人工表面等离激元高口径效率端射天线

1.本发明涉及一种人工表面等离激元高口径效率端射天线，属于天线技术领域。


背景技术：

2.人工表面等离激元是一种在周期性金属表面激励起的具有色散特性的表面波，有很强的场束缚性。利用该模式设计的微波器件具有传输损耗低、易于共型等特性，因而受到广泛的研究。近几年，基于人工表面等离激元的端射天线也获得了大量关注。
3.但目前基于人工表面等离激元的端射天线仍然存在以下问题：1)实现端射的方式仍然是依靠偶极子阵列等谐振型的辐射器，这会导致设计的天线存在着较大的横向尺寸，占用空间较大，使得天线的口径效率较低；2)由于使用谐振型辐射器的设计，存在着工作带宽较窄的问题。
4.例如，中国专利申请cn202111621835.5公开的一种基于人工表面等离激元的宽带高增益平面端射天线。该专利中过渡部分采用多个i型谐振器，辐射部分采用渐变开口结构，导致天线横向和纵向的电尺寸过大且口径效率过低。
5.此外，现有的依靠人工表面等离激元辐射的端射天线会采用非对称的结构，这会使天线的最大辐射方向偏移端射的方向，导致天线的指向性不好，为实际的天线装配带来麻烦。同时，采用谐振型辐射器或使用非对称人工表面等离激元结构，这使天线的设计变得复杂。
6.上述问题是在端射天线的设计与生产过程中应当予以考虑并解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的是提供一种人工表面等离激元高口径效率端射天线，该天线具有高口径效率、剖面低、宽工作带宽和端射方向指向性好等特性，解决现有技术中存在的口径效率较低、剖面较高、工作带宽窄、尺寸大、辐射方向偏移和设计复杂的问题。
8.本发明的技术解决方案是：
9.一种人工表面等离激元高口径效率端射天线，包括介质基板，介质基板的上下两面分别形成介质基板顶层和介质基板底层，介质基板底层设有接地金属层，介质基板顶层设有顶面金属层，顶面金属层设有巴伦结构、渐变平行双线、过渡平行双线和人工表面等离激元辐射条带，巴伦结构的一端为馈电端口，巴伦结构的另一端通过连接渐变平行双线连接过渡平行双线的端部，过渡平行双线的另一端部连接成对设置的人工表面等离激元辐射条带，人工表面等离激元辐射条带间形成间隙且轴对称设置，巴伦结构与接地金属层对应设于介质基板的上下两面，通过巴伦结构并经过渐变平行双线和过渡平行双线构成的过渡结构，对人工表面等离激元辐射条带两侧电流同相馈电。
10.进一步地，巴伦结构包括第一微带线、双微带线和平行双线，双微带线包括第二微带线和第三微带线，第二微带线和第三微带线分别采用弯折为u形且总长度相差半个波长的微带线，第一微带线的一端是天线的馈电端口，第一微带线的另一端两侧分别连接第二
微带线和第三微带线，第二微带线和第三微带线连接渐变平行双线。
11.进一步地，第二微带线和第三微带线分别采用弯折方向相反的u形微带线。
12.进一步地，人工表面等离激元辐射条带包括人工表面等离激元过渡段、周期性矩形贴片段、人工表面等离激元渐变段和贴片，周期性矩形贴片段的一端通过人工表面等离激元过渡段连接渐变平行双线，周期性矩形贴片段的另一端连接人工表面等离激元渐变段，贴片等间距设于人工表面等离激元辐射条带的外侧。
13.进一步地，人工表面等离激元辐射条带的内侧设有间隙且相互平行设置。
14.进一步地，贴片包括第一周期性贴片、矩形贴片和第二周期性贴片，第一周期性贴片的顶端设有第一斜面，第一周期性贴片的底端设于人工表面等离激元过渡段的外侧，矩形贴片设于周期性矩形贴片段的外侧，且矩形贴片的高度相同，第二周期贴片的顶端设有第二斜面，第二周期性贴片的底端设于人工表面等离激元渐变段的外侧。
15.进一步地，第一周期性贴片的高度由远周期性矩形贴片段端到近周期性矩形贴片段端逐渐递增，第二周期性贴片的高度由远周期性矩形贴片段端到近周期性矩形贴片段端逐渐递减。
16.进一步地，通过调整人工表面等离激元辐射条带上矩形贴片高度，实现对人工表面等离激元辐射条带的色散曲线的调控，从而实现对天线工作频率和带宽的调节：当矩形贴片的高度增加时，该天线的工作频率降低，工作带宽变窄；当矩形贴片的高度降低时，该天线的工作频率升高，工作带宽变宽。
17.进一步地，通过调节人工表面等离激元辐射条带上的矩形贴片个数，实现对人工表面等离激元辐射条带的长度的调控，从而实现对该天线增益和波束宽度的调控：矩形贴片个数增加时，该天线的增益提高，波束宽度变窄；矩形贴片个数减少时，该天线的增益降低，波束宽度变宽。
18.进一步地，通过调整巴伦结构中的第二微带线和第三微带线的总长度，实现对天线工作频率的调控：当巴伦结构中的第二微带线与第三微带线总长度差值增大时，天线工作频率变小，相反，总长度差值减小时天线工作频率变大。
19.本发明的技术解决方案是：
20.本发明的有益效果是：
21.一、该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，具有高口径效率、剖面低、宽工作带宽、高定向性、高增益，且整体尺寸较小，结构简单易于加工的优点；解决了现有基于人工表面等离激元的端射天线存在的口径效率较低、剖面高、带宽窄、辐射方向偏移、横向尺寸大和设计复杂等问题，能够应用于毫米波频段。
22.二、该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，通过巴伦结构实现的相反电流使上下对称设置的人工表面等离激元辐射条带形成一个偶极子阵列，从而实现了天线的端射辐射。同时，将人工表面等离激元辐射条带作为天线的辐射源，降低了天线的整体尺寸，减小了金属占用面积，实现了天线的小口径，在降低天线口径的同时实现高增益，从而实现了高口径效率。
23.三、该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，通过巴伦结构的电流经过渐变平行双线、过渡平行双线和人工表面等离激元过渡段的过渡，实现了天线的阻抗匹配，从而实现了较宽的带宽。
24.四、本发明采用巴伦结构对一对完全对称的人工表面等离激元辐射条带进行馈电，避免了非对称结构引起的方向图倾斜问题，从而实现了端射方向的高定向性辐射。
25.五、该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，通过人工表面等离激元渐变段的渐变，实现了电磁波的匹配，从而使电磁波能够有效地辐射到自由空间中，实现了较高的增益。
附图说明
26.图1是本发明实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的结构示意图；
27.图2是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的顶面结构示意图。
28.图3是图2中a的局部放大示意图。
29.图4是图2中b的局部放大示意图。
30.图5是图2中c的局部放大示意图。
31.图6是图2中d的局部放大示意图。
32.图7是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的底面结构示意图。
33.图8是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的仿真与实测s参数示意图。
34.图9是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的9g方向图示意图，其中，图9(a)是e面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图9(b)是h面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
35.图10是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的10g方向图示意图，其中，图10(a)是e面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图10(b)是h面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
36.图11是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的11g方向图示意图；其中，图11(a)是e面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图，图11(b)是h面的仿真和实测的共面极化和交叉极化图。
37.图12是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的仿真和实测增益和效率示意图。
38.其中：11-介质基板顶层，12-顶面金属层，13-巴伦结构，14-渐变平行双线，15-过渡平行双线，16-人工表面等离激元辐射条带，17-间隙；
39.131-第一微带线，132-第二微带线，133-第三微带线，134-平行双线；
40.161-人工表面等离激元过渡段，162-周期性矩形贴片段，163-人工表面等离激元渐变段，164-第一周期性贴片，165-矩形贴片，166-第二周期性贴片，167-第一斜面，168-第二斜面；
41.21-介质基板底层，22-接地金属层。
具体实施方式
42.下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
43.实施例
44.一种人工表面等离激元高口径效率端射天线，如图1、图2和图7，包括介质基板，介质基板的上下两面分别形成介质基板顶层11和介质基板底层21，介质基板底层21设有接地
金属层22。
45.如图1和图2，介质基板顶层11设有顶面金属层12，顶面金属层12设有巴伦结构13、渐变平行双线14、过渡平行双线15和人工表面等离激元辐射条带16，巴伦结构13的一端为馈电端口，巴伦结构13的另一端通过连接渐变平行双线14连接过渡平行双线15的端部，过渡平行双线15的另一端部连接成对设置的人工表面等离激元辐射条带16，人工表面等离激元辐射条带16间形成间隙17且轴对称设置，巴伦结构13与接地金属层22对应设于介质基板的上下两面，通过巴伦结构13并经过渐变平行双线14和过渡平行双线15构成的过渡结构，对人工表面等离激元辐射条带16两侧电流同相馈电。
46.该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，具有高口径效率、剖面低、宽工作带宽、高定向性、高增益，且整体尺寸较小，结构简单易于加工的优点；解决了现有基于人工表面等离激元的端射天线存在的剖面高、口径效率较低、带宽窄、辐射方向偏移、横向尺寸大和设计复杂等问题，能够应用于毫米波频段。
47.如图2和图3，巴伦结构13包括第一微带线131、双微带线和平行双线134，双微带线包括第二微带线132和第三微带线133，第二微带线132和第三微带线133分别采用弯折为u形且长度相差半个波长的微带线，第一微带线131的一端是天线的馈电端口，第一微带线131的另一端两侧分别连接第二微带线132和第三微带线133，第二微带线132和第三微带线133连接渐变平行双线14。
48.如图2，通过巴伦结构13实现的相反电流使上下对称设置的人工表面等离激元辐射条带16形成一个偶极子阵列，从而实现了天线的端射辐射。同时，将人工表面等离激元辐射条带16作为天线的辐射源，降低了天线的整体尺寸，减小了金属占用面积，实现了天线的小口径，从而实现了高口径效率。
49.如图1和图2，馈电部分采用具有180
°
相移的巴伦结构13，巴伦结构13中，第一微带线131通过两个高阻抗的第二微带线132和第三微带线133连接平行双线134，第二微带线132和第三微带线133采用u形结构的弯折微带线构成，第二微带线132和第三微带线133长度相差半个波长。第一微带线131前端的馈电经过双微带线后在平行双线134末端形成两个具有180
°
相位差的电流，再经由渐变平行双线14和过渡平行双线15后过渡到人工表面等离激元辐射条带16，达到端射方向辐射。
50.如图2和图3，第二微带线132和第三微带线133分别采用弯折方向相反的u形微带线，能够避免相同方向弯折导致两微带线之间的耦合。第一微带线131优选采用50ohm的微带线。
51.如图1和图7，通过设置渐变平行双线14、过渡平行双线15，结构简单、电尺寸小，易于加工。介质基板底层21设有与巴伦结构13相对应长度的接地金属层22。
52.如图1和图2，人工表面等离激元辐射条带16包括人工表面等离激元过渡段161、周期性矩形贴片段162、人工表面等离激元渐变段163和贴片，周期性矩形贴片段162的一端通过人工表面等离激元过渡段161连接渐变平行双线14，周期性矩形贴片段162的另一端连接人工表面等离激元渐变段163，贴片等间距设于人工表面等离激元辐射条带16的外侧。
53.如图2，人工表面等离激元辐射条带16的内侧设有间隙17且相互平行设置。通过设置完全平行的两个人工表面等离激元辐射条带16，且两个人工表面等离激元辐射条带16之间的间隙17是一个等宽度间隙，能够实现天线横向尺寸小、高口径效率，避免增加天线的横
向尺寸、降低口径效率以及加工复杂的问题。
54.如图2、图4、图5和图6，贴片包括第一周期性贴片164、矩形贴片165和第二周期性贴片166，第一周期性贴片164的顶端设有第一斜面167，第一周期性贴片164的底端设于人工表面等离激元过渡段161的外侧，矩形贴片165设于周期性矩形贴片段162的外侧，且矩形贴片165的高度相同，第二周期贴片的顶端设有第二斜面168，第二周期性贴片166的底端设于人工表面等离激元渐变段163的外侧。第一斜面167能够更好地实现平行双线15到人工表面等离激元辐射条带16的过渡，第二斜面168通过高度逐渐减小的人工表面等离激元实现了天线与自由空间的相位匹配，使电磁波更好地辐射到自由空间中。
55.如图2、图4和图6，第一周期性贴片164的高度由远周期性矩形贴片段162端到近周期性矩形贴片段162端逐渐递增。第二周期性贴片166的高度由远周期性矩形贴片段162端到近周期性矩形贴片段162端逐渐递减。第一周期性贴片164能够更好地实现平行双线15到人工表面等离激元辐射条带16的过渡，无需额外设置i型谐振器，同时能够实现采用较短长度比，减小了天线的整体尺寸；第二周期性贴片166通过高度逐渐减小的人工表面等离激元实现了天线与自由空间的相位匹配，使电磁波更好地辐射到自由空间中。
56.如图1和图2，利用人工表面等离激元辐射条带16进行辐射，且传输行波模式，这使天线具有较宽的工作带宽。通过巴伦结构13的电流经过渐变平行双线14、过渡平行双线15和人工表面等离激元过渡段161的过渡，实现了天线的阻抗匹配，从而能够进一步实现了较宽的带宽；通过人工表面等离激元渐变段163的渐变，实现了电磁波的匹配，从而使电磁波能够有效地辐射到自由空间中，实现了较高的增益。
57.实施例中，通过调整人工表面等离激元辐射条带16上矩形贴片165高度，实现对人工表面等离激元辐射条带16的色散曲线的调控，从而实现对天线工作频率和带宽的调节：当矩形贴片165的高度增加时，该天线的工作频率降低，工作带宽变窄；当矩形贴片165的高度降低时，该天线的工作频率升高，工作带宽变宽。
58.实施例中，通过调节人工表面等离激元辐射条带16上的矩形贴片165个数，实现对人工表面等离激元辐射条带16的长度的调控，从而实现对该天线增益和波束宽度的调控：矩形贴片165个数增加时，该天线的增益提高，波束宽度变窄；矩形贴片165个数减少时，该天线的增益降低，波束宽度变宽。
59.该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，通过调整巴伦结构13中的第二微带线132和第三微带线133的长度，实现对天线工作频率的调控。当巴伦结构13中的第二微带线132与第三微带线133总长度差值增大时，天线工作频率变小，相反，总长度差值减小时天线工作频率变大。
60.该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，与目前人工表面等离激元端射天线存在明显区别。结构上：现有的人工表面等离激元端射天线通常采用非对称结构或者使用谐振型辐射器，实施例的该种人工表面等离激元端射天线采用的是完全对称的结构；原理上：人工表面等离激元具有较强的场束缚性，不能使能量有效地向自由空间辐射，若想实现人工表面等离激元向自由空间的辐射，就必须破坏其场分布。现有的人工表面等离激元端射天线将人工表面等离激元传输线作为天线的馈电，通过将人工表面等离激元传输线上的能量耦合到辐射器上进行辐射，或者采用非对称结构的该人工表面等离激元端射天线通过在人工表面等离激元辐射条带16上激发差分电场。实施例的该种人工表面等离激元端射天
线，采用巴伦结构13对偶极子型人工表面等离激元进行馈电，从而实现能量有效辐射。
61.该种人工表面等离激元高口径效率端射天线，采用单层金属结构的薄介质基板，实现低剖面，采用的对称结构使该天线形成的端射波束没有倾斜。最终该天线具有剖面低、宽工作带宽、高口径效率、端射方向指向性好和尺寸小、等特性，可以应用于微波领域。
62.实施例的仿真和实测验证结果如下：
63.图8是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的s参数图，该天线有9-11ghz的工作带宽，相对带宽为20％，具有较宽的工作带宽。
64.图9、图10和图11分别是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线的9ghz、10ghz、11ghz的方向图，从方向图可以看出，其波束在端射方向没有倾斜，具有优异的端射性能。
65.图12是实施例人工表面等离激元高口径效率端射天线在9-11ghz频段内每隔0.1ghz取点得到的增益和辐射效率，该天线具有13.3dbi的最高增益，平均辐射效率为98％，具有高增益和高辐射效率。
66.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。