等离激元波导(3)上下两侧的带状线相连；
微带线(1)通过过渡传输线(2)为表面等离激元波导(3)馈电，过渡传输线(2)实现微带线(1)和表面等离激元波导(3)之间的波数匹配和阻抗匹配；电磁波信号经表面等离激元波导(3)传输至印刷偶极子(4)并由印刷偶极子(4)辐射出去；
I形结构谐振器阵列(5)设置在印刷偶极子(4)输出端并与印刷偶极子(4)之间隔开距离M㎜；I形结构谐振器阵列(5)用于增加端射式的人工表面等离激元天线的增益。
2.根据权利要求1所述的一种端射式的人工表面等离激元天线，其特征在于，所述过渡传输线(2)包括相连的第一过渡传输线(2a)和第二过渡传输线(2b)；第一过渡传输线(2a)包括微带线(1)上层金属线的等宽延伸部分和下层金属地的宽度渐变延伸部分，宽度渐变延伸部分的宽度沿延伸方向由大到小渐变直至与微带线(1)上层金属线的宽度相等；第二过渡传输线(2b)包括分别设置在介质板上下两侧的、与微带线(1)上层金属线宽度相等的单边褶皱带状线，单边褶皱带状线上沿长度方向设有周期性排列的凹槽，单边褶皱带状线上的凹槽深度沿长度方向逐渐加深直至与表面等离激元波导(3)上的凹槽深度相等。
3.根据权利要求1所述的一种端射式的人工表面等离激元天线，其特征在于，所述I形结构谐振器阵列(5)包括8个由超材料制成的I形结构谐振器，I形结构谐振器由一根纵向金属线和连接在纵向金属线两端的横向金属线组成，纵向金属线长度为5.5mm，横向金属线长度为5mm，纵向金属线和横向金属线的宽度均为0.6mm相邻两个I形结构谐振器的间隔为0.7mm。
4.根据权利要求1所述的一种端射式的人工表面等离激元天线，其特征在于，所述表面等离激元波导(3)上的凹槽为矩形凹槽，矩形凹槽宽度为2mm，深度为4mm，凹槽间距为5mm。
5.根据权利要求1所述的一种端射式的人工表面等离激元天线，其特征在于，所述印刷偶极子(4)的两臂臂长均为11mm。
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