CN109768383B - 一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线 - Google Patents
一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于天线技术领域，公开了一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线，包括：一个辐射器和一个金属反射板；辐射器放置在地板上方；辐射器包括一个由人工表面等离激元波导和平行双线传输线组成的功率分配网络和由四个存在相互耦合的偶极子构成的辐射结构组成；辐射器都印制在双层覆铜介质板上。与传统的平行双线同时应用，设计出了在微波频段具有高效传输和移向功能的功率分配器，再使用该功率分配器激励四个紧耦合偶极子，形成圆极化辐射。并进行了全波电磁仿真和加工测试，验证了该天线在所设计的频段内能够实现圆极化辐射。本发明具有结构简单，无需额外延时线结构、结构尺寸小、质量轻和易加工等特点，有着广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，尤其涉及一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：表面等离激元(surface plasmonpolaritons，SPPs)是一种表面电磁波，根据麦克斯韦方程组推导可知，其存在于介电常数相反的两种介质交界面上。由于在可见光频段，金属具有负的介电常数，其内部的自由电子呈等离子态，所以在金属表面存在着自然状态下的表面等离激元。但是在更低的频率下，如微波频段，金属表现为理想电导体而不是等离子体。为了在红外频率以下激发表面等离激元，等离子体超材料的概念应运而生。已有研究证明一种超薄的等离子体波纹结构可以在微波及太赫兹波段支持类似于可见光频段的表面等离激元传输，被称为人工表面等离激元。基于此理论，很多微波器件，比如滤波器、环形器被提出。除微波器件外，许多天线也被设计出来，利用了人工表面等离基元的特性，漏波天线以及行波天线被提出。但是这些天线，都是线极化天线。线极化天线由于在通信***中对于发射天线和接收天线的极化匹配要求严格，应用范围受限，而圆极化天线能以更低的极化匹配要求工作，能够大大拓宽了应用范围。由于大家对于人工表面等离激元的传输性能关注更多，因此关于使用了人工表面等离激元的圆极化的天线几乎没有。本发明提出的圆极化天线大大拓宽了人工表面等离激元在天线领域的应用。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的天线都是线极化天线，关于使用了人工表面等离激元的圆极化的天线几乎没有。
解决上述技术问题的难度和意义：圆极化辐射形成的因素有三条：首先是两个幅度相等的电磁波矢量；其次是这两个矢量的空间指向相互垂直；最后是这两个矢量的相位相差90度。人工表面等离激元在本发明中的作用是作为功率分配器的两个传输线，在分配能量的同时移向，简化了馈电结构，省去了延时线。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线。
本发明是这样实现的，一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线，所述基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线包括：一个辐射器和一个金属反射板；
辐射器放置在地板上方；
辐射器包括一个由人工表面等离激元波导和平行双线传输线组成的功率分配网络和由四个存在相互耦合的偶极子构成的辐射结构组成；
辐射器都印制在双层覆铜介质板上。
进一步，所述功率分配网络包括五个端口，一个输入端口和四个输出端口；
两端物理长度相同的人工表面等离激元波导和平行双线传输线，两个输出端口和另外两个输出端口存在90度的输出相位差。
进一步，人工表面等离激元单元和平行双线传输线单元的色散曲线，具体的参数p，w2，a，h。其中p是每个SSPP单元的长度，w2是SSPP单元的长度，a和h分别是SSPP单元的槽的宽度和深度。
进一步，功率分配器包含一个输入端口和四个输出端口，输入端口位于整个结构的几何中心，四个输出被分成两组。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线的无线通信***。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：基于双层波纹结构的人工表面等离基元传输波导，能够在微波频段实现与光学频段下自然存在的表面等离基元类似的电磁效应，如色散及强场束缚效应。通过常用的平行双线变换结构增强了其应用的广泛性，并且能够实现和相同物理长度的平行双线存在可计算的相位差。功率分配网络，能实现等功率、相位相差90度的4端口(两组)输出。公分网络激励的四个紧耦合偶极子，能实现方向图稳定的圆极化辐射。
本发明利用本征模计算方法分析双层波纹结构的色散特性，模拟光学频段自然存在的人工表面等离激元，通过构建平行双线激励的过渡结构；与传统的平行双线同时应用，设计出了在微波频段具有高效传输和移向功能的功率分配器，再使用该功率分配器激励四个紧耦合偶极子，形成圆极化辐射。并进行全波电磁仿真和加工测试，验证了该天线在所设计的频段内能够实现圆极化辐射。该圆极化天线具有结构简单，无需额外延时线结构、结构尺寸小、质量轻和易加工等特点，在新型圆极化天线领域有着广阔的应用前景。
本发明的新型人工电磁材料是指一种具有天然媒质所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合媒质，通过改变单元结构及其空间排列来达到控制材料电磁特性的目的。通过人工设计其单元结构，可以控制材料的等效介电常数、磁导率、折射率、波阻抗等电磁参数，实现自然界存在的材料所不具有的性质。
与现有技术相比，本发明的优势是：
1、本发明利用双层的波纹交叉结构实现微波频段的人工表面等离激元传输形式。场束缚效应明显，有利于集成低串扰人工表面等离激元器件电路。
2、结构简单，加工方便，成本低，重量轻。本发明提出的圆极化天线，采用平衡双线和人工表面等离激元波导组成的馈电结构，结构简单，不需要额外的λ/4长度的相位延时线结构，加工方便，加工成本低。
3、本发明使用简单的结构，实现了宽的阻抗带宽和较宽的3-dB轴比带宽，显示了其宽带的高性能特性。
4、在本发明中，相互耦合的偶极子被用来作为辐射器，由于耦合特性，在展宽天线的同时，使天线谐振在f0频率下，相比较于原来高的谐振频率，完成了天线的小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的双层波纹结构的人工表面等离激元波导单元和平行双线单元的色散曲线对比示意图。
图3是本发明实施例提供的功分器的具体结构和端口示意以及仿真结果示意图。
图4是本发明实施例提供的圆极化天线的S参数、轴比和增益结果示意图。
图5是本发明实施例提供的圆极化天线的增益结果和在中心频点的辐射方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明利用双层人工表面等离激元传输线结构传输电磁能量，并与常用的平行双线传输线进行共同应用，设计一个能实现四个等功率、相位相差90度的输出端口；再使用功分网络激励四个紧耦合偶极子，实现圆极化辐射。用于微波频段的电磁波辐射。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线包括：一个辐射器1和一个金属反射板2。
辐射器1放置在金属反射板2上方，辐射器1包括一个由人工表面等离激元波导和平行双线传输线组成的功率分配网络和由四个存在相互耦合的偶极子构成的辐射结构组成。功率分配网络包括五个端口，一个输入端口和四个输出端口。两端物理长度相同的人工表面等离激元波导和平行双线传输线，由于单元色散特性的差异，实现两个输出端口和另外两个输出端口具有相同的输出功率的同时还能存在90度的输出相位差。四个通过波纹结构实现耦合的偶极子放置在功分器的四个输出端口上被激励，实现圆极化辐射。辐射器都被直接印制在一个双层覆铜介质板上。
图1是本发明的具体结构和参数。天线由一个印刷在介质板上的辐射器和一个金属地板构成。其中辐射器包含一个基于人工表面等离激元和平行双线传输线的功分网络，四个相互耦合的偶极子被功分网络的四个端口分别激励。天线的主要参数：h0，w0，w3，w4，d_w，d_l，w1。其中h0是辐射结构距离金属反射板的距离，w0是金属反射板的边长，w3是耦合部分的宽度，w4是耦合枝节的长度，d_w是偶极子的宽度，d_l是包括耦合枝节部分在内的偶极子的长度， w1是平行双线传输线的宽度。
图2是本发明中的人工表面等离激元单元和平行双线传输线单元的色散曲线，由于人工表面等离激元的束缚作用，在相同频率下，两种单元具有不同的波数，利用此特点，所设计的天线能够不使用额外的延时线而实现圆极化辐射。具体的参数p，w2，a，h。其中p是每个SSPP单元的长度，w2是SSPP单元的长度，a和h分别是SSPP单元的槽的宽度和深度。
图3是本发明中所使用的功率分配器。该功率分配器包含一个输入端口和四个输出端口，输入端口位于整个结构的几何中心，四个输出可以被分成两组 (端口2和3，端口4和5)；两组端口能实现近似相等功率和相位相差90度的输出信号。
图4给出了本发明涉及的天线的S参数、轴比以及增益结果。结果表明，天线实现了一个很宽的阻抗带宽和较宽的轴比带宽。表明该天线能工作在一个非常宽的频带范围内以及能在一个较宽的频带范围内实现稳定增益的圆极化辐射。
图5给出了该圆极化天线在工作频带的中心频点处的辐射方向图。可以看出，天线在该点的辐射方向图有低的交叉极化和较宽的辐射波束。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
本发明利用本征模计算方法分析双层波纹结构的色散特性，模拟光学频段自然存在的人工表面等离激元，通过构建平行双线激励的过渡结构；与传统的平行双线同时应用，设计出了在微波频段具有高效传输和移向功能的功率分配器，再使用该功率分配器激励四个相互耦合的偶极子，形成相位正交，幅度相等，方向正交的两个电场矢量分量，从而满足圆极化的形成要求，形成圆极化辐射。并进行全波电磁仿真和加工测试，验证了该天线在所设计的频段内能够实现圆极化辐射。该圆极化天线具有结构简单，无需额外延时线结构，在新型圆极化天线领域有着广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线，其特征在于，所述基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线包括：一个辐射器和一个金属反射板；
辐射器放置在地板上方；
辐射器包括一个由人工表面等离激元波导和平行双线传输线组成的功率分配网络和由四个存在相互耦合的偶极子构成的辐射结构组成；
辐射器都印制在双面覆铜介质板上；
所述功率分配网络包括五个端口，一个输入端口和四个输出端口；
两端物理长度相同的人工表面等离激元波导和平行双线传输线；两个输出端口和另外两个输出端口存在90度的输出相位差；
人工表面等离激元单元和平行双线传输线单元的色散曲线，参数分别是p，w2，a，h，其中p是每个SSPP单元的长度，w2是SSPP单元的长度，a和h分别是SSPP单元的槽的宽度和深度；
功率分配网络包含一个输入端口和四个输出端口，输入端口位于整个结构的几何中心，四个输出被分成两组。
2.一种应用权利要求1所述基于双层人工表面等离激元传输线移相的圆极化天线的无线通信***。
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