一種端射式的人工表面等離激元天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于新型人工電磁媒質(zhì)W及無線通信系統(tǒng)電子器件領(lǐng)域，具體設(shè)及一種端 射式的人工表面等離激元天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 近幾年來，人工表面等離激元在科研和工程領(lǐng)域引起了人們極大的興趣，人工表 面等離激元波導(dǎo)被認(rèn)為是微波段到太赫茲段很具前景的一種新型傳輸線。典型的人工表面 等離激元波導(dǎo)利用金屬表面層上的一維或者二維的亞波長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)人工表面等離激 元的傳播。其中，很多有價(jià)值的工作都是利用亞波長(zhǎng)的權(quán)皺結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。要實(shí)現(xiàn)人工表面等 離激元波導(dǎo)的廣泛應(yīng)用，就需要將其與傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)合起來。隨著傳統(tǒng)波導(dǎo)到人工表面等離 激元波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)逐漸簡(jiǎn)化，基于人工表面等離激元的功能器件也逐漸引起了大家的興 趣。
[0003] 任何通信系統(tǒng)中必不可少的部分就是天線，人工表面等離激元通信系統(tǒng)也不例 夕K雖然現(xiàn)在已經(jīng)有一些基于人工表面等離激元的天線結(jié)構(gòu)，但是它們都比較復(fù)雜，天線體 積也比較大。印刷偶極子作為最基礎(chǔ)、應(yīng)用最普遍的天線，在射頻電路設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用中都 是非常方便的。然而在微波和太赫茲波段，偶極子的增益往往不是很高。幸運(yùn)的是，具有特 殊性質(zhì)的超材料可W解決偶極子在微波及太赫茲頻段的增益不高的問題。因此若能將=者 結(jié)合，人工表面等離激元和印刷偶極子都將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的：為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種端射式的人工表面等離激元 天線。該結(jié)構(gòu)利用傳統(tǒng)的微帶傳輸線進(jìn)行饋電，利用對(duì)遲放置在介質(zhì)上下兩層的寬度漸變 的金屬帶線結(jié)構(gòu)和槽深漸變的單邊權(quán)皺帶線實(shí)現(xiàn)了從微帶傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的 高效轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用表面等離激元波導(dǎo)對(duì)印刷偶極子進(jìn)行饋電;再利用I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列 對(duì)印刷偶極子的福射特性做進(jìn)一步的提高。
[0005] 技術(shù)方案:本發(fā)明提出的技術(shù)方案為:一種端射式的人工表面等離激元天線，包括 介質(zhì)基板、微帶線1、表面等離激元波導(dǎo)3、微帶線1到表面等離激元波導(dǎo)3的過渡傳輸線2、印 刷偶極子4和I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列5;
[0006] 微帶線1包括分別設(shè)置在介質(zhì)板上下兩側(cè)的金屬線和金屬地;微帶線1通過過渡傳 輸線2與表面等離激元波導(dǎo)3相連;表面等離激元波導(dǎo)3包括分別設(shè)置在介質(zhì)板上下兩側(cè)、對(duì) 遲放置的帶狀線，帶狀線的寬度與微帶線1中的金屬線的寬度相等，帶狀線上設(shè)有周期性排 列的、深度相等的凹槽；印刷偶極子4的兩臂分別與表面等離激元波導(dǎo)3上下兩側(cè)的帶狀線 相連;微帶線1通過過渡傳輸線2為表面等離激元波導(dǎo)3饋電，過渡傳輸線2實(shí)現(xiàn)微帶線1和表 面等離激元波導(dǎo)3之間的波數(shù)匹配和阻抗匹配；電磁波信號(hào)經(jīng)表面等離激元波導(dǎo)3傳輸至印 刷偶極子4并由印刷偶極子4福射出去；I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列5設(shè)置在印刷偶極子4輸出端并 與印刷偶極子4之間隔開距離Mmm;I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列5用于增加端射式的人工表面等離激 元天線的增益。
[0007] 進(jìn)一步的，所述過渡傳輸線2包括相連的第一過渡傳輸線2a和第二過渡傳輸線化； 第一過渡傳輸線2a包括微帶線1上層金屬線的等寬延伸部分和下層金屬地的寬度漸變延伸 部分，寬度漸變延伸部分的寬度沿延伸方向由大到小漸變直至與微帶線1上層金屬線的寬 度相等;第二過渡傳輸線化包括分別設(shè)置在介質(zhì)板上下兩側(cè)的、與微帶線1上層金屬線寬度 相等的單邊權(quán)皺帶狀線，單邊權(quán)皺帶狀線上沿長(zhǎng)度方向設(shè)有周期性排列的凹槽，單邊權(quán)皺 帶狀線上的凹槽深度沿長(zhǎng)度方向逐漸加深直至與表面等離激元波導(dǎo)3上的凹槽深度相等。
[0008] 進(jìn)一步的，所述I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列5包括8個(gè)由超材料制成的I形結(jié)構(gòu)諧振器，I形 結(jié)構(gòu)諧振器由一根縱向金屬線和連接在縱向金屬線兩端的橫向金屬線組成，縱向金屬線長(zhǎng) 度為5.5mm，橫向金屬線長(zhǎng)度為5mm，縱向金屬線和橫向金屬線的寬度均為0.6mm相鄰兩個(gè)I 形結(jié)構(gòu)諧振器的間隔為0.7mm。
[0009] 進(jìn)一步的，所述表面等離激元波導(dǎo)3上的凹槽為矩形凹槽，矩形凹槽寬度為2mm，深 度為4mm，凹槽間距為5mm。
[0010] 進(jìn)一步的，所述印刷偶極子4的兩臂臂長(zhǎng)均化1mm。
[0011] 有益效果:本發(fā)明利用傳統(tǒng)的微帶傳輸線進(jìn)行饋電，利用對(duì)遲放置在介質(zhì)上下兩 層的寬度漸變的金屬帶線結(jié)構(gòu)和槽深漸變的單邊權(quán)皺帶線實(shí)現(xiàn)了從微帶傳輸線到表面等 離激元波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用表面等離激元波導(dǎo)對(duì)印刷偶極子進(jìn)行饋電;再利用I形結(jié) 構(gòu)諧振器陣列對(duì)印刷偶極子的福射特性做進(jìn)一步的提高。相比于已有的基于人工表面等離 激元的天線，本發(fā)明具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，體積小，增益高、福射效率高等優(yōu)點(diǎn)，在未來 微波和太赫茲波段的等離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。
【附圖說明】
[0012] 圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2為本發(fā)明上下兩層結(jié)構(gòu)拆分圖；
[0014] 圖3為I形結(jié)構(gòu)諧振器的關(guān)于散射參數(shù)(傳輸系數(shù)和反射系數(shù))和頻率的關(guān)系圖；
[0015] 圖4為I形結(jié)構(gòu)諧振器根據(jù)散射參數(shù)反演的等效折射率關(guān)于頻率的關(guān)系圖；
[0016] 圖5為僅由印刷偶極子福射的增益和增加了 I型結(jié)構(gòu)諧振器陣列后的福射增益對(duì) 比圖；
[0017] 圖6為所述端射式的人工表面等離激元天線的反射系數(shù)與頻率關(guān)系的仿真和測(cè)試 圖；
[0018] 圖7為所述端射式的人工表面等離激元天線的實(shí)測(cè)歸一化遠(yuǎn)場(chǎng)福射方向圖；
[0019] 圖8為所述端射式的人工表面等離激元天線的增益曲線。
[0020] 圖中：1、微帶線，2、過渡傳輸線，3、表面等離激元波導(dǎo)4、印刷偶極子，5、1形結(jié)構(gòu)諧 振器陣列。
【具體實(shí)施方式】
[0021] 為使本發(fā)明實(shí)施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例 中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述。
[0022] 本發(fā)明提出了一種端射式的人工表面等離激元天線，其目的在于實(shí)現(xiàn)在端射方向 的電磁波福射。
[0023] 所述端射式的人工表面等離激元天線利用傳統(tǒng)的微帶傳輸線進(jìn)行饋電，利用對(duì)遲 放置在介質(zhì)上下兩層的寬度漸變的金屬帶線結(jié)構(gòu)和槽深漸變的單邊權(quán)皺帶線實(shí)現(xiàn)了從微 帶傳輸線到表面等離激元波導(dǎo)的高效轉(zhuǎn)換，同時(shí)利用表面等離激元波導(dǎo)對(duì)印刷偶極子進(jìn)行 饋電;再利用I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列對(duì)印刷偶極子的福射特性做進(jìn)一步的提高。相比于已有的 基于人工表面等離激元的天線，本發(fā)明具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于加工，體積小，增益高、福射效率 高等優(yōu)點(diǎn)，在未來微波和太赫茲波段的等離激元集成電路和通信系統(tǒng)中有著重要的前景。
[0024] 如圖1和圖2所示為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖，包括介質(zhì)基板、微帶線1、表面等離激元 波導(dǎo)3、微帶線1到表面等離激元波導(dǎo)3的過渡傳輸線2、印刷偶極子4和I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列 5；
[0025] 微帶線1包括分別設(shè)置在介質(zhì)板上下兩側(cè)的金屬線和金屬地;微帶線1通過過渡傳 輸線2與表面等離激元波導(dǎo)3相連;表面等離激元波導(dǎo)3包括分別設(shè)置在介質(zhì)板上下兩側(cè)、對(duì) 遲放置的帶狀線，帶狀線的寬度與微帶線1中的金屬線的寬度相等，帶狀線上設(shè)有周期性排 列的、深度相等的凹槽；印刷偶極子4的兩臂分別與表面等離激元波導(dǎo)3上下兩側(cè)的帶狀線 相連;微帶線1通過過渡傳輸線2為表面等離激元波導(dǎo)3饋電，過渡傳輸線2實(shí)現(xiàn)微帶線1和表 面等離激元波導(dǎo)3之間的波數(shù)匹配和阻抗匹配；電磁波信號(hào)經(jīng)表面等離激元波導(dǎo)3傳輸至印 刷偶極子4并由印刷偶極子4福射出去；I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列5設(shè)置在印刷偶極子4輸出端并 與印刷偶極子4之間隔開距離Mmm;I形結(jié)構(gòu)諧振器陣列5用于增加端射式的人工表面等離激 元天線的增益。
[0026] 作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述過渡傳輸線2包括相連的第一過渡傳輸線2a和 第二過渡傳輸線2b;第一過渡傳輸線2a包括微帶線1上層金屬線的等寬延伸部分和下層金 屬地的寬度漸變延伸部分，寬度漸變延伸部分的寬度沿延伸方