一种基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线

技术领域

本发明属于无线通信天线技术领域，具体为一种基于人工表面等离激元的垂直极化的宽带平面端射天线。

背景技术

端射天线指的是天线波束最大辐射方向平行于结构轴线(或平面)的天线。平面端射天线由于具有高增益，低剖面，易与其它平面电路集成等特性，已被广泛应用于雷达和通讯系统中。垂直极化的平面端射天线是指其辐射波的电场垂直于天线所在平面。因为当沿着地平面传播时，垂直极化的电磁波的衰减会比平行极化的小，所以在许多应用场景下，垂直极化的天线更受青睐。随着无线通信技术的发展，人们对宽带天线的需求也在不断增加。宽频带可以提供更高的传输速率，提高现有频谱的利用率。虽然目前已有一系列不同类型的端射天线，但是通过现有的技术，仍然很难设计一个同时具有宽带和垂直极化特性的平面端射天线。传统的Vivaldi天线虽然是一种典型宽带的平面端射天线，但它不是垂直极化的。八木-宇田天线是一个典型的垂直极化的端射天线。但是由于其使用了垂直放置的电偶极子，它的剖面高度较高。虽然可以通过印制电路板技术，使用磁偶极子代替电偶极子，从而制作具有垂直极化特性的平面端射天线。但是其驱动单元的谐振特性限制了其工作带宽。对数周期天线虽然具有宽工作带宽的特性，但是其辐射单元都是垂直的电偶极子，所以也不适合用于设计平面端射天线。传统的喇叭天线可用于设计垂直极化的端射天线，然而它的结构是三维的。虽然通过使用基片集成波导代替传统的矩形波导可以设计制作具有垂直极化的平面端射天线，但是其带宽较窄。总之，依靠现有的天线结构设计一个宽带的垂直极化的平面端射天线是较为困难的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人工表面等离激元的垂直极化的宽带平面端射天线。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线，包括：

置于介质基板顶层的馈电结构，分别置于介质基板顶层和底层的具有周期性枝节的第一人工表面等离激元传输线和第二人工表面等离激元传输线，第一人工表面等离激元传输线和第二人工表面等离激元传输线结构相同且关于介质基板对称设置；所述第一人工表面等离激元传输线和第二人工表面等离激元传输线的表面分别被第一盖板、第二盖板覆盖，所述馈电结构与第一人工表面等离激元传输线和第二人工表面等离激元传输线连接。

优选地，所述接地共面波导转双面平行带线的馈电结构包括置于介质基板顶层的第一传输线、第一金属地第二金属地和置于介质板底层的第三金属地；

所述第一金属地与第二金属地置于第一传输线的两侧且关于第一传输线对称；

第三金属地与第一金属地与第二金属地相对设置，围绕第一金属地与第二金属地设置有金属化过孔，第一金属地、第二金属地通过金属化过孔与第三金属地连接。

优选地，所述第一传输线分为两段，靠近输入端口的一段宽度保持恒定，另一段的宽度从与第一段连接的一端向第一人工表面等离激元传输线和第二人工表面等离激元传输线递减。

优选地，另一段的宽度从1.5mm递减到1mm。

优选地，第三金属地与第二人工表面等离激元传输线连接的一端设有一段椭圆弧形的渐变结构。

优选地，所述椭圆弧形的渐变结构的长半轴长7mm，短半轴长4.5mm。

优选地，所述第一人工表面等离激元传输线包括第二传输线、第三传输线，第二传输线、第三传输线宽度不同，40对倾斜的周期性枝节等间距设置在第二传输线、第三传输线的两侧。

优选地，每个周期性枝节由两段宽度不同的传输线构成，所有枝节较窄的传输线宽度相等，所有枝节较宽的传输线宽度相等。

优选地，周期性枝节的两条传输线的长度都从靠近馈电结构的一端往远离馈电结构的一端逐渐递减，递减的步长为0.06mm。

优选地，所述盖板和盖板结构完全一样，每个盖板包括8组周期性过孔，相邻过孔的间距为2mm；每组过孔包括7行3列相同尺寸的过孔，每组过孔的半径以0.1mm为步长，从0.1mm增加到0.8mm。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、通过使用具有倾斜的周期性枝节的双面人工表面等离激元传输线，在平面结构上实现了具有垂直极化的端射辐射。

2、具有较宽的带宽和较高的增益。

3、结构简单，易于加工，易与其它平面电路集成。

下面结合附图和具体实施方案对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1是本发明基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线的侧面示意图。

图2是本发明基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线的介质基板(1)的顶层示意图。

图3是本发明基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线的介质基板(1)的底层示意图。

图4是本发明基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线的盖板(2、3)的顶层示意图。

图5是图2中的接地共面波导转双面平行带线的馈电结构尺寸示意图。

图6是图3中的接地共面波导转双面平行带线的馈电结构尺寸示意图。

图7是图2中的人工表面等离激元传输线尺寸示意图。

图8是实施例宽带垂直极化平面端射天线的反射参数S

图9是实施例宽带垂直极化平面端射天线的增益曲线。

图10是实施例宽带垂直极化平面端射天线在13GHz的E面、H面方向图。

图11是实施例宽带垂直极化平面端射天线在20GHz的E面、H面方向图。

图12是实施例宽带垂直极化平面端射天线在27GHz的E面、H面方向图。

图13是实施例宽带垂直极化平面端射天线在34GHz的E面、H面方向图。

具体实施方式

如图1～4所示，一种基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线，置于介质基板1顶层的馈电结构4，分别置于介质基板1顶层和底层的具有周期性枝节的第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6，第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6结构相同且关于介质基板1对称设置；所述第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6的表面分别被第一盖板2、第二盖板3覆盖，所述馈电结构4与第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6连接。

本发明中信号从馈电结构4左侧输入，通过馈电结构后被转化为一对差分信号输入到第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6(如果输入信号是一根同轴线的话，最里面的铜芯与第一传输线41相连，而包裹铜芯的地则与金属地42、43、45相连，信号沿第一传输线41和第一金属地42、第二金属地43、第三金属地45传输，馈电结构4的作用就是将同轴线中的信号转换为一对差分信号分别输出给第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6，并在第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6上激励起高阶模式的表面波，然后通过第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6辐射出去；周期性枝节的长度从靠近馈电结构的一端往远离馈电结构的一端逐渐递减；双面人工表面等离激元传输线可以在盖板2、3上激励起表面波，以增强天线的沿端射方向的辐射。

如图2～3所示，进一步的实施例中，所述接地共面波导转双面平行带线的馈电结构4包括置于介质基板顶层的第一传输线41、第一金属地42、第二金属地43和置于介质板底层的第三金属地45；

所述第一金属地42与第二金属地43置于第一传输线41的两侧且关于第一传输线41对称；

第三金属地45与第一金属地42与第二金属地43相对设置，围绕第一金属地42与第二金属地43设置有金属化过孔，第一金属地42、第二金属地43通过金属化过孔与第三金属地45连接。

进一步的实施例中，所述第一传输线41分为两段，靠近输入端口的一段宽度保持恒定，另一段的宽度从与第一段连接的一端向第一人工表面等离激元传输线5和第二人工表面等离激元传输线6递减。具体地，另一段的宽度从1.5mm递减到1mm。

进一步的实施例中，第三金属地45与第二人工表面等离激元传输线6连接的一端设有一段椭圆弧形的渐变结构451。具体地，所述椭圆弧形的渐变结构451的长半轴长7mm，短半轴长4.5mm。

如图2～3所示，第一人工表面等离激元传输线5包括置于介质基板1顶层的第二传输线51、第三传输线52和40对倾斜的周期性枝节；

每个周期性枝节都是由一段较窄的传输线和一段较宽的传输线构成；周期性枝节的两条传输线的长度都从靠近馈电结构的一端往远离馈电结构的一端，以0.06mm为步长，从3mm逐渐递减；

人工表面等离激元传输线5和6关于介质基板1的中间平面对称；

人工表面等离激元传输线5和6一起构成了双面人工表面等离激元传输线，由馈电结构输入的信号会在该传输线上激励起高阶模式的表面波；由于周期性枝节是倾斜的且其长度逐渐递减，当高阶模式的表面波沿着双面人工表面等离激元传输线传播时，会产生沿端射方向的垂直极化的辐射。

如图4所示，进一步的实施例中，第一盖板2、第二盖板3结构相同，均包括8组周期性过孔，相邻过孔的间距为2mm；

每组过孔包括7行3列相同尺寸的过孔，每组过孔的半径以0.1mm为步长，从0.1mm增加到0.8mm；

盖板2、3可以增强天线的沿端射方向的辐射，蚀刻8组周期性过孔是为了改善盖板与空气间的阻抗匹配。

优选地，所述介质基板1为Rogers RT6002，其介电常数为2.94；盖板2、3为RogersRT5880，其介电常数为2.2。

实施例：

一种基于人工表面等离激元的宽带垂直极化平面端射天线，仿真的最高增益达到17.08dBi，-10dB阻抗带宽为13.3GHz至34.3GHz。

如图4所示，盖板2、3的顶层示意图。从左至右，每3列过孔构成一组，共8组过孔；每组过孔包括7行3列相同尺寸的过孔，每组过孔的半径以0.1mm为步长，从0.1mm增加到0.8mm；相邻过孔间圆心的间距为2mm；靠近盖板边缘的过孔，其圆心与盖板边缘的距离为1mm。

如图5所示，图2中的接地共面波导转双面平行带线的馈电结构尺寸示意图。信号从左侧50ohm的接地共面波导馈入，位于中间的传输线分为左右两段：左侧长为L

如图6所示，图3中的接地共面波导转双面平行带线的馈电结构尺寸示意图。金属地分为左右两段：左侧是一段长为L

如图7所示，图2中的人工表面等离激元传输线尺寸示意图。人工表面等离激元传输线由2条传输线和40对倾斜的周期性枝节构成。左侧的传输线长为L

介质基板1的尺寸为112.4mm*14mm*1.27mm，盖板2、3的尺寸为87mm*14mm*1mm。

图8是利用CST仿真软件，得到的本发明实施例宽带垂直极化平面端射天线的反射系数S

图9是利用CST仿真软件，得到的本发明实施例宽带垂直极化平面端射天线的增益曲线。由图可知，天线的最高增益达到17.08dBi。

图10至图13是利用CST仿真软件，得到的本发明实施例宽带垂直极化平面端射天线分别在13GHz、20GHz、27GHz、34GHz的2D辐射方向图(左侧为E面方向图，右侧为H面方向图)。