CN114464995B - 一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，包括上层介质基板和下层介质基板；上层介质基板上表面设置有辐射贴片，辐射贴片设置有四个且沿上层介质基板中心旋转对称设置，辐射贴片呈月牙状且边缘蚀刻有方槽，方槽用于产生人工表面等离子体激元；下层介质基板上表面设置有移相馈电网络和圆形贴片，移相馈电网络包括四个信号输出端口，四个信号输出端口上分别设置有金属探针，金属探针向上分别连接辐射贴片进行馈电；圆形贴片包括内圆和套设于内圆边缘的圆环，圆环上沿圆周蚀刻有条形槽，条形槽用于产生局域表面等离子体激元；本发明能够实现高指标的阻抗带宽、圆极化带宽和高增益。

Description

一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线
技术领域
本发明涉及一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，属于电子通信技术领域。
背景技术
随着空间技术和通信领域的发展，圆极化天线在雷达、卫星通信、军事以及各种移动通信***中有着广泛的应用。相对于线极化波而言，圆极化波能够抑制雨雾干扰，减小多径反射，具有很好的移动性，并且在发射和接收***中，只要有一方应用了圆极化天线，接收天线以任何旋向都可以接收到信号，极大地方便了在无线通信***中的应用。而阵列天线作为一种新型天线，它是将相同的单个单元按照一定的排列方式组成天线***。而不同的排列以及馈电方式会产生不同的辐射方向图，进而提高天线的增益。
圆极化阵列天线兼具以上两种优势，由于其具有重量轻、体积小、易于加工、便于和集成电路集成等特点得到了广泛应用，其重要性不言而喻。而作为通信新兴行业的重要基础设施，国内的圆极化阵列天线设计却仍存在功能单一、性能较差，增益不高的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，解决现有的圆极化阵列天线性能较差的技术问题。
为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，包括上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板上表面设置有辐射贴片，所述辐射贴片设置有四个且沿上层介质基板中心旋转对称设置，所述辐射贴片呈月牙状且边缘蚀刻有方槽，所述方槽用于产生人工表面等离子体激元；所述下层介质基板上表面设置有移相馈电网络和圆形贴片，所述移相馈电网络包括四个信号输出端口，四个所述信号输出端口上分别设置有金属探针，所述金属探针向上分别连接辐射贴片进行馈电；所述圆形贴片包括内圆和套设于内圆边缘的圆环，所述圆环上沿圆周蚀刻有条形槽，所述条形槽用于产生局域表面等离子体激元。
可选的，所述圆极化阵列天线的尺寸为2.75λg×2.75λg×0.63λg，λg为导波长。
可选的，所述上层介质基板和下层介质基板均采用介电常数为2.2、损耗正切为0.003的绝缘F4B介质基板。
可选的，所述辐射贴片包括基圆以及开设于基圆上的圆槽，所述基圆上蚀刻有十字架状凹槽；所述圆槽的圆心位于基圆的边缘，且所述圆槽的半径小于基圆的半径。
可选的，所述上层介质基板上沿中心旋转对称设置有四个电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括多个半径相等、圆心位于同一直线且间隔设置的金属圆，所述金属圆中心均蚀刻有圆孔，所述金属圆一一对应设置于上层介质基板的上表面和下表面。
可选的，所述移相馈电网络还包括第一等分威尔金森功分器、两个第二等分威尔金森功分器、微带线、两个90°移相器以及180°移相器；所述第一等分威尔金森功分器的输入端连接信号源，所述第一等分威尔金森功分器的输出端分别通过微带线连接至两个第二等分威尔金森功分器输入端，两个所述第二等分威尔金森功分器的输出端分别通过微带线连接至四个信号输出端口，所述180°移相器设置于第一等分威尔金森功分器的一侧输出端连接的微带线上，两个所述90°移相器分别设置于位置相对的两个信号输出端口连接的微带线上。
可选的，所述微带线呈不规则弯曲状排列。
可选的，所述180°移相器连接的微带线侧边设置有多个第一条形贴片，所述第一等分威尔金森功分器两侧分别设置有第二条形贴片，所述下层介质基板上远离第一等分威尔金森功分器一侧设置有第三条形贴片，所述第一条形贴片、第二条形贴片以及第三条形贴片的内侧边均蚀刻有矩形槽。
可选的，所述第二条形贴片中部向下层介质基板中部凸起，所述第二条形贴片以及两个第二条形贴片的端部分别延伸至四个信号输出端口的外侧。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明实施例提供的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，采用具有四个信号输出端口的移相馈电网络，四个信号输出端口通过金属探针向上层介质基板的锯齿状的月牙型辐射贴片馈电，并引入人工表面等离子体激元和局域表面等离子激元，通过局域能量提高增益。此外，还引入电磁带隙结构，用于抑制谐波和电磁表面波传播，还具有抗多径干扰的作用，以进一步提高增益。本发明能够实现高指标的阻抗带宽、圆极化带宽和高增益。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种圆极化阵列天线的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的上层介质基板的上表面结构示意图；
图3是本发明实施例提供的下层介质基板的上表面结构示意图；
图4是本发明实施例提供的反射腔体安装示意图；
图5是本发明实施例提供的尺寸标注示意图一；
图6是本发明实施例提供的尺寸标注示意图二；
图7是本发明实施例提供的圆极化阵列天线与传统圆极化2×2阵列天线的增益对比曲线示意图；
图8是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的仿真结果的|S11|示意图；
图9是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的仿真结果的轴比示意图；
图10是本发明实施例提供的圆极化阵列天线在5GHz下0°的方向示意图；
图11是本发明实施例提供的圆极化阵列天线在5GHz下90°的方向示意图；
图中标记为：
1、上层介质基板，2、下层介质基板，3、辐射贴片，31、方槽，32、基圆，33、圆槽，34、凹槽，4、移相馈电网络，41、信号输出端口，42、第一等分威尔金森功分器，43、第二等分威尔金森功分器，44、微带线，45、90°移相器，46、180°移相器，5、圆形贴片，51、内圆，52、圆环，53、条形槽，6、金属探针，7、电磁带隙结构，71、金属圆，72、圆孔，8、第一条形贴片，81、第二条形贴片，82、第三条形贴片，83、矩形槽。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例一：
如图1-3所示，一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，包括上层介质基板1和下层介质基板2；上层介质基板1上表面设置有辐射贴片3，辐射贴片3设置有四个且沿上层介质基板1中心旋转对称设置，辐射贴片3呈月牙状且边缘蚀刻有方槽31，方槽31用于产生人工表面等离子体激元；下层介质基板2上表面设置有移相馈电网络4和圆形贴片5，移相馈电网络4包括四个信号输出端口41，四个信号输出端口41上分别设置有金属探针6，金属探针6向上分别连接辐射贴片3进行馈电；圆形贴片5包括内圆51和套设于内圆51边缘的圆环52，圆环52上沿圆周蚀刻有条形槽53，条形槽53用于产生局域表面等离子体激元。
采用具有四个信号输出端口41的移相馈电网络4，四个信号输出端口41通过金属探针6向上层介质基板1上的辐射贴片馈电，减少了移相馈电网络4和辐射贴片3之间的相互影响，同时提高了带宽；并引入人工表面等离子体激元和局域表面等离子激元，通过局域能量提高增益。
圆形贴片5采用两个类太阳花状结构，以将局域表面等离子体激元与移相馈电网络4相结合，上述结构可以减少辐射贴片3和移相馈电网络4之间的耦合(由于距离较短而增加)，从而改善轴比。并局域能量增加增益，具有良好的场增强效应和电磁波约束效应。
上层介质基板1上沿中心旋转对称设置有四个电磁带隙结构7，电磁带隙结构7包括多个半径相等、圆心位于同一直线且间隔设置的金属圆71，金属圆71中心均蚀刻有圆孔，金属圆71一一对应设置于上层介质基板1的上表面和下表面。通过引入电磁带隙结构7，用于抑制谐波和电磁表面波传播，还具有抗多径干扰的作用，以进一步提高增益。本发明能够实现高指标的阻抗带宽、圆极化带宽和高增益。
辐射贴片3包括基圆32以及开设于基圆32上的圆槽33，基圆32上蚀刻有十字架状凹槽34；圆槽33的圆心位于基圆32的边缘，且圆槽33的半径小于基圆32的半径，形成月牙状，从而使干扰产生两个正交模式以形成圆极化；通过十字架状凹槽34可以改变电流路径。在实际实施中，可以将月牙状设置正对上层介质基板1，同时位于圆槽33边缘的方槽31沿圆槽33的圆心均匀旋转设置，位于基圆32边缘的方槽31沿基圆的圆心均匀旋转设置。
移相馈电网络4还包括第一等分威尔金森功分器42、两个第二等分威尔金森功分器43、微带线44、两个90°移相器45以及180°移相器46；第一等分威尔金森功分器42的输入端连接信号源，第一等分威尔金森功分器42的输出端分别通过微带线44连接至两个第二等分威尔金森功分器43输入端，两个第二等分威尔金森功分器43的输出端分别通过微带线44连接至四个信号输出端口，180°移相器46设置于第一等分威尔金森功分器42的一侧输出端连接的微带线44上，两个90°移相器45分别设置于位置相对的两个信号输出端口41连接的微带线44上。其中，微带线44呈不规则弯曲状排列。
通过威尔金森功分器将输入信号分为两个信号，可以实现更均衡的功率分配，提高带宽。然后，使用移相器在更宽的频带上调整相位差。利用四分之一波长差的微带线实现了90°的相位差。
180°移相器46连接的微带线侧边设置有多个第一条形贴片8，第一等分威尔金森功分器42两侧分别设置有第二条形贴片81，下层介质基板2上远离第一等分威尔金森功分器42一侧设置有第三条形贴片82，第一条形贴片8、第二条形贴片81以及第三条形贴片82的内侧边均蚀刻有矩形槽83，第二条形贴片81中部向下层介质基板2中部凸起，第二条形贴片81以及两个第二条形贴片81的端部分别延伸至四个信号输出端口41的外侧。通过第一条形贴片8、第二条形贴片81以及第三条形贴片82把人工表面等离子体激元引入馈电网络所在的下介质基板2，并利用上述结构与微带线44的模式失配来抑制串扰，从而减小微带线44的耦合，提高天线的增益。
圆极化阵列天线的尺寸为2.75λg×2.75λg×0.63λg，λg为导波长。上层介质基板1和下层介质基板2均采用介电常数为2.2、损耗正切为0.003的绝缘F4B介质基板。
如图4-6以及表一所示，确定本实施例提供的圆极化阵列天线的具体结构参数，并在圆极化阵列天线外侧放置反射腔体9；与传统的圆极化2×2阵列天线进行增益对比；
表一为：
参数 l1 w1 w2 w3 w4
值(mm) 60 1.5 0.5 0.84 1.1
参数 w5 r1 r2 r3 l2
值(mm) 0.2 12 0.4 2 120
如图7所示，通过传统圆极化2×2阵列天线(Initial)与本实施例提供的圆极化阵列天线(Final)的增益进行对比，可知传统圆极化2×2阵列天线增益峰值为10.42dBi，本实施例提供的圆极化阵列天线的增益峰值为12.89dBi，本实施例明显提高了天线增益。GainTotal(dB)为增益，Frequency(GHz)为频率。
图8-9示出了本发明|S11|和轴比的仿真结果。阻抗带宽3.10-6.66GHz，相对带宽71.2％，轴比带宽3.38-7.18GHz,相对带宽76％。
图10-11示出了本发明在5GHz下的0°和90°的方向图。可以看出，交叉极化明显受到抑制。
本实施例提供的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，采用具有四个信号输出端口41的移相馈电网络4，四个信号输出端口41通过金属探针6向上层介质基板1的锯齿状的月牙型辐射贴片3馈电，并引入人工表面等离子体激元和局域表面等离子激元，通过局域能量提高增益。此外，还引入电磁带隙结构7，用于抑制谐波和电磁表面波传播，还具有抗多径干扰的作用，以进一步提高增益。本发明能够实现高指标的阻抗带宽、圆极化带宽和高增益。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，包括上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板上表面设置有辐射贴片，所述辐射贴片设置有四个且沿上层介质基板中心旋转对称设置，所述辐射贴片呈月牙状且边缘蚀刻有方槽，所述方槽用于产生人工表面等离子体激元；所述下层介质基板上表面设置有移相馈电网络和圆形贴片，所述移相馈电网络包括四个信号输出端口，四个所述信号输出端口上分别设置有金属探针，所述金属探针向上分别连接辐射贴片进行馈电；所述圆形贴片包括内圆和套设于内圆边缘的圆环，所述圆环上沿圆周蚀刻有条形槽，所述条形槽用于产生局域表面等离子体激元。
2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述圆极化阵列天线的尺寸为2.75λg×2.75λg×0.63λg，λg为导波长。
3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述上层介质基板和下层介质基板均采用介电常数为2.2、损耗正切为0.003的绝缘F4B介质基板。
4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述辐射贴片包括基圆以及开设于基圆上的圆槽，所述基圆上蚀刻有十字架状凹槽；所述圆槽的圆心位于基圆的边缘，且所述圆槽的半径小于基圆的半径。
5.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述上层介质基板上沿中心旋转对称设置有四个电磁带隙结构，所述电磁带隙结构包括多个半径相等、圆心位于同一直线且间隔设置的金属圆，所述金属圆中心均蚀刻有圆孔，所述金属圆一一对应设置于上层介质基板的上表面和下表面。
6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述移相馈电网络还包括第一等分威尔金森功分器、两个第二等分威尔金森功分器、微带线、两个90°移相器以及180°移相器；所述第一等分威尔金森功分器的输入端连接信号源，所述第一等分威尔金森功分器的输出端分别通过微带线连接至两个第二等分威尔金森功分器输入端，两个所述第二等分威尔金森功分器的输出端分别通过微带线连接至四个信号输出端口，所述180°移相器设置于第一等分威尔金森功分器的一侧输出端连接的微带线上，两个所述90°移相器分别设置于位置相对的两个信号输出端口连接的微带线上。
7.根据权利要求6所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述微带线呈不规则弯曲状排列。
8.根据权利要求6所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述180°移相器连接的微带线侧边设置有多个第一条形贴片，所述第一等分威尔金森功分器两侧分别设置有第二条形贴片，所述下层介质基板上远离第一等分威尔金森功分器一侧设置有第三条形贴片，所述第一条形贴片、第二条形贴片以及第三条形贴片的内侧边均蚀刻有矩形槽。
9.根据权利要求8所述的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其特征在于，所述第二条形贴片中部向下层介质基板中部凸起，所述第二条形贴片以及两个第二条形贴片的端部分别延伸至四个信号输出端口的外侧。
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Reconfigurable Graphene Gas Sensor using Plasmonic Crescent Dipole Antenna;Esraa A. El-Refaay等;2019 7th International Japan-Africa Conference on Electronics, Communications, and Computations, (JAC-ECC);全文 *
人工表面等离激元波导及天线若干进展;叶龙芳;无线电工程;全文 *

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CN114464995A (zh) 2022-05-10

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