[發明專利]一種基于表面等離子體激元的毫米波天線

有效

• 申請號: 201810242556.X
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN108493597B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發明（設計）人: 張雪鋒;陳建新;范靖;楊汶汶;秦偉;陸清源
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: H01Q1/38
• 分類號: H01Q1/38
• 代理公司: 南京匯盛專利商標事務所(普通合伙) 32238
• 代理人: 吳靜安;吳揚帆

本發明公開了一種基于表面等離子體激元的毫米波天線包括PCB介質板與兩條金屬微帶，在PCB介質板的兩個表面刻蝕出所述兩條金屬微帶，兩條金屬微帶含有用于調節SMA與天線間阻抗匹配的重疊區域，兩條金屬微帶上分別刻蝕有鋸齒形狀波紋結構，形成波紋微帶條；根據天線的工作頻率、參數關系式以及色散關系得到鋸齒形狀波紋深度h、波紋周期p。有益效果為：通過控制周期排列的齒狀結構的結構參數，在奇膜傳輸線的一端形成等效天線口徑，實現等離子體激元的直接輻射，進而獲得一種工作于Ka波段的高效率、高增益毫米波天線。

技術領域

本發明屬于電磁波領域，具體涉及一種基于表面等離子體激元的毫米波天線。

背景技術

表面等離子體激元(后面簡稱SPPs)是一種能在波紋金屬表面傳播的表面電磁波模式。它利用在介質基底上形成的周期排列的齒狀結構的金屬薄膜陣列，在垂直傳播方向上把電磁波緊緊束縛金屬/介質界面上，并且使電磁波沿著圖形化的金屬結構陣列傳輸形成所謂的表面電磁波(即人工表面等離子體激元)。通過調節齒狀周期結構的周期長度、齒深和齒寬，可以控制表面電磁波的漸進頻率和波數的大小。便于實現傳統微帶線、共面波導等無法實現的功能和特性。基于等離子體激元的傳輸線比傳統傳輸線在毫米波和太赫茲頻段具有更低的損耗。在毫米波和THz波段具有廣闊的應用前景。近來，人們提出了基于表面等離子體激元的多種功能的射頻和微波電路，如濾波器，功分器，耦合器和天線。但是，目前基于表面等離子體激元的天線大多數是利用偶極輻射來實現的天線的發射功能的。由于偶極輻射效率比較低，限制了這些天線的效率和增益的進一步提高。

圖1(a)是半無限大的單側波紋表面等離子體激元傳輸線(后面簡稱SPPs傳輸線)。TM模式的電磁波被束縛在傳輸線并向前傳播。在傳輸線的一端(右端)逐漸減小波紋深度h，傳輸線對電磁場的束縛就逐漸變弱，引起垂直于傳播方向的電磁場的分量(E_z,H_y)擴展；同時沿傳播方向的電場分量E_x逐漸減小，TM模式的電磁波轉換成TEM模式的電磁波，形成輻射電磁波，也就是傳輸線一端形成了等效的天線輻射口徑。但是在實際的波紋表面等離子體激元傳輸線中電磁場總是關于xoz平面呈現鏡像對稱分布。如圖1(b)所示，上半空間的電磁場與下半空間的電磁場方向相反、大小相等，等效輻射電流反向，從而遠場輻射抵消，不能形成有效的天線輻射口徑。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于表面等離子體激元的行波天線，通過控制周期排列的齒狀結構的結構參數，在奇膜傳輸線的一端形成等效天線口徑，實現等離子體激元的直接輻射，進而獲得一種工作于Ka波段的高效率、高增益毫米波天線，具體由以下技術方案實現：

所述基于表面等離子體激元的毫米波天線，包括PCB介質板與兩條金屬微帶，在PCB介質基板的兩個表面刻蝕出所述兩條金屬微帶，兩條金屬微帶含有用于調節SMA與天線間阻抗匹配的重疊區域，兩條金屬微帶上分別刻蝕有鋸齒形狀波紋結構，形成波紋微帶條；

根據天線的工作頻率、式(1)、式(2)以及色散關系得到鋸齒形狀波紋深度h、波紋周期p，

式中，a是波紋空隙，β為傳播方向的波數，k₀是真空中的波數，c是真空中光速，f是SPPs的頻率。

所述基于表面等離子體激元的毫米波天線的進一步設計在于，每個金屬微帶由中部自兩端的鋸齒狀波紋的深度由h逐漸減小至0，形成等效輻射口徑。

所述基于表面等離子體激元的毫米波天線的進一步設計在于，重疊區域的寬度從左向右逐漸減小，在天線右端兩金屬微帶條間形成α角度,α∈(0°，3°)。

所述基于表面等離子體激元的毫米波天線的進一步設計在于，所述色散關系為電磁仿真設計軟件得到不同深度條件下的f-β的色散曲線。