CN110380217B - 基于人工表面等离子激元的高增益端射天线 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于人工表面等离子激元（Spoof Surface Plasmon Polaritons,SSPPs）的高增益端射天线，包含了介质基片、上层金属贴片和下层金属贴片；所述的上层金属贴片位于介质基片的上表面，包括微带传输线、渐变形过渡槽、SSPPs传输线、偶极子的一部分以及引向器；所述的下层金属贴片位于介质基片的下表面，包括接地面、渐变形过渡槽、SSPPs传输线以及偶极子的一部分。该结构采用人工表面等离子体激元波导传输能量，在终端利用偶极子实现辐射，并且在天线的末端引入八木天线的引向器，利用接地面代替八木天线的反射器，从而提高增益。本发明优化了传统的偶极子端射天线，设计结构简单，工作带宽增大，减小了天线间的互耦，大幅度提高了天线增益。

Description

基于人工表面等离子激元的高增益端射天线
技术领域
本发明涉及一种基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，可用于微波技术领域。
背景技术
人工表面等离子体激元波导被认为是GHz到THz区域传输线的理想选择，近几年被科学界和工程界广泛关注。最常用的是利用周期性沟槽结构来引导人工表面等离子体激元波，并基于这种波导结构设计了多种天线、滤波器、耦合器等多种无源器件。人工表面等离子激元的发展主要依赖于SPP波的辐射，现以实现的多种辐射方式为基于人工表面等离子激元的天线开辟了道路，但其中却大部分天线的体积较大，相对复杂，因此，我们考虑了其他辐射单元。偶极子作为最基本、最常用的天线，由于其制作方便、与射频电路集成方便，在天线工程中得到了广泛的应用。然而，当应用于太赫兹频率的微波时，偶极子的增益明显偏低。随着超材料在不同的天线中不断的应用，完全可以利用超材料实现带宽和增益的增强、波束聚焦和频率重构。本发明设计的天线就是将超材料技术和偶极子向结合，使得到更广泛的应用。
发明内容
了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供一种基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，解决了偶极子天线增益低的问题并且为今后研究具有增益更高的天线打下基础。
本发明将通过以下技术方案得以实现：基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，高增益端射天线为单层结构，包含了介质基片、顶层金属层和底层金属层；顶层金属层位于介质基片的上表面，包括微带传输线、渐变形过渡槽、SSPPs传输线、偶极子的一部分以及引向器；底层金属层位于介质基片的下表面，包括接地面、渐变形过渡槽、SSPPs传输线以及偶极子的一部分；微带传输线馈电经过渐变过渡槽后采用SSPPs传输线波导传输能量，在终端利用偶极子实现能量辐射，在天线的末端引入八木天线的引向器，利用接地面代替八木天线的反射器，提高增益，形成高增益端射天线。
本发明进一步限定的技术方案为：
优选地，所述顶层金属层中微带传输线（5）到SSPPs传输线（7）中间的过渡带采用梯形渐变槽结构。
优选地，渐变槽一共有8个，依次加深，直至和SSPPs传输线的槽等深。
优选地，所述顶层金属层中SSPPs传输线结构是梳状周期结构，每一个沟槽的高度和宽度都是相同的。
优选地，所述顶层金属层右端的引向器从左到右间距是逐渐增大的，长度是逐渐缩短的。
优选地，所述底层金属层的接地面是一个U形接地面。
优选地，所述底层金属层中的传输线和偶极子同上表面金属的传输线和偶极子是完全对称反向的，即形状、大小相同，方向相反。
优选地，所述的介质基片为FR4介质板，介电常数为2.65，厚度为0.8毫米。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：该高增益端射天线结构简单、体积小、易于集成，与传统的偶极子天线相比，所提出的基于SSPPs的高增益端射天线***能够保持能量的完整性和较小的波导损耗。同时，由于人工表面等离子激元的束缚性很强，人工表面等离子激元波导能够提供更紧凑的平面结构，可以在没有明显相互耦合的情况下，与其他平面器件进行制作。与现有的SSPPs天线相比，该结构具有更小的尺寸。仿真的试验结果也表明该结构具有良好的性能。结果显示，在设计频率为6ghz时，基于SSPPs的高增益端射天线增益能达到9.5dBi。
本发明优化了偶极子天线，首先扩展了天线的接地面，使得天线后端的辐射区域被反射到了前端，改变了偶极子天线的辐射方向并提高了天线的增益；其次引进了引向器，改善了天线的方向性并进一步提高了天线的增益，实现了高增益端射天线。
附图说明
图1是本发明基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的三维结构示意图。
图2是本发明基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的三维分解示意图。
图3是本发明基基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的俯视图。
图4是本发明基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的S参数仿真结果。
图5是本发明基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的2D方向图示意图。
图中附图标记为：1－介质基片，2－顶层金属层，3－底层金属层，4－接地面，5－微带线，6-渐变过渡带，7-SSPPs传输线，8-偶极子，9-引向器。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。
本发明揭示了一种基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，如图1、图2和图3所示，所述高增益端射天线为单层结构，包括介质基片1及顶层金属层2和底层金属层3，所述顶层金属层2设置于介质基片1的上表面，所述底层金属层3设置于介质基片1的下表面，即高增益端射天线由上至下依次包含顶层金属层、介质基片和底层金属片。在本技术方案中，所述介质基片为FR4介质板，介电常数为2.65，厚度为0.8毫米。
所述顶层金属层2和底层金属3上设置有天线结构，顶层金属结构包括微带线5、渐变过渡带6、SSPPs传输线7、偶极子8以及引向器9；底层金属结构包括接地面4、渐变过渡带6、SSPPs传输线7以及偶极子8；所述天线结构利用微带线馈电，经过渐变过渡槽后采用SSPPs波导传输能量，在终端利用偶极子实现能量辐射，并且在天线的末端引入引向器，从而提高增益，形成高增益端射天线。
所述天线结构设置于所述介质基片的上下表面，其中渐变过渡带和SSPPs传输线均为反对称结构，即上下表面的传输线部分大小、结构完全相同，方向相反。
所述天线结构的偶极子部分分布在介质基片的上下表面。
所述天线结构的引向器为三根金属贴片，均设置于介质基片的上表面，位于终端偶极子的右侧。
如图2所示，***中完整的天线结构是通过微带线激发电磁波经过过渡带后利用SSPPs波导传输能量，在终端利用偶极子实现能量辐射，并通过引向器引导天线的辐射方向。
本发明能顺利实现由全向辐射到定向辐射的转变，并大幅度提高天线的增益，相对于传统的偶极子端射天线，本发明使得天线更加紧凑，降低了介质损耗。
图4为基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的反射系数的仿真结果图，从图中可直观看出，本发明基于人工表面等离子激元的高增益端射天线在5.4GHz-6.3GHz的频段内，S11均低于-10dB，因此在工作频带5.4GHz-6.3GHz内天线能够完好的工作。
图5为基于人工表面等离子激元的高增益端射天线的二维辐射方向图，从图中可以很清楚地看到，增益最高能达近10dBi，说明增加了引向器后大幅度的提高了天线的辐射增益。
本发明提出了基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，相对于传统的偶极子天线，利用人工表面等离子激元波导代替传统的微带传输线，可以大大减少传输损耗，使电磁波被束缚在金属表明传播。然后为了提高端射天线的辐射增益，我们根据八木天线的辐射机理，在天线终端方向加载引向器结构，并延伸介质波导的接地面作为八木天线的反射器，以实现辐射增益的增强。通过对天线结构进行仿真检验，我们可以看出该结构具有良好的性能。基于超材料SSPPs天线***在设计频率为6GHz时，增益最高可达到10dBi，比传统的偶极子端射天线高出7dBi，并且具有较好的方向性。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，其特征在于：所述高增益端射天线为单层结构，包含了介质基片（1）、顶层金属层（2）和底层金属层（3）；所述顶层金属层（2）位于介质基片（1）的上表面，包括微带传输线（5）、渐变形过渡槽（6）、SSPPs传输线（7）、偶极子（8）的一部分以及引向器（9）；所述底层金属层（3）位于介质基片（1）的下表面，包括接地面（4）、渐变形过渡槽（6）、SSPPs传输线（7）以及偶极子（8）的一部分；所述微带传输线（5）馈电经过渐变过渡槽（6）后采用SSPPs传输线（7）波导传输能量，在终端利用偶极子（8）实现能量辐射，在天线的末端引入八木天线的引向器（9），利用接地面提高增益，形成高增益端射天线；所述底层金属层的接地面是一个U形接地面，接地面（4）主要是用作反射器，把向后端辐射的能量推向前端；所述顶层金属层右端的引向器从左到右间距是逐渐增大的，长度是逐渐缩短的；所述底层金属层中的传输线和偶极子同上表面金属的传输线和偶极子是完全对称反向的，即形状、大小相同，方向相反。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，其特征在于：所述顶层金属层中微带传输线（5）到SSPPs传输线（7）中间的渐变过渡槽（6）采用梯形渐变槽结构。
3.根据权利要求2所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，其特征在于：渐变槽一共有8个，依次加深，直至和SSPPs传输线的槽等深。
4.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，其特征在于：所述顶层金属层中SSPPs传输线结构是梳状周期结构，每一个沟槽的高度和宽度都是相同的。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离子激元的高增益端射天线，其特征在于：所述的介质基片为FR4介质板，介电常数为2.65，厚度为0.8毫米。
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