CN113991297B - 基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵 - Google Patents

基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵 Download PDF

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Abstract

基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，包括微带人工表面等离激元天线阵列和超表面。微带人工表面等离激元天线阵列包括三个微带人工表面等离激元天线单元。微带人工表面等离激元天线单元包括微带结构馈电部分、上层金属线带孔的微带辐射部分和一系列金属通。超表面包括若干个矩形金属环和圆形金属贴片。本发明的波束扫描天线阵，通过在微带线的上金属层开孔结构，成功将准TEM波转化成TM波，并利用其高次模特性，实现了宽角度的波束扫描的性能；通过将其组成阵列结构，实现了高增益的性能；通过在阵列天线上放置超表面结构，来进一步拓宽天线阵列的波束扫描角度；相比传统的波束扫描天线，具有更高的增益以及波束扫描的角度。

Description

基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵
技术领域
本发明涉及波束扫描天线，具体涉及一种基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵。
背景技术
近些年来，随着无线通信技术的迅速发展，宽角度波束扫描天线在通信***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(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等人设计的锥形结构“Direct radiations of surface plasmonpolariton waves by gradient groove depth and flaring metal structure”在IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.(2016,15:865–868)上发表；Yin等人设计的负载谐振单元结构“Frequency-controlled broad-angle beam scanning of patch array fed byspoof surface plasmon polaritons”在IEEE Trans.Antennas Propag.(2016,64(12):5181–5189.)上发表；Zheng等人设计的周期性漏波天线“High-gain and widebandantenna arrays:Introducing three patch antenna arrays to show the advantagesof SPPWs used in a feed network”在IEEE Antennas Propag.Mag.(2016,58(40):22–34)上发表。最近，Wang等人在Appl.Phys.Lett.,(2018,113(7):071101)上发表的“Anultra-thin coplanar waveguide filter based on the spoof surface plasmonpolaritons”中提出了一种新的SSPPs设计，它利用在金属线上蚀刻的周期性孔阵列实现了准TEM模式向TM模式的转化，并实现了高效，多频带等性能，同时移除了传统的模式转化结构来实现了小型化的特性。该设计概念也许可以很好的将SSPPs波激发辐射到自由空间中。
目前，大部分的波束扫描天线都是基于提出的扩口地共面波导来激励和利用渐变的齿轮状结构作为馈电结构，通过激励圆形金属贴片等结构来实现波束扫描特性。然而这些设计不利于波束扫描角度和带宽的提高。于是，Wang等人在文献IEEE Trans.AntennasPropag.(2020,68(11):7652-7657)“Wide-angle frequency beam scanning antennabased on the higher-order modes of spoof surface plasmon polariton”中提出了基于共面波导的波束扫描天线，该结构虽然实现了宽角度的波束扫描角度，然而却不利于组成阵列。如今随着微波技术的快速发展，对波束扫描天线的带宽、波束扫描角度，天线增益等要求也不断的提高。因此如何设计出满足宽带宽、宽波束扫描角、高增益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宽带宽、宽波束扫描角度、高增益的超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：
一种基于超表面与人工表面等离激元(Spoof surface plasmon polarons,SSPPs)的宽角度波束扫描天线阵，包括微带结构的人工表面等离激元天线阵列和超表面两部分。微带人工表面等离激元天线阵列由三个微带人工表面等离激元天线单元组成。微带人工表面等离激元天线单元由微带结构馈电部分，上层金属线带孔的微带辐射部分，以及一系列的金属通孔组成。微带结构的人工表面等离激元天线阵列印制在厚度为2.286毫米介质基板上。超表面由若干个矩形金属环和圆形金属贴片按周期性结构排列，分别印刷在三层厚度为0.254毫米的介质基板的正反两面上。
作为本发明进一步改进的技术方案，人工表面等离激元天线阵列中每个阵列单元都由SMA接头馈电。天线单元的上金属线接SMA结构的内芯，下金属地接SMA结构的外芯。
作为本发明进一步改进的技术方案，微带结构的人工表面等离激元天线阵列中的天线单元的带孔的上金属线和下金属地的宽度分别为9mm和20mm，上金属线中孔的半径是4.3mm，所述的金属通孔半径为0.2mm，金属通孔间的间距为0.6mm。
作为本发明进一步改进的技术方案，超表面由若干个矩形金属环和圆形金属贴片组成。矩形金属环的内外金属宽度分别为8.6mm和10mm，圆形金属贴片的半径分别从超表面中心位置向左和向右以2mm和0.2mm为初始半径递增，向左每两个单元半径递增0.25mm，向右每个单元半径递增0.1mm。矩形金属环和圆形金属贴片按照长度10mm周期性排列成超表面的结构。
作为本发明进一步改进的技术方案，波束扫描天线所用介质基板为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，损耗正切为0.0027，厚度为2.286mm。超表面所用的介质基板为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，损耗正切为0.0027，厚度为0.254mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明的一种基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，通过在标准的微带线的上金属线上刻上周期性的孔阵列，成功将能量辐射到了自由空间，并实现了宽带宽、宽角度波束扫描角的特性；通过将波束扫描天线组成天线阵列，进一步提高了波束扫描天线的增益，实现了高增益的特点；通过在波束扫描天线阵列的上层加上超表面结构，进一步提升了波束扫描天线阵列的波束扫描角度，实现了更宽角度的波束扫描特性。相比传统的波束扫描天线，该天线结构更利于组成阵列，带宽更宽，波束扫描角度更宽，增益更高。
附图说明
图1是本发明实施例中的基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵的结构示意图；
图2是本发明实施例中基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的波束扫描天线的单元结构图；
图3是本发明实施例中基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的超表面的单元结构图(左)与阵列图(右)；
图4是本发明实施例中基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的有超表面和无超表面的仿真的S参数图；
图5是本发明实施例中基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵的仿真增益图；
图6是本发明实施例中基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的在不同频率下无超表面(左)与有超表面(右)的方向图的对比图。
具体实施方式：
以下实施例进一步说明本发明的内容，但不应理解为对本发明的限制。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明结构、参数所作的修改或替换，均属于本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
实施例
如图1所示，一种基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，包括微带结构人工表面等离激元天线阵列1和超表面2两部分。微带人工表面等离激元天线阵列1中由三个微带人工表面等离激元天线单元3组成。微带人工表面等离激元天线阵列1用来产生频率波束扫描波，产生的频率波束扫描波进一步通过超表面来拓宽波束扫描的角度。
如图2所示，微带人工表面等离激元天线单元3由微带结构馈电部分4、上层金属线带孔的微带辐射部分5以及一系列的金属通孔6组成。微带结构的人工表面等离激元天线阵列1印制在介质基板7上。
带孔的微带线结构5用来实现微带线准TEM波向SSPPs波(TM波)的转化，以实现表面等离激元的特性。通过其高次模辐射的性质，将束缚的能量辐射向自由空间。在人工表面等离激元天线单元3中刻蚀的一系列的金属通孔6是用来增加相邻两个天线之间的隔离度。通过组成人工表面等离激元天线阵列1的形式来提高其增益等特性。
如图3所示，超表面2具有周期性排列的单元结构。每个单元结构包括一个矩形金属环8和一个圆形金属贴片9，圆形金属贴片9位于矩形金属环8中部。单元结构印刷在三层介质基板10上，形成四层结构。矩形金属环8的内外金属宽度分别为8.6mm和10mm，各圆形金属贴片9的半径从超表面2中心位置向左和向右分别以2mm和0.2mm为初始半径递增，圆形金属贴片9半径向左每两个单元递增0.25mm，向右每个单元半径递增0.1mm，形成超表面2阵列，以拓宽天线的波束扫描角度。
微带结构的人工表面等离激元天线阵列1和超表面2的间隔为10mm，人工表面等离激元天线3的宽度为20mm，微带馈电部分线4的宽度9mm，上层金属线微带辐射部分5的圆孔半径为4.3mm。金属通孔6的半径为0.2mm，金属通孔间的间距为0.6mm。
微带结构的人工表面等离激元天线阵列1所用的介质基板7为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，损耗正切为0.0027，厚度为2.286mm。超表面2所用的介质基板10为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，损耗正切为0.0027，厚度为0.254mm。
图4所示是基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的有超表面和无超表面的仿真的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4可以看出，SSPP无超表面的天线阵列阻抗带宽大约可以工作在9-30GHz，加上超表面以后对天线的S参数并没有太大的影响，工作频带几乎不变。
图5所示是基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的仿真的增益图，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，基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵的平均增益在12.8dBi左右。
图6所示是基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵中的在不同频率下无超表面(左)与有超表面(右)的方向图的对比图。从左图中可以看出，无超表面结构的天线阵列的波束扫描角度(143°)大约为-75°到+68°的扫描。从右图中可以看出，加上超表面结构以后，可以很好的拓宽其在低频段的波束扫描角度，达到了类似端射的效果，其波束扫描角度可以达到163°的扫描(-88°到+75°)效果。

Claims (5)

1.基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，其特征在于，包括微带人工表面等离激元天线阵列（1）和超表面（2），微带人工表面等离激元天线阵列（1）包括若干天线单元（3），天线单元（3）包括馈电部分（4）、上层金属线带孔的微带辐射部分（5）和若干金属通孔（6），金属通孔（6）刻蚀于天线单元（3）中；微带结构的人工表面等离激元天线阵列（1）印制在介质基板一（7）上；超表面（2）具有周期性的单元结构，单元结构印刷在三层介质基板二（10）上，形成四层结构；每个单元结构包括一个矩形金属环（8）和一个圆形金属贴片（9），圆形金属贴片（9）位于矩形金属环（8）中部，各单元结构的矩形金属环（8）相同，各圆形金属贴片（9）的半径从超表面（2）中心位置向左和向右分别以2mm和0.2mm为初始半径递增；
天线单元（3）由SMA接头馈电，微带辐射部分（5）的上金属线接SMA结构的内芯，微带辐射部分（5）的下金属地接SMA结构的外芯。
2.根据权利要求1所述的基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，其特征在于，所述上金属线宽度是9mm，下金属地的宽度是20mm，上金属线中的孔的半径是4.3mm。
3.根据权利要求1所述的基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，其特征在于，所述金属通孔（6）半径为0.2mm，金属通孔（6）间的间距为0.6mm。
4.根据权利要求1所述的基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，其特征在于，所述矩形金属环（8）的内外金属宽度分别为8.6mm和10mm，圆形金属贴片（9）半径向左每两个单元递增0.25mm，向右每个单元半径递增0.1mm，厚度为0.035mm。
5.根据权利要求1所述的基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，其特征在于，所述介质基板一（7）为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，损耗正切为0.0027，厚度为2.286mm；所述介质基板二（10）为Rogers4350B，相对介电常数为3.66，损耗正切为0.0027，厚度为0.254mm。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115084860A (zh) * 2022-07-12 2022-09-20 东南大学 一种宽带毫米波水平极化全向的环形贴片天线
CN115764294B (zh) * 2022-12-21 2023-11-21 中国矿业大学 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

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102480034A (zh) * 2011-07-26 2012-05-30 深圳光启高等理工研究院 一种后馈式微波天线
CN105305099A (zh) * 2015-11-13 2016-02-03 东南大学 一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列
WO2018011635A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-18 Alcatel Lucent Microstrip antenna, antenna array and method of manufacturing microstrip antenna
CN211829191U (zh) * 2019-10-11 2020-10-30 南京航空航天大学 一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低rcs天线
CN111934099A (zh) * 2020-06-23 2020-11-13 电子科技大学 高精度扫描的太赫兹超表面以及编码方法
CN112886284A (zh) * 2021-01-04 2021-06-01 武汉虹信科技发展有限责任公司 辐射单元方向图调控结构及调控方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102480034A (zh) * 2011-07-26 2012-05-30 深圳光启高等理工研究院 一种后馈式微波天线
CN105305099A (zh) * 2015-11-13 2016-02-03 东南大学 一种平面表面等离激元馈电的宽角度频率扫描贴片阵列
WO2018011635A1 (en) * 2016-07-14 2018-01-18 Alcatel Lucent Microstrip antenna, antenna array and method of manufacturing microstrip antenna
CN211829191U (zh) * 2019-10-11 2020-10-30 南京航空航天大学 一种基于具有极化转换功能的相位梯度超表面的低rcs天线
CN111934099A (zh) * 2020-06-23 2020-11-13 电子科技大学 高精度扫描的太赫兹超表面以及编码方法
CN112886284A (zh) * 2021-01-04 2021-06-01 武汉虹信科技发展有限责任公司 辐射单元方向图调控结构及调控方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A Wideband Frequency Beam Scanning Antenna Based on the Spoof Surface Plasmon Polaritons;Jun Wang等;《2019 IEEE International Symposium on Antennas and Propagation and USNC-URSI Radio Science Meeting》;20191031;第141页左栏第1行至第142页第32行，图1-4 *
Scanning Range Expansion of Planar Phased Arrays Using Metasurfaces;Yan-He Lv等;《IEEE Transactions on Antennas and Propagation》;20200131;第1402页左栏第1行至第1408页左栏第36行，图1-12 *

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