一种端射式的人工表面等离激元天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于新型人工电磁媒质W及无线通信系统电子器件领域，具体设及一种端 射式的人工表面等离激元天线。
【背景技术】
[0002] 近几年来，人工表面等离激元在科研和工程领域引起了人们极大的兴趣，人工表 面等离激元波导被认为是微波段到太赫兹段很具前景的一种新型传输线。典型的人工表面 等离激元波导利用金属表面层上的一维或者二维的亚波长周期结构实现人工表面等离激 元的传播。其中，很多有价值的工作都是利用亚波长的權皱结构实现的。要实现人工表面等 离激元波导的广泛应用，就需要将其与传统波导结合起来。随着传统波导到人工表面等离 激元波导的过渡结构逐渐简化，基于人工表面等离激元的功能器件也逐渐引起了大家的兴 趣。
[0003] 任何通信系统中必不可少的部分就是天线，人工表面等离激元通信系统也不例 夕K虽然现在已经有一些基于人工表面等离激元的天线结构，但是它们都比较复杂，天线体 积也比较大。印刷偶极子作为最基础、应用最普遍的天线，在射频电路设计和工程应用中都 是非常方便的。然而在微波和太赫兹波段，偶极子的增益往往不是很高。幸运的是，具有特 殊性质的超材料可W解决偶极子在微波及太赫兹频段的增益不高的问题。因此若能将=者 结合，人工表面等离激元和印刷偶极子都将会有更加广阔的应用范围。
【发明内容】
[0004] 发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出了一种端射式的人工表面等离激元 天线。该结构利用传统的微带传输线进行馈电，利用对遲放置在介质上下两层的宽度渐变 的金属带线结构和槽深渐变的单边權皱带线实现了从微带传输线到表面等离激元波导的 高效转换，同时利用表面等离激元波导对印刷偶极子进行馈电;再利用I形结构谐振器阵列 对印刷偶极子的福射特性做进一步的提高。
[0005] 技术方案:本发明提出的技术方案为:一种端射式的人工表面等离激元天线，包括 介质基板、微带线1、表面等离激元波导3、微带线1到表面等离激元波导3的过渡传输线2、印 刷偶极子4和I形结构谐振器阵列5;
[0006] 微带线1包括分别设置在介质板上下两侧的金属线和金属地;微带线1通过过渡传 输线2与表面等离激元波导3相连;表面等离激元波导3包括分别设置在介质板上下两侧、对 遲放置的带状线，带状线的宽度与微带线1中的金属线的宽度相等，带状线上设有周期性排 列的、深度相等的凹槽；印刷偶极子4的两臂分别与表面等离激元波导3上下两侧的带状线 相连;微带线1通过过渡传输线2为表面等离激元波导3馈电，过渡传输线2实现微带线1和表 面等离激元波导3之间的波数匹配和阻抗匹配；电磁波信号经表面等离激元波导3传输至印 刷偶极子4并由印刷偶极子4福射出去；I形结构谐振器阵列5设置在印刷偶极子4输出端并 与印刷偶极子4之间隔开距离Mmm;I形结构谐振器阵列5用于增加端射式的人工表面等离激 元天线的增益。
[0007] 进一步的，所述过渡传输线2包括相连的第一过渡传输线2a和第二过渡传输线化； 第一过渡传输线2a包括微带线1上层金属线的等宽延伸部分和下层金属地的宽度渐变延伸 部分，宽度渐变延伸部分的宽度沿延伸方向由大到小渐变直至与微带线1上层金属线的宽 度相等;第二过渡传输线化包括分别设置在介质板上下两侧的、与微带线1上层金属线宽度 相等的单边權皱带状线，单边權皱带状线上沿长度方向设有周期性排列的凹槽，单边權皱 带状线上的凹槽深度沿长度方向逐渐加深直至与表面等离激元波导3上的凹槽深度相等。
[0008] 进一步的，所述I形结构谐振器阵列5包括8个由超材料制成的I形结构谐振器，I形 结构谐振器由一根纵向金属线和连接在纵向金属线两端的横向金属线组成，纵向金属线长 度为5.5mm，横向金属线长度为5mm，纵向金属线和横向金属线的宽度均为0.6mm相邻两个I 形结构谐振器的间隔为0.7mm。
[0009] 进一步的，所述表面等离激元波导3上的凹槽为矩形凹槽，矩形凹槽宽度为2mm，深 度为4mm，凹槽间距为5mm。
[0010] 进一步的，所述印刷偶极子4的两臂臂长均化1mm。
[0011] 有益效果:本发明利用传统的微带传输线进行馈电，利用对遲放置在介质上下两 层的宽度渐变的金属带线结构和槽深渐变的单边權皱带线实现了从微带传输线到表面等 离激元波导的高效转换，同时利用表面等离激元波导对印刷偶极子进行馈电;再利用I形结 构谐振器阵列对印刷偶极子的福射特性做进一步的提高。相比于已有的基于人工表面等离 激元的天线，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，增益高、福射效率高等优点，在未来 微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。
【附图说明】
[0012] 图1为本发明的结构示意图；
[0013] 图2为本发明上下两层结构拆分图；
[0014] 图3为I形结构谐振器的关于散射参数(传输系数和反射系数)和频率的关系图；
[0015] 图4为I形结构谐振器根据散射参数反演的等效折射率关于频率的关系图；
[0016] 图5为仅由印刷偶极子福射的增益和增加了 I型结构谐振器阵列后的福射增益对 比图；
[0017] 图6为所述端射式的人工表面等离激元天线的反射系数与频率关系的仿真和测试 图；
[0018] 图7为所述端射式的人工表面等离激元天线的实测归一化远场福射方向图；
[0019] 图8为所述端射式的人工表面等离激元天线的增益曲线。
[0020] 图中：1、微带线，2、过渡传输线，3、表面等离激元波导4、印刷偶极子，5、1形结构谐 振器阵列。
【具体实施方式】
[0021] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整的描述。
[0022] 本发明提出了一种端射式的人工表面等离激元天线，其目的在于实现在端射方向 的电磁波福射。
[0023] 所述端射式的人工表面等离激元天线利用传统的微带传输线进行馈电，利用对遲 放置在介质上下两层的宽度渐变的金属带线结构和槽深渐变的单边權皱带线实现了从微 带传输线到表面等离激元波导的高效转换，同时利用表面等离激元波导对印刷偶极子进行 馈电;再利用I形结构谐振器阵列对印刷偶极子的福射特性做进一步的提高。相比于已有的 基于人工表面等离激元的天线，本发明具有设计简单，易于加工，体积小，增益高、福射效率 高等优点，在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。
[0024] 如图1和图2所示为本发明的结构示意图，包括介质基板、微带线1、表面等离激元 波导3、微带线1到表面等离激元波导3的过渡传输线2、印刷偶极子4和I形结构谐振器阵列 5；
[0025] 微带线1包括分别设置在介质板上下两侧的金属线和金属地;微带线1通过过渡传 输线2与表面等离激元波导3相连;表面等离激元波导3包括分别设置在介质板上下两侧、对 遲放置的带状线，带状线的宽度与微带线1中的金属线的宽度相等，带状线上设有周期性排 列的、深度相等的凹槽；印刷偶极子4的两臂分别与表面等离激元波导3上下两侧的带状线 相连;微带线1通过过渡传输线2为表面等离激元波导3馈电，过渡传输线2实现微带线1和表 面等离激元波导3之间的波数匹配和阻抗匹配；电磁波信号经表面等离激元波导3传输至印 刷偶极子4并由印刷偶极子4福射出去；I形结构谐振器阵列5设置在印刷偶极子4输出端并 与印刷偶极子4之间隔开距离Mmm;I形结构谐振器阵列5用于增加端射式的人工表面等离激 元天线的增益。
[0026] 作为本发明的优选实施方式，所述过渡传输线2包括相连的第一过渡传输线2a和 第二过渡传输线2b;第一过渡传输线2a包括微带线1上层金属线的等宽延伸部分和下层金 属地的宽度渐变延伸部分，宽度渐变延伸部分的宽度沿延伸方