一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线

1.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：

2.随着通信行业的不断发展，无线频谱需求不断增大，宽带无线通信技术具有传输速率快、信息传输量大、稳定性高等特点，是解决无线频谱需求的有效途径。宽带天线可以通过改进制作材料，简化硬件结构等方式来降低成本。
3.当前，卫星通信、雷达探测等方面对通信技术的要求不断提高，需要天线覆盖更宽带宽，具备更好的方向性。圆极化阵列天线可以提高通信系统性能，接受和辐射任意极化的波，被广泛应用于军事领域。在移动通信、全球定位系统、卫星通信等领域中，圆极化阵列天线凭借其可以增大通信容量的优势，提高系统的抗多径效应能力。
4.随着技术的发展，现代无线通信技术对天线的增益、方向性等性能提出了更高要求，而传统的单圆极化天线的带宽受限，现有对天线方向性调节的方法稳定性较差，仅能实现狭义的带宽延展，不能实现方向性的改善。


技术实现要素：

5.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，能够实现带宽的提升和方向性的改善。
6.为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：
7.一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和圆形贴片，所述辐射贴片和圆形贴片均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；所述下层介质基板上表面设置有移相馈电网络，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。
8.可选的，所述圆极化阵列天线的尺寸为1.27λg
×
1.27λg
×
0.18λg，λg为导波长。
9.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。
10.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；所述圆形贴片设置于圆槽内侧。
11.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方片，所述金属方片中心均蚀刻有圆孔，所述金属方片一一对应设置于上层介质基板的上表面和下表面。
12.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。
13.可选的，所述微带线呈不规则弯曲状排列。
14.可选的，所述180
°
移相器连接的微带线侧边设置有多个条形贴片，所述条形贴片的内侧边均蚀刻有矩形槽。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
16.本发明提供的一种基于表面等离子体激元的圆极化阵列天线，其中，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；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；通过人工表面等离子体激元技术和局域表面等离子体激元技术，对天线的方向性进行改善，提升了天线的性能。
附图说明
17.图1是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的结构示意图一；
18.图2是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的结构示意图二；
19.图3是本发明实施例提供的上层介质基板表面示意图；
20.图4是本发明实施例提供的下层介质基板表面示意图；
21.图5是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的相位随输入信号频率变化示意图；
22.图6是本发明实施例提供的圆极化阵列天线在5.6ghz、6.3ghz的辐射方向示意图；
23.图7是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的测量和仿真结果比较|s11|示意图；
24.图8是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的测量和仿真结果比较轴比示意图；
25.图9是本发明实施例提供的圆极化阵列天线的测量和仿真结果比较增益示意图；
26.图中标记为：
27.1.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，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.金属方片，72.圆孔，8.条形贴片，81.矩形槽。
具体实施方式
28.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。
29.实施例一：
30.如图1-4所示，本实施例提供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和圆形贴片5，
辐射贴片3和圆形贴片5均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；辐射贴片3包括基圆32以及开设于基圆32上的圆槽33，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；圆形贴片5设置于圆槽33内侧。月牙状结构减少了移相馈电网络4和辐射贴片3之间的影响，通过扰动产生两个正交模式，形成圆极化，有利于带宽的提升和方向性的改善。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；人工表面等离子体激元技术和局域表面等离子体激元技术有效提高了圆极化阵列天线的带宽，改善了方向性。
31.下层介质基板2上表面设置有移相馈电网络4，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。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41，180
°
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，微带线44呈不规则弯曲状排列。输入信号由威尔金森功分器分为两个信号，可以实现更平衡的功率分配，提高带宽。两个90
°
移相器45通过四分之一波长差的微带线实现90
°
的相位差，180
°
移相器46通过二分之一波长差的微带线44实现180
°
的相位差；利用移相器在较宽的频带上调整相位，使相位从0
°
转换到90
°
、180
°
、270
°
，实现方向性的调整和改善。180
°
移相器连接的微带线侧边设置有多个条形贴片，条形贴片的内侧边均蚀刻有矩形槽。
32.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，用于抑制谐波和电磁表面波的传播，提高天线的性能。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方片71，金属方片71中心均蚀刻有圆孔72，金属方片71一一对应设置于上层介质基板1的上表面和下表面。
33.本实施例圆极化阵列天线的尺寸为1.27λg
×
1.27λg
×
0.18λg，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。
34.本实施例提供的圆极化阵列天线的具体尺寸如表1所示，
35.表一：
36.参数l1w1w2w3w4w5r1r2r3值(mm)601.50.50.841.10.2120.44参数h1h2h3a1a2a3a4a5a6值(mm)0.50.560.50.30.20.30.50.9参数d1d2d3d4d5d6d7ꢀꢀ
值(mm)1160.7440.72.44
ꢀꢀ
37.如图5所示，可以看出，阻抗带宽为3.11ghz至6.74ghz，相邻输出端口之间的相位差可以从3ghz至7ghz保持在90
°
左右。
38.如图6所示，本发明实施例中阵列在5.8ghz、6.3ghz的辐射方向图。可以看出，加入
局域表面等离子体激元结构后，交叉极化得到明显抑制。在5.8ghz时，交叉极化抑制大于15db的角度可以达到50
°
，比没有加入局域表面等离子体激元结构好12
°
。在6.3ghz时，交叉极化抑制可以达到大于15db到63
°
的角度，比没有加入局域表面等离子体激元结构好33
°
。此天线实现了方向性的提高。
39.如图7所示，显示了测量和模拟|s11|(输入反射系数，用来衡量天线与激励源的阻抗匹配是否良好，是天线性能的指标参数之一)结果之间的比较。实测阻抗带宽为3.15ghz至6.75ghz，相对带宽为72％，与仿真结果基本一致。
40.如图8所示，显示了实测和模拟轴比结果之间的比较。实测轴比带宽为3.97ghz至6.72ghz，相对带宽为55％，
41.如图9所示，显示了测量和模拟增益的比较。实测峰值增益为11.11dbi。
42.由测量和仿真结果可得，本发明设计的天线阵在尺寸上具有一定的优势，可以实现方向性的改善。
43.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。