基于仿局域表面等离激元的亚波长天线及其阵列的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线及其阵列，天线单元由上至下依次包括刻槽金属圆环结构、上层介质层、微带线金属贴片、下层介质层及金属地板，所述刻槽金属圆环结构、上层介质层、微带线金属贴片、下层介质层及金属地板之间相互贴合。天线阵列单元与单元间距为亚波长尺寸。本发明具有尺寸小（亚波长）、重量轻、成本低、增益较高等优点，适合应用于无线能量收集系统，为WSN和RFID等电子设备供电。
【专利说明】
基于仿局域表面等离激元的亚波长天线及其阵列
技术领域
[0001]本发明涉及一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线及其阵列，属于新型人工电磁材料、能量收集与回收技术领域，该天线及其阵列可应用于物联网、射频识别(RFID)和无线传感器网络(WSN)等领域。
【背景技术】
[0002]作为物联网的两大核心技术，射频识别(RFID)和无线传感器网络(WSN)已得到国际上学术界和企业界的高度关注，各国政府部门亦积极推进物联网的发展。WSN和RFID等物联网技术已应用于各个领域:如国防安全、空间探测、环境监测等。RFID、WSN节点分布范围广、数量多、或工作于不可及的特殊环境中，无线能量收集技术回收利用自由空间的电磁能量，将其转换成直流能量为电子设备供电，延长其生命周期、拓宽应用范围的关键技术。环境电磁能量存在功率密度低且变化范围宽(-27?10dBm/m2)、频带多等特点。为了有效利用空间任意电磁能量，收集天线需要同时满足较高增益、多频带和较大的半功率波瓣宽度等指标。而常规天线的带宽和增益决定于它的几何结构及尺寸，较高增益往往意味着较大尺寸。这时相比于整流电路、能量管理和存储、传感器等模块，收集天线的尺寸过于庞大，对于具有成百上千节点的无线传感器网络来说，这种庞大的天线是不切实际的。
[0003]超材料(新型人工电磁材料)是电磁学中新兴的研究领域，由一系列设计的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成。近些年超材料得到了长足的发展，在天线和微波器件等方面都有广泛的应用。基于仿表面等离激元超材料能够在低频段实现电磁波的亚波长束缚，从而实现小型化、集成化的微波器件和天线。本发明提出了一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线及其阵列，具有尺寸小(亚波长)、重量轻、成本低、增益较高等优点，适合应用于无线能量收集系统，为WSN和RFID等电子设备供电。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提出一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线及其阵列.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案:
一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线，由上至下依次包括刻槽金属圆环结构、上层介质层、微带线金属贴片、下层介质层及金属地板，所述刻槽金属圆环结构、上层介质层、微带线金属贴片、下层介质层及金属地板之间相互贴合。
[0005]所述刻槽金属圆环结构上刻蚀沿圆周方向均匀分布的凹槽，被环形结构分为内外凹槽两部分，内外凹槽由槽深相同的直凹槽组成，剩余金属部分呈近似扇型结构。
[0006]在上层介质层，下层介质层之间设有微带线金属贴片，所述微带线金属贴片由一条短金属贴片和置于短金属贴片末端的圆形结构组合而成，所述圆形结构与环形结构的内圆内切。
[0007]—种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线阵列，由上述的若干基于仿局域表面等离激元的亚波长天线为阵元构成，每个阵元的微带线金属贴片通过天线阵列馈电网络连接，多个阵元在同一平面上成一直线排列。
[0008]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步:
本发明在900MHz、1.8GHz和2.45GHz天线增益分别为3.78dBi，1.3dBi和6.16dBi，其尺寸为60mm*75mm，即0.18λ*0.23λ(相对于最低工作频率900MHz的波长)；在900MHz、1.8GHz和2.456泡天线阵列增益分别为4.84(18丨，5(18丨和8.19(18丨，其尺寸为120111111*85111111，8卩0.36入*
0.26λ，天线阵元间距为60mm，即0.18λ，所以本发明具有尺寸小(亚波长)、重量轻、成本低、
增益较高等优点。
【附图说明】
[0009]图1是本发明天线俯视图。
[0010]图2是本发明天线阵列俯视图。
[0011]图3是本发明天线侧视图。
[0012]图4是本发明天线单元的方向图。
[0013]图5是本发明天线阵列的方向图。
[OOM]其中1-刻槽金属圆环结构，2-上层介质层，3-刻槽金属带的凹槽宽度，4-刻槽金属带的凹槽间隔，5-刻槽金属带的凹槽长度，6-环形结构，7-环形结构的间隔，8-微带线金属贴片，9-圆形结构，10-介质层的宽度，11-介质层的长度，12-天线阵元间距，13-天线阵列馈电网络，14-下层介质层，15-金属地板，16-刻槽金属圆环结构以及金属地板的厚度，17-上层介质板及下层介质板的厚度。
【具体实施方式】
[0015]下面结合附图和优选实施例，对本发明做进一步阐述。
[0016]参见图1、图2和图3，一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线，由上至下依次包括刻槽金属圆环结构1、上层介质层2、微带线金属贴片8、下层介质层14及金属地板15，所述刻槽金属圆环结构1、上层介质层2、微带线金属贴片8、下层介质层14及金属地板15之间相互贴合。
[0017]所述刻槽金属圆环结构I上刻蚀沿圆周方向均匀分布的凹槽，被环形结构6分为内外凹槽两部分，内外凹槽由槽深相同的直凹槽组成，剩余金属部分呈近似扇型结构。
[0018]在上层介质层2，下层介质层14之间设有微带线金属贴片8，所述微带线金属贴片8由一条短金属贴片和置于短金属贴片末端的圆形结构9组合而成，所述圆形结构9与环形结构6的内圆内切。
[0019]一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线阵列，由上述的若干基于仿局域表面等离激元的亚波长天线为阵元构成，每个阵元的微带线金属贴片8通过天线阵列馈电网络13连接，多个阵元在同一平面上成一直线排列。
[0020]本实施例中刻槽金属带的凹槽宽度3为1.13mm、刻槽金属带的凹槽间隔4为2.82mm、刻槽金属带的凹槽长度5为8.8mm，环形结构的间隔7为1mm，上层介质板及下层介质板的厚度17为1.524mm。采用微带线金属贴片8作为激励来激发上层介质层2上刻槽金属圆环结构I中的人工局域表面等离激元。其中微带线金属贴片8末端的圆形结构9是为了使更多的电磁波耦合到刻槽金属圆环结构I上，刻槽金属圆环结构以及金属地板的厚度16为
0.018mm，非常小，介质层的宽度10和介质层的长度11分别是60和75mm，分别为0.2λ和0.25入，天线阵元间距12为60mm，为0.2λ(相对于最低工作频率900MHz的波长)。
[0021 ] 如图4所示，本发明的天线单元结构方向图，(a)900MHz天线最大增益3.78dBi，(b)
1.8GHz天线最大增益为1.3dBi，(c)2.45GHz天线的最大增益6.16dBi。
[0022]如图5所示，本发明的天线阵列结构方向图，(a)900MHz天线最大增益4.84dBi，(b)
1.8GHz天线最大增益为5dBi，(c)2.45GHz天线的最大增益8.19dBi。
[0023]本发明具有尺寸小(亚波长)、重量轻、成本低、增益较高等优点，适合应用于无线能量收集系统，为WSN和RFID等电子设备供电。
【主权项】
1.一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线，其特征在于:由上至下依次包括刻槽金属圆环结构(I)、上层介质层(2)、微带线金属贴片(8)、下层介质层(14)及金属地板(15)，所述刻槽金属圆环结构(I)、上层介质层(2)、微带线金属贴片(8)、下层介质层(14)及金属地板(15)之间相互贴合。2.根据权利要求1所述的基于仿局域表面等离激元的亚波长天线，其特征在于:所述刻槽金属圆环结构(I)上刻蚀沿圆周方向均匀分布的凹槽，被环形结构(6)分为内外凹槽两部分，内外凹槽由槽深相同的直凹槽组成，剩余金属部分呈近似扇型结构。3.根据权利要求1所述的基于仿局域表面等离激元的亚波长天线，其特征在于:在上层介质层(2)，下层介质层(14)之间设有微带线金属贴片(8)，所述微带线金属贴片(8)由一条短金属贴片和置于短金属贴片末端的圆形结构(9)组合而成，所述圆形结构(9)与环形结构(6)的内圆内切。4.一种基于仿局域表面等离激元的亚波长天线阵列，其特征在于，由权利要求1或2或3所述的若干基于仿局域表面等离激元的亚波长天线为阵元构成，每个阵元的微带线金属贴片(8)通过天线阵列馈电网络(13)连接，多个阵元在同一平面上成一直线排列。
【文档编号】H01Q21/08GK105870615SQ201610216170
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月11日
【发明人】周永金, 肖前循
【申请人】上海大学