一种基于人工表面等离子体激元的异面不对称的毫米波圆极化端射天线

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于人工表面等离子体激元的异面不对称的毫米波圆极化端射天线。


背景技术：

2.天线作为无线通信系统的重要部分，正在向集成化、高效率、安全性高和微型化的方向发展。当天线等电子元器件小至纳米量级时，其工作机理将会受到经典衍射极限的制约。而表面等离子体激元在纳米光学中可以突破衍射极限，有利于天线等器件的集成化、小型化，从而进一步促使了微波元器件的发展。利用在金属表面刻蚀亚波长尺寸的“孔”或“槽”周期性阵列，使经过处理的金属在毫米波频段能够传输类似于光频段的表面等离子体激元，这种具有周期性“孔”或“槽”的金属被称为人工表面等离子体激元结构，而其所支持的表面电磁波则叫做人工表面等离子体激元。人工表面等离子体激元的发现为表面等离子体激元在毫米波和太赫兹频段的研究和发展做出了开创性的贡献。
3.毫米波宽带天线这类新型天线具有传输速率高、系统容量大、空间分辨和目标识别能力强，尺寸小等优点。而圆极化天线的抗云、雨干扰的能力，使它能够适合在不同的天气下工作。同时端射天线由于其高增益和良好的方向性的优点而在天线中占据重要位置。如何提高天线的增益及效率一直是国内外的研究热点，而对电磁波具有高束缚性的人工表面等离子体激元结构能够有效提高天线的增益及效率等性能。近年来对基于人工表面等离子体激元的端射天线的研究众多，但极化方式较单一，多为线极化。且目前基于人工表面等离子体激元的圆极化天线结构较为复杂。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种基于人工表面等离子体激元的异面不对称的毫米波圆极化端射天线，该天线包括：上层金属层、介质基板和下层金属层；介质基板设置在上层金属层和下层金属层之间，上层金属层包括第一微带线、第一锥形过渡结构和第一辐射结构，第一微带线、第一过渡结构和第一辐射结构依次连接，第一辐射结构上刻蚀有人工表面等离子体激元辐射结构；下层金属层包括第二微带线、第二锥形过渡结构和第二辐射结构，第二微带线、第二过渡结构和第二辐射结构依次连接；人工表面等离子体激元辐射结构与下层辐射结构形成异面不对称结构，共同作用产生端射圆极化波。
5.优选的，第一微带线和第二微带线均为矩形，第一微带线和第二微带线的长度相等，第二微带线的宽度大于第一微带线的宽度。
6.优选的，第一过渡结构为直角梯形，第二过渡结构为梯形；第一过渡结构的上底长度与第一微带线的宽度相等，第二过渡结构的下底长度与第二微带线的宽度相等，第一过渡结构与第二过渡结构的高相等，第一过渡结构的下底长度与第二过渡结构的上底长度相等。
7.优选的，第一辐射结构和第二辐射结构均为直角梯形，第一辐射结构的下底长度与第一过渡结构的下底长度相等，第二辐射结构的下底长度与第二过渡结构的上底长度相等，第一辐射结构与第二辐射结构的高、上底长度分别相等。
8.进一步的，第一辐射结构与第二辐射结构的上底位于同一直线上，形成喇叭状开口。
9.进一步的，喇叭状开口的宽度为0.8mm～1mm。
10.优选的，人工表面等离子体激元辐射结构为周期性分布的凹槽，凹槽深度呈减小趋势。
11.进一步的，第一辐射结构的下底与人工表面等离子体激元辐射结构的第一个凹槽的距离为7mm～7.5mm。
12.本发明的有益效果为：与目前已经存在的三维复杂结构的基于人工表面等离子体激元的圆极化天线相比，本发明结构更加简单，为单层介质板结构，以低剖面实现了端射圆极化，这也使得加工更加简单、成本更低；本发明为单一馈电结构，馈电方式简单，可直接连接sma接头；本发明通过引入喇叭状异面不对称人工表面等离子体激元结构，有效增加了天线的增益。
附图说明
13.图1为本发明中圆极化端射天线的立体示意图；
14.图2为本发明中天线俯视图；
15.图3为本发明中一优选实施例的天线的人工表面等离子体激元单元以及光的色散曲线图；
16.图4为本发明中一优选实施例的天线的反射系数以及轴比随频率变化的曲线图；
17.图5为本发明中一优选实施例的天线的增益与效率随频率变化的曲线图；
18.图6为本发明中一优选实施例的天线在27ghz频率时的xy面辐射方向图；
19.图7为本发明中一优选实施例的天线在27ghz频率时的xz面辐射方向图；
20.图中：1、上层金属层；11、第一微带线；12、第一过渡结构；13、第一辐射结构；2、介质基板；3、下层金属层；31、第二微带线；32、第二过渡结构；33、第二辐射结构。
具体实施方式
21.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。
22.本发明提出了一种基于人工表面等离子体激元的异面不对称的毫米波圆极化端射天线，如图1所示，所述天线包括：上层金属层1、介质基板2和下层金属层3；介质基板2设置在上层金属层1和下层金属层3之间；上层金属层1包括第一微带线11、第一锥形过渡结构12和第一辐射结构13，第一微带线11、第一过渡结构12和第一辐射结构13依次连接，第一辐射结构13上刻蚀有人工表面等离子体激元辐射结构；下层金属层3包括第二微带线31、第二锥形过渡结构32和第二辐射结构33，第二微带线31、第二过渡结构32和第二辐射结构33依
次连接；人工表面等离子体激元辐射结构与下层辐射结构33形成异面不对称结构，通过此结构可以使得上下两层辐射结构中产生的垂直极化波与介质基板中传播的水平极化波共同作用产生端射圆极化波。
23.如图2所示，其中深色部分表示顶层，浅色部分表示底层。天线由三个区域组成：区域ⅰ是用作馈电端的微带传输线，区域ii是从微带线到辐射结构的过渡，区域ⅲ是天线的辐射部分。
24.在一些实施例中，介质基板2为矩形，采用rogers rt 5880板，介质基板长度为l＝71mm～71.5mm，宽度为w＝15mm～17mm，厚度为t＝1.508mm或1.762mm，介电常数为2.2，介质基板损耗角为0.0009。上层金属层和下层金属层淀积的铜厚均为0.018mm或0.035mm。
25.第一微带线11和第二微带线31均为矩形，第一微带线为微带馈电端，第二微带线为等效地结构；第一微带线和第二微带线的长度相等，第二微带线的宽度大于第一微带线的宽度；优选的，第一微带线与第二微带线长度为l1＝4.8mm～5.2mm，第二微带线的宽度为wg＝14.5mm～15mm，第一微带线的宽度为w1＝2mm～2.5mm。
26.第一过渡结构12为直角梯形，第二过渡结构32为梯形(不规则梯形、直角梯形或等腰梯形)，第一过渡结构的上底长度与第一微带线的宽度w1相等，第二过渡结构的下底长度与第二微带线的宽度wg相等，第一过渡结构与第二过渡结构的高相等，第一过渡结构的下底长度与第二过渡结构的上底长度相等；优选的，第一过渡结构与第二过渡结构的高为l2＝21mm～21.5mm，第一过渡结构的下底长度ws与第二过渡结构的上底长度wg均为3.2mm；过渡结构等效为阻抗变换器，实现矩形微带结构到辐射结构的阻抗匹配。
27.第一辐射结构和第二辐射结构均为直角梯形，通过将矩形结构转换成直角梯形形成一个等效孔径，进一步提高端射增益；第一辐射结构的下底长度与第一过渡结构的下底长度相等，第二辐射结构的下底长度与第二过渡结构的上底长度相等，第一辐射结构与第二辐射结构的高、上底长度分别相等；优选的，第一辐射结构与第二辐射结构的高为lr＝24mm～25mm。
28.第一辐射结构与第二辐射结构的上底位于同一直线上，形成喇叭状开口；优选的，喇叭状开口的宽度为w
t
＝0.8mm～1.2mm；通过喇叭状开口结构可进一步提高天线的增益。
29.人工表面等离子体激元辐射结构为周期性分布的凹槽，凹槽深度呈减小趋势，具体的人工表面等离子体激元辐射结构的头部部分凹槽深度相同，尾部部分凹槽深度逐渐减小；周期性分布的凹槽可产生人工表面等离子体激元，通过周期性地开槽实现对电磁波的有效传输，并通过逐渐减小凹槽深度将电磁波辐射；如图3所示，图中左上角显示了人工表面等离子体激元凹槽单元结构细节，优选的，在rogers rt5880 1.508mm厚的介质基板上周期p为1.5mm，凹槽宽度a为p/2，凹槽深度h＝1mm～2mm；人工表面等离子体激元的色散特性可通过调整凹槽单元的几何参数即p、a和h来控制，从而使其在频段内能传输电磁波。由图可知人工表面等离子体激元具有慢波特性，且随着h的增大人工表面等离子体激元的截止频率在逐渐减小。
30.在一优选实施例中，第二过渡结构为不规则梯形，第一过渡结构的高位于第二微带线的长的中垂线上，本发明结构的具体尺寸为：介质基板长度为l＝71.2mm，宽度为w＝16mm，厚度为t＝1.508mm，上层金属层和下层金属层淀积的铜厚均为0.018mm，第一微带线与第二微带线长度为l1＝5mm，第二微带线的宽度为wg＝15mm，第一微带线的宽度为w1＝
2.5mm，第一过渡结构与第二过渡结构的高为l2＝21.5mm，第一过渡结构的下底长度ws与第二过渡结构的上底长度wg均为3.2mm，第一辐射结构与第二辐射结构的高为lr＝24mm，喇叭状开口的宽度为w
t
＝1mm，凹槽周期p为1.5mm，凹槽宽度a为p/2，凹槽深度h＝1.5mm。
31.对本发明进行评价，如图4所示，由图4可看出，天线的s11参数(输入回波损耗)小于-10db的范围为26.3-28.2ghz，所以本发明设计的天线可以覆盖26.3-28.2ghz频带，表明天线在工作频带内具有稳定的圆极化。
32.如图5所示，由图5可看出，天线工作频带内最高辐射增益达10.9dbic，且辐射效率均大于97％。
33.天线在27ghz时xy面与xz面的方向图的示意图分别如图6和图7所示，从图中可以看出，天线为的圆极化方式为左旋圆极化，且具有良好的端射性能。
34.以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。