CN114284712A - 一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，包括置于介质基板顶层的微带转共面带线的馈电结构，具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线，连接馈电结构和人工表面等离激元传输线的过渡结构，加载在过渡结构两侧的一系列不同长度的I形谐振器，以及置于介质基板底层的金属地。本发明的宽带高增益平面端射天线结构简单，且同时具有宽带、高增益、低剖面的特点，适合用于毫米波通信***。
Description
技术领域
本发明属于无线通信天线技术领域，具体为一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线。
背景技术
端射天线指的是天线波束最大辐射方向平行于结构轴线(或平面)的天线。平面端射天线由于具有低剖面的特性，其空气阻力小、质量轻，不会影响载机的运载能力和机动性，已被广泛用于机载(或车载)雷达和通讯设备中。随着无线通信技术的发展，人们对宽带和高增益天线的需求也在不断增加。宽频带可以提供更高的传输速率，而高增益可以减弱路径损耗的影响。虽然目前已有一系列不同类型的端射天线，但是通过现有的技术，仍然很难设计一个同时具有高增益、宽带宽和低剖面特点的端射天线。传统的八木-宇田天线由于具有一个反射器和若干个引向器，其增益较高，但是其体积通常较大，而且其有源振子的谐振特性限制了其工作带宽。虽然通过印制电路板技术制作平面印刷的准八木天线可以降低其剖面，但是其工作带宽仍然相对较窄。对数周期天线具有宽工作带宽的特性，通过将对数周期阵列印刷在介质板上或使用顶盘加载的单极子作为辐射单元，可以有效降低其剖面，但是其增益相对较低。Vivaldi天线具有很宽的带宽和低剖面特性，但是在工作带宽的低端，其增益较低。传统的喇叭天线具有高增益的特性，然而其体积较大，虽然通过使用基片集成波导制作的H面喇叭天线有效降低了其剖面，但是其增益也较低。基于介质基板的表面波天线虽然具有宽带宽和低剖面的特性，但是由于金属地的存在，其主瓣方向会偏离端射方向一定的角度。总之，依靠现有的天线结构设计一个宽带高增益的平面端射天线是较为困难的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，包括：
置于介质基板顶层的微带转共面带线的馈电结构，具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线，连接馈电结构和人工表面等离激元传输线的过渡结构，加载在过渡结构两侧的一系列不同长度的I形谐振器，以及置于介质基板底层的金属地；
所述人工表面等离激元传输线、过渡结构和I形谐振器均关于介质基板的中心轴对称；
所述I形谐振器用于改变沿过渡结构外边缘传输的电磁波的相位。
优选地，所述微带转共面带线的馈电结构包括位于介质板顶部的传输线21、传输线22、传输线23、传输线24和位于介质板底部的金属地；
信号从传输线21进入，通过传输线22后一分为二，成为在传输线23、24上传输的一对差分信号，传输线23、传输线24的另一端均与过渡结构连接。
优选地，所述具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线包括两条关于中心轴对称的传输线；
传输线的外边缘具有周期性的凹槽结构，每个凹槽结构由1个凹槽和1个凸出的金属牙构成，所有凹槽的宽度相等；
传输线和传输线间的间隙宽度从靠近过渡结构的一端往远离过渡结构的一端逐渐增加。
优选地，传输线的外边缘分别有25个周期性的凹槽结构；左侧4个凹槽结构的牙高度逐渐增加，中间4个凹槽结构的牙高度和槽深度都保持恒定，右侧17个凹槽结构的槽深度逐渐减小至0。
优选地，所述过渡结构包括传输线41、传输线42、传输线43、传输线44；
传输线41和传输线42的一端均与微带转共面带线的馈电结构的另一端连接，且传输线41和传输线42的线宽以及它们之间的间隙宽度保持不变；
传输线43和传输线44的一端与传输线41和传输线42的另一端一一对应连接，且传输线43和传输线44的线宽以及它们之间的间隙宽度逐渐增加。
优选地，所述I形谐振器共有13对，每对谐振器分别设置于过渡结构的两侧，且关于过渡结构对称，每对谐振器的长度从靠近微带转共面带线的馈电结构的一端到靠近人工表面等离激元传输线的一端逐渐减小；
所有I形谐振器到过渡结构的距离保持恒定。
优选地，I形谐振器到过渡结构的距离为d＝0.3mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、通过在过渡结构附近加载一系列不同长度的I形谐振器，有效地提高了天线的工作带宽。
2、在保持较宽的带宽的同时具有较高的增益和较低的剖面，且在工作频带内增益变化相对平稳。
3、结构简单，易于加工。
下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线的顶层示意图。
图2是本发明基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线的底层示意图。
图3是图1中的微带转共面带线的馈电结构尺寸示意图。
图4是图1中的过渡结构尺寸示意图。
图5是图1中的人工表面等离激元传输线尺寸示意图。
图6是实施例宽带高增益平面端射天线的反射参数S11曲线。
图7是实施例宽带高增益平面端射天线的增益曲线。
图8是实施例宽带高增益平面端射天线在25GHz的E面、H面方向图。
图9是实施例宽带高增益平面端射天线在35GHz的E面、H面方向图。
图10是实施例宽带高增益平面端射天线在35GHz的E面、H面方向图。
图11是实施例宽带高增益平面端射天线在40GHz的E面、H面方向图。
具体实施方式
如图1～2所示，一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，在介质基板1的顶层有：微带转共面带线的馈电结构2，具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线3，连接馈电结构2和人工表面等离激元传输线3的过渡结构4，加载在过渡结构附近的一系列不同长度的I形谐振器5；在介质基板1的底层有金属地25。
本发明中输入的信号通过微带转共面带线的馈电结构产生一对差分信号去激励人工表面等离激元传输线，并通过该传输线辐射出去；人工表面等离激元传输线是通过在一对对称的传输线上蚀刻周期性的凹槽实现的；13对不同长度的I形谐振器被加载在过渡结构附近以提高天线的工作带宽，不同的长度对应不同的工作频率；所有谐振器与过渡结构的垂直距离保持恒定，但相邻谐振器间的水平间距不是恒定的。
如图1～2所示，微带转共面带线的馈电结构2包括位于介质板顶部的4条传输线21、22、23、24和位于介质板底部的金属地25；信号从传输线21进入，通过传输线22后一分为二，成为在传输线23、24上传输的一对差分信号。
如图1所示，过渡结构4包括4条传输线41、42、43、44，信号通过这4条传输线传播到人工表面等离激元传输线3；通过将13对一系列不同长度的I形谐振器5加载到过渡结构4，可以改变沿过渡结构4外边缘传输的电磁波的相位；所有I形谐振器与过渡结构4的垂直距离保持恒定，但相邻谐振器间的水平间距不是恒定的；不同长度的I形谐振器工作在不同频带，从而可以有效提高天线的工作带宽。
如图1所示，具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线3包括两条关于中心轴对称的传输线31、32；每条传输线的外边缘有25个周期性的凹槽结构，每个凹槽结构由1个凹槽和1个凸出的金属牙构成；左侧4个单元的牙高度逐渐增加，中间4个单元的牙高度和槽深度都保持恒定，右侧17单元的槽深度逐渐减小至0。
优选地，所述介质基板1为Rogers RT5880，其介电常数为2.2。
实施例：
一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，仿真的最高增益达到17.5dBi，3dB增益带宽为24GHz至41.75GHz。
如图3所示，微带转共面带线的馈电结构尺寸示意图。信号从左侧50ohm的传输线馈入，其长L50＝10mm，宽W50＝0.8mm。在经过长Lm＝1.8mm，宽Wm＝1mm的匹配枝节后分成两个枝节。两个枝节的线宽都为W1＝0.3mm。枝节1是一段长1.1mm的水平传输线。枝节2由4条传输线依次相连构成：长为L2＝1.8mm的竖直传输通过削角弯头连接长为L1＝0.3mm水平传输，紧接着通过第二个削角弯头连接长为L2＝1.8mm的竖直传输线，最后通过第三个削角弯头连接长为L3＝0.5mm水平传输线，其中削角弯头的斜削长度为c＝0.35mm。
如图4所示，加载了13对I型谐振器的过渡结构尺寸示意图。关于中心轴对称的传输线分为左右两段：左侧长为L0＝3.5mm的传输线具有固定的线宽W2＝0.4mm和线间距g＝0.3m，而右侧长为La＝28mm的传输线，其线宽从0.4mm逐渐变为1.809mm，其线间距从0.3mm逐渐变为0.982mm。所有谐振器具有相同的宽度Ia＝1mm。构成谐振器的金属条带的宽度都为Iw＝0.3mm。所有谐振器与过渡结构(4)的垂直距离都为d＝0.3mm。13对谐振器的唯一不同之处是谐振器的高度，从右至左，谐振器的高度依次用I1、I2、…、I13表示，其值依次为1.9mm、2mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm、3.1mm、3.2mm。从右至左，每对谐振器距过渡结构最左端的横向距离依次用d1、d2、…、d13表示，其值依次为31.5mm、29.3mm、26.5mm、23.5mm、20.5mm、17.2mm、14.9mm、12.1mm、9.8mm、7.6mm、6.2mm、4.5mm、2.4mm。
如图5所示，人工表面等离激元传输线尺寸示意图。人工表面等离激元传输线的外边缘有25个周期性的凹槽结构，每个凹槽结构由1个凹槽和1个凸出的金属牙构成。左侧4个单元的槽深度都为h＝0.8mm，但牙高度从左至右依次为0.2mm、0.4mm、0.6mm、0.8mm。中间4个单元的槽深度和牙高度都为0.8mm。右侧17个单元的槽深度以0.047mm为步长，从0.753mm逐步减为0mm。人工表面等离激元传输线包含两条传输线，这两条传输线间的间隙宽度从最左侧的0.982mm，逐渐增加至最右侧的2.2mm。
介质基板1的尺寸为95.7mm*16mm*0.254mm，金属地25的尺寸为13.2mm*16mm*0.035mm。
图6是利用CST仿真软件，得到的本发明实施例宽带高增益平面端射天线的反射系数S11。由图可知，此时天线在23.9GHz～49.3GHz范围内的S11均小于-10dB。
图7是利用CST仿真软件，得到的本发明实施例宽带高增益平面端射天线的增益曲线。由图可知，天线的最高增益达到17.5dBi，3dB增益带宽为23.9GHz至41.75GHz。由于其3dB增益带宽包括整个Ka波段和5G通信中的n257、n258、n260波段，故适用于毫米波无线通信***。
图8至图11是利用CST仿真软件，得到的本发明实施例宽带高增益平面端射天线分别在25GHz、30GHz、35GHz、40GHz的2D辐射方向图(左侧为E面方向图，右侧为H面方向图)。
Claims (7)
1.一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，包括：
置于介质基板(1)顶层的微带转共面带线的馈电结构(2)，具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线(3)，连接馈电结构(2)和人工表面等离激元传输线(3)的过渡结构(4)，加载在过渡结构两侧的一系列不同长度的I形谐振器(5)，以及置于介质基板(1)底层的金属地(25)；
所述人工表面等离激元传输线(3)、过渡结构(4)和I形谐振器(5)均关于介质基板(1)的中心轴对称；
所述I形谐振器(5)用于改变沿过渡结构(4)外边缘传输的电磁波的相位。
2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，所述微带转共面带线的馈电结构(2)包括位于介质板顶部的传输线21、传输线22、传输线23、传输线24和位于介质板底部的金属地(25)；
信号从传输线21进入，通过传输线22后一分为二，成为在传输线23、24上传输的一对差分信号，传输线23、传输线24的另一端均与过渡结构(4)连接。
3.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，所述具有周期性凹槽的人工表面等离激元传输线(3)包括两条关于中心轴对称的传输线(31、32)；
传输线(31、32)的外边缘具有周期性的凹槽结构，每个凹槽结构由1个凹槽和1个凸出的金属牙构成，所有凹槽的宽度相等；
传输线(31)和传输线(32)间的间隙宽度从靠近过渡结构(4)的一端往远离过渡结构(4)的一端逐渐增加。
4.根据权利要求3所述的基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，传输线(31、32)的外边缘分别有25个周期性的凹槽结构；左侧4个凹槽结构的牙高度逐渐增加，中间4个凹槽结构的牙高度和槽深度都保持恒定，右侧17个凹槽结构的槽深度逐渐减小至0。
5.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，所述过渡结构(4)包括传输线41、传输线42、传输线43、传输线44；
传输线41和传输线42的一端均与微带转共面带线的馈电结构(2)的另一端连接，且传输线41和传输线42的线宽以及它们之间的间隙宽度保持不变；
传输线43和传输线44的一端与传输线41和传输线42的另一端一一对应连接，且传输线43和传输线44的线宽以及它们之间的间隙宽度逐渐增加。
6.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，所述I形谐振器(5)共有13对，每对谐振器分别设置于过渡结构(4)的两侧，且关于过渡结构(4)对称，每对谐振器的长度从靠近微带转共面带线的馈电结构(2)的一端到靠近人工表面等离激元传输线(3)的一端逐渐减小；
所有I形谐振器(5)到过渡结构(4)的距离保持恒定。
7.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线，其特征在于，I形谐振器(5)到过渡结构(4)的距离为d＝0.3mm。
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