一种基于表面等离子体激元的毫米波天线

摘要

本发明公开了一种基于表面等离子体激元的毫米波天线包括PCB介质板与两条金属微带，在PCB介质板的两个表面刻蚀出所述两条金属微带，两条金属微带含有用于调节SMA与天线间阻抗匹配的重叠区域，两条金属微带上分别刻蚀有锯齿形状波纹结构，形成波纹微带条；根据天线的工作频率、参数关系式以及色散关系得到锯齿形状波纹深度h、波纹周期p。有益效果为：通过控制周期排列的齿状结构的结构参数，在奇膜传输线的一端形成等效天线口径，实现等离子体激元的直接辐射，进而获得一种工作于Ka波段的高效率、高增益毫米波天线。

说明书

技术领域

本发明属于电磁波领域，具体涉及一种基于表面等离子体激元的毫米波天线。

背景技术

表面等离子体激元(后面简称SPPs)是一种能在波纹金属表面传播的表面电磁波模式。它利用在介质基底上形成的周期排列的齿状结构的金属薄膜阵列，在垂直传播方向上把电磁波紧紧束缚金属/介质界面上，并且使电磁波沿着图形化的金属结构阵列传输形成所谓的表面电磁波(即人工表面等离子体激元)。通过调节齿状周期结构的周期长度、齿深和齿宽，可以控制表面电磁波的渐进频率和波数的大小。便于实现传统微带线、共面波导等无法实现的功能和特性。基于等离子体激元的传输线比传统传输线在毫米波和太赫兹频段具有更低的损耗。在毫米波和THz波段具有广阔的应用前景。近来，人们提出了基于表面等离子体激元的多种功能的射频和微波电路，如滤波器，功分器，耦合器和天线。但是，目前基于表面等离子体激元的天线大多数是利用偶极辐射来实现的天线的发射功能的。由于偶极辐射效率比较低，限制了这些天线的效率和增益的进一步提高。

图1(a)是半无限大的单侧波纹表面等离子体激元传输线(后面简称SPPs传输线)。TM模式的电磁波被束缚在传输线并向前传播。在传输线的一端(右端)逐渐减小波纹深度h，传输线对电磁场的束缚就逐渐变弱，引起垂直于传播方向的电磁场的分量(E_z,H_y)扩展；同时沿传播方向的电场分量E_x逐渐减小，TM模式的电磁波转换成TEM模式的电磁波，形成辐射电磁波，也就是传输线一端形成了等效的天线辐射口径。但是在实际的波纹表面等离子体激元传输线中电磁场总是关于xoz平面呈现镜像对称分布。如图1(b)所示，上半空间的电磁场与下半空间的电磁场方向相反、大小相等，等效辐射电流反向，从而远场辐射抵消，不能形成有效的天线辐射口径。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于表面等离子体激元的行波天线，通过控制周期排列的齿状结构的结构参数，在奇膜传输线的一端形成等效天线口径，实现等离子体激元的直接辐射，进而获得一种工作于Ka波段的高效率、高增益毫米波天线，具体由以下技术方案实现：

所述基于表面等离子体激元的毫米波天线，包括PCB介质板与两条金属微带，在PCB介质基板的两个表面刻蚀出所述两条金属微带，两条金属微带含有用于调节SMA与天线间阻抗匹配的重叠区域，两条金属微带上分别刻蚀有锯齿形状波纹结构，形成波纹微带条；

根据天线的工作频率、式(1)、式(2)以及色散关系得到锯齿形状波纹深度h、波纹周期p，

式中，a是波纹空隙，β为传播方向的波数，k₀是真空中的波数，c是真空中光速，f是SPPs的频率。

所述基于表面等离子体激元的毫米波天线的进一步设计在于，每个金属微带由中部自两端的锯齿状波纹的深度由h逐渐减小至0，形成等效辐射口径。

所述基于表面等离子体激元的毫米波天线的进一步设计在于，重叠区域的宽度从左向右逐渐减小，在天线右端两金属微带条间形成α角度,α∈(0°，3°)。

所述基于表面等离子体激元的毫米波天线的进一步设计在于，所述色散关系为电磁仿真设计软件得到不同深度条件下的f-β的色散曲线。

所述基于表面等离子体激元的毫米波天线的进一步设计在于，天线的PCB介质板选用Rogers RT5880，厚度为0.254mm，基板上铜箔厚度0.018mm。

所述基于表面等离子体激元的毫米波天线的进一步设计在于，所述重叠区域呈宽度为0.3mm的矩形。

本发明的优点是：

本发明的基于表面等离子体激元的毫米波天线通过控制周期排列的齿状结构的结构参数，在奇膜传输线的一端形成等效天线口径，实现等离子体激元的直接辐射，进而获得一种工作于Ka波段的高效率、高增益毫米波天线。

附图说明

图1是SPPs端射天线原理示意图。

图2是不同齿深h条件下的色散关系示意图。

图3(a)是第一种SPP端射天线结构示意图。

图3(b)天线表面电场分布图。

图4是第一种结构SPP端射天线远场图。

图5是第二种SPP端射天线结构示意图。

图6是第二种结构SPP端射天线远场图。

图7是第二种结构SPP端射天线实物图。

图8是SPP端射天线S参数仿真与实测结果对照示意图。

图9是SPP端射天线增益的仿真与实测结果对照示意图。

图10是SPP端射天线效率的仿真与实测结果对照示意图。

图11是SPP端射天线E面和H面方向图的仿真与实测结果对照示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方案进行详细说明。

实施例1

如图3(a)所示，基于表面等离子体激元的毫米波天线(但不限于毫米波)，包括PCB介质基板103与两条金属微带101和102，在PCB介质基板103上、下两个表面的金属刻蚀出两条金属微带101和103。为便于与标准SMA接头转接，把介质基板上表面的金属刻蚀形成金属微带101，下表面金属102作为射频信号的“地”。介质基板上表面的金属微带的宽度与标准50欧姆SMA阻抗匹配。为方便后续叙述，下文中把天线的焊接SMA接头的这端称作“左端”，而把与“左端”相对天线的另一端称为“右端”。紧接着的图3(a)的俯视图中的区域I是微带向双面平行带线的过渡区，该区域通过逐渐割裂、收缩“地”金属而成。在双面平行带线的两条金属微带上分别刻蚀有锯齿形状波纹结构，形成波纹微带条；

根据天线的工作频率、式(1)、式(2)以及色散关系得到锯齿形状波纹深度h、波纹周期p，

式中，a是波纹空隙，β为传播方向的波数，k₀是真空中的波数，c是真空中光速，f是SPPs的频率。

考虑到SPP传播的是TM模式的电磁波，所以需要要有从准TEM模式到TM模式的转换。每个金属微带由中部自两端的锯齿状波纹的深度由h逐渐减小至0，形成等效辐射口径。如图3(a)的区域II，本发明中将锯齿形状波纹深度h逐渐增大，以形成良好的过渡。微带线的“地”割裂并逐渐分开形成喇叭形状，如图3(a)所示。利用渐开的“地”在波纹状的微带表面形成TM模式电磁场。

本实施例的重叠区域呈宽度为0.3mm的矩形。

色散关系为电磁仿真设计软件得到不同深度条件下的f-β的色散曲线。以工作于Ka波段28GHz毫米波天线为例，得到f-β色散曲线如图2所示。对于上述工作频率的天线，根据图2，选择渐近频率(βp/π＝1对应的频率)为35GHz。

天线的PCB介质板选用Rogers RT5880，厚度为0.254mm，基板上铜箔厚度0.018mm。在基板的正、反分别刻蚀出天线的结构，如图7所示。

在本例中，天线工作中心频率设计在28GHz；相应的锯齿状波纹深度设计为h＝1mm、周期p＝2.5mm、齿间的空隙a＝0.5*p＝1.25mm。

天线表面的近电场分布如图3(b)所示，在天线左端，电场被束缚在波纹微带条上并向右传播；在天线右端的等效辐射口径区域，电场从波纹微带条表面向周围空间扩展，形成向右的端向辐射(即端射)。

天线的远场辐射如图4所示，形成了有效的端射，获得了较高的增益：9.08dB。同时，也观察到远场辐射的栅瓣较大。

实施例2

由图4可知实施例1的基于表面等离子体激元的毫米波天线的远场辐射的栅瓣较大。如果能抑制栅瓣，端射方向的主瓣增益能够进一步提高。因此，为了进一步地提高端射方向的主瓣增益，提出了了第二种结构SPPs端射天线。

如图5，该实施例的基于表面等离子体激元的毫米波天线，包括PCB介质板与两条金属微带，在PCB介质板的两个表面刻蚀出两条金属微带，两条金属微带含有用于调节SMA与天线间阻抗匹配的重叠区域，两条金属微带上分别刻蚀有锯齿形状波纹结构，形成波纹微带条；根据天线的工作频率、式(1)、式(2)以及色散关系得到锯齿形状波纹深度h、波纹周期p，

式中，a是波纹空隙，β为传播方向的波数，k₀是真空中的波数，c是真空中光速，f是SPPs的频率。本实施例的重叠区域的宽度从左向右逐渐减小，在天线右端两金属微带条间形成微小张角α角。在本实施例中，α＝1.5°，但实际上α张角可以根据具体的天线设计作优化调整，通常该α角度很小，一般不大于3°。天线的远场辐射如图6所示，对比第一种结构天线的远场图(见图4)，可以看出栅瓣得到显著的抑制，增益提高了6.32dB。

针对上述两则实施例，利用Agilent矢量网络分析仪E8363C测试的天线S参数如图8所示，仿真结果也一并给出作为参照。结果显示在宽频带范围(27.5-31.5GHz)天线都能与50欧姆的SMA转接头阻抗匹配，显示出天线的宽带特性(该天线测试在微波暗室中进行)。测试和仿真的天线增益、天线效率分别由图9和图10给出。在28GHz到31GHz范围内天线的平均增益达到15dB，效率超过90％。图11(a)-(h)显示的是E面和H面的方向图，包括交共面极化和叉极化的实测结果和仿真结果的对比。该结果显示出在带内天线具有稳定的端射方向图、较低的交叉极化。

上述实施例的基于表面等离子体激元的毫米波天线通过控制周期排列的齿状结构的结构参数，在奇膜传输线的一端形成等效天线口径，实现等离子体激元的直接辐射，进而获得一种工作于Ka波段的高效率、高增益毫米波天线。

本发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，凡在本发明的精神和原则范围之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。