基于微波表面等离激元的频率扫描天线的制作方法

本发明涉及天线技术领域，特别是涉及基于微波表面等离激元的频率扫描天线。

背景技术：

天线在无线通信设备中主要完成：一、能量转换功能；二、定向辐射(或接收)功能。随着无线电技术的飞速发展以及无线电设备应用场合的日益扩展，出现了各种用途、种类繁多的天线，频率扫描天线便是其中一种。频率扫描天线中波的相位是频率的函数，所以波束指向角随工作频率的少量改变而有规律地大范围改变，简称频扫天线，主要用于高数据率三坐标雷达。

现有频扫天线常见形式有漏波天线、频率扫描阵列天线等。漏波天线主要以波导隙缝的形式实现，结构多样，却非常复杂，体积庞大、加工精度要求高、扫描角域窄；频率扫描阵列天线的实现主要依赖于慢波线，通过开隙缝的形式将慢波线中的能量耦合到空间中。慢波线结构复杂，加工精度要求高，且隙缝对其耦合效率影响较大。

技术实现要素：

本发明实施例提供了基于微波表面等离激元的频率扫描天线，可以解决现有技术中存在的问题。

一种基于微波表面等离激元的频率扫描天线，所述频率扫描天线从下至上依次包括底部接地板、底部介质基板、中央接地板、中央介质基板、金属单元和顶部介质基板，所述金属单元还与位于所述中央介质基板一端的同轴端口电性连接；所述金属单元刻蚀在所述中央介质基板的顶面上，所述金属单元包括电性连接的梳齿状金属结构和单边张口喇叭状金属结构，所述梳齿状金属结构用于耦合与传导微波表面等离激元，所述单边张口喇叭状金属结构用于辐射微波表面等离激元，每一个所述单边张口喇叭状金属结构与多个所述梳齿状金属结构位置对应，并形成一组金属单元结构，一个所述频率扫描天线上具有43个所述金属单元结构，且所述金属单元结构均工作在X波段。

优选地，所述中央接地板覆盖在所述中央介质基板底面上，且所述中央接地板的尺寸小于所述中央介质基板的尺寸。

本发明实施例中基于微波表面等离激元设计的高性能宽角域频率扫描天线，不同于传统的频率扫描天线，而是通过在介质表面刻蚀不同的金属单元结构，将电磁波耦合为微波表面等离激元，在微波表面等离激元的传导过程中将其辐射出去。本发明基于微波表面等离激元设计的高性能宽角域频率扫描天线，采用印刷电路板技术制成，亚波长厚度、平面结构，具有扫描角域宽、扫描角线性分布、可设计性强等优点，可用于工程实践。

本发明的技术效果如下：

1、采用印刷电路板技术制成，平面结构、工艺简单、造价低，亚波长厚度、易共形；

2、具有扫描角域宽、扫描角线性分布、波束窄、增益高等优点。

3、通过调节金属单元结构尺寸、周期，可以改变频扫天线的工作频段、带宽、增益、扫描角度等特性，可实现任意带宽、任意角度的波束扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于微波表面等离激元的频率扫描天线的纵向切面结构示意图；

图2为图1中频率扫描天线除去顶部介质基板的俯视结构示意图；

图3为图1中频率扫描天线除去底部接地板和底部介质基板的仰视结构示意图；

图4为图1中频率扫描天线的S11曲线图，包括仿真计算与实验测试结果；

图5a为图1中频率扫描天线的远场增益极坐标视图的仿真计算结果；

图5b为图1中频率扫描天线的远场增益极坐标视图的实验测试结果；

图6为图1中频率扫描天线的仿真计算的远场增益峰值曲线；

图7为图1中频率扫描天线的半功率波束角宽度曲线，包括仿真计算与实验测试结果；

图8为图1中频率扫描天线的主瓣方向曲线，包括仿真计算与实验测试结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明的技术方案之前，需要对一些技术术语进行解释。

微波表面等离激元是微波频段的等离激元，通过在介质表面刻蚀周期或准周期亚波长金属单元结构，改变入射电磁波的边界条件，使其在界面的法线方向指数型衰减，而在平行于界面的方向上传播。因为微波表面等离激元具有深亚波长特性以及局域场增强效应，电磁波被局限在很小的空间内，对天线的小型化设计大有裨益。另外，微波表面等离激元具有非线性频率色散特性，电磁波的相位与频率息息相关，为频扫天线的设计提供了可能。将微波表面等离激元应用于天线的设计中，可以大大地缩小天线的体积，改善天线的性能，攻克许多传统天线设计无法解决的技术难题，设计出一系列性能优异的新型天线。

参照图1，为本发明实施例中提供的基于微波表面等离激元的频率扫描天线，所述频率扫描天线的尺寸为432×16.25×3.0mm³，其从下至上包括底部接地板100、底部介质基板200、中央接地板300、中央介质基板400、金属单元500和顶部介质基板600，所述金属单元500还与位于所述中央介质基板400一端的同轴端口700电性连接。

参照图2，所述金属单元500为刻蚀在所述中央介质基板400的顶面上，其包括电性连接的梳齿状金属结构510和单边张口喇叭状金属结构520，所述梳齿状金属结构510用于耦合与传导微波表面等离激元，所述单边张口喇叭状金属结构520用于辐射微波表面等离激元。每一个所述单边张口喇叭状金属结构520与多个所述梳齿状金属结构510位置对应，并形成一组金属单元结构，一个所述频率扫描天线上具有43个所述金属单元结构，且均工作在X波段，所述金属单元结构均刻蚀形成在所述中央介质基板400的顶面上。

参照图3，所述中央介质基板400部分覆盖所述中央接地板300，即所述中央接地板300的尺寸小于所述中央介质基板400的尺寸，所述底部介质基板200覆盖在所述中央接地板300的底面上，所述底部接地板100覆盖在所述底部介质基板200的底面上。

在确定上述基本结构的前提下，根据具体要求进行频率扫描天线的介电常数、损耗和厚度，金属单元基板的介电常数、损耗和厚度，金属单元结构的尺寸、排布方式等。

参照图4，所述频率扫描天线在X波段S11均小于-10dB。

参照图5a，所述频率扫描天线在8.5,9,9.5,10,10.5,11,11.5,12.0GHz频率处的增益仿真结果。

参照图5b，所述频率扫描天线在8.5,9,9.5,10,10.5,11,11.5,12.0GHz频率处的增益测试结果。

参照图6，所述频率扫描天线在8.5～12.0GHz频段内，平均增益约为15dB。

参照图7，所述频率扫描天线在8.5～12.0GHz频段内，半功率角宽度约为6°。

参照图8，所述频率扫描天线在8.5～12.0GHz频段内，扫描角域约为-50～50°，且线性度很好。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。