基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线
阅读说明：本技术 基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线 (High-gain low-profile Vivaldi antenna based on artificial surface plasmon polariton ) 是由 许锋 陈方君 于 2021-07-12 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线,包括介质基板,还包括馈电结构、金属辐射贴片和椭圆形金属引向器,馈电结构设于介质基板的下表面,馈电结构包括微带短截线和圆形金属片；金属辐射贴片和椭圆形金属引向器分别设于介质基板的上表面,金属辐射贴片分别设有圆形谐振腔、第一槽线、第二槽线、线性变化开口槽和指数渐变槽；椭圆形金属引向器的端部设于线性变化开口槽处,椭圆形金属引向器采用人工表面等离子激元椭圆形金属引向器,椭圆形金属引向器的两侧分别设有周期性排列的缺口；本发明能使得Vivaldi天线的增益获得显著提高,实现天线高增益高定向性,具有高方向性和高增益的优良辐射特性。(The invention provides a high-gain low-profile Vivaldi antenna based on artificial surface plasmon polariton, which comprises a dielectric substrate, a feed structure, a metal radiation patch and an elliptical metal director, wherein the feed structure is arranged on the lower surface of the dielectric substrate and comprises a micro-strip stub and a circular metal sheet; the metal radiation patch and the elliptical metal director are respectively arranged on the upper surface of the medium substrate, and the metal radiation patch is respectively provided with a circular resonant cavity, a first slot line, a second slot line, a linear change open slot and an index gradual change slot; the end part of the elliptical metal director is arranged at the linear change open slot, the elliptical metal director adopts an artificial surface plasmon polariton elliptical metal director, and two sides of the elliptical metal director are respectively provided with periodically arranged gaps; the invention can obviously improve the gain of the Vivaldi antenna, realizes high gain and high directionality of the antenna, and has excellent radiation characteristics of high directionality and high gain.)
技术领域
本发明涉及一种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，属于天线技术领域。
背景技术
无线通信的研究尤其是对于5G通信、微米波和毫米波通信，对天线性能的要求越来越严格。Vivaldi天线由于其具有结构简单，重量轻，带宽大，在较高的频率下工作频率，并提供稳定的辐射方向图等优点，因此广泛用于超宽带(UWB)、雷达、5G通信设备等许多应用中。
当前的无线设备需要宽带宽、高数据速率和更大的容量。Vivaldi天线作为一种行波端射平面天线，它具有高增益、高效率、低回波损耗等优势。然而常规的Vivaldi天线的方向性很低，并且当在厚电介质基板上蚀刻Vivaldi天线时，高频的主波束会分裂。为解决上面问题，中国专利申请CN202011170766.6公开了一种多倍频程超宽带天线及共形阵列天线，包括介质基板、馈电结构和附着在所述介质基板正反面的金属辐射贴片。但是该申请的天线体积大，天线的增益和定向性仍有待提升，另外还添加了贴片电阻，增加了一定的加工难度。
因此对高增益低剖面Vivaldi天线的研究意义很大。上述问题是在高增益低剖面Vivaldi天线的设计过程中应当予以考虑并解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，在金属辐射贴片的开口槽处，使用人工表面等离子激元椭圆形金属引向器，该引向器可以将能量集中在端射方向上并改善方向性，提高天线的增益，解决现有技术中存在的天线体积大，增益和方向性有待提高的问题。
本发明的技术解决方案是：
一种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，包括介质基板，还包括馈电结构、金属辐射贴片和椭圆形金属引向器，馈电结构设于介质基板的下表面，馈电结构包括微带短截线和圆形金属片，微带短截线的一端连接圆形金属片，微带短截线的另一端延伸至介质基板的侧部；金属辐射贴片和椭圆形金属引向器分别设于介质基板的上表面，金属辐射贴片分别设有圆形谐振腔、第一槽线、第二槽线、线性变化开口槽和指数渐变槽；椭圆形金属引向器的端部设于线性变化开口槽处，椭圆形金属引向器采用人工表面等离子激元椭圆形金属引向器，椭圆形金属引向器的两侧分别设有周期性排列的缺口。
进一步地，椭圆形金属引向器由同宽度不同长度的两种椭圆的各一半连接而成。
进一步地，椭圆形金属引向器包括第一半椭圆部和第二半椭圆部，第一半椭圆部连接第二半椭圆部，第一半椭圆部不设置缺口，第二半椭圆部的两侧分别设有周期性排列的缺口。
进一步地，第二半椭圆部的缺口的深度由中部向两端递减。
进一步地，第二半椭圆部的长度大于第一半椭圆部的长度，且第一半椭圆部的端部设于线性变化开口槽处。
进一步地，圆形谐振腔、第一槽线、第二槽线、线性变化开口槽和指数渐变槽依次连通设置，且第一槽线与第二槽线的宽度不同。
进一步地，第二槽线的宽度大于第一槽线的宽度，线性变化开口槽的宽度由近第二槽线端向远第二槽线端递增。
进一步地，馈电结构形成的特征阻抗为50Ω。
进一步地，微带短截线采用L形。
进一步地，馈电结构对金属辐射贴片进行耦合馈电，金属辐射贴片作为电磁波的辐射器，人工表面等离子激元椭圆形金属引向器聚集电磁波，并向端射方向辐射电磁波。
本发明的有益效果是：该种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，与现有的技术相比，首先，与普通的微带传输线相比，本发明使用微带-槽线馈电结构，能够实现宽带设计；其次，人工表面等离子激元椭圆形金属引向器能够聚集电磁波，实现天线高增益高定向性；与传统的Vivaldi天线相比，在辐射金属贴片的开口末端引入周期化缺口的引向器，为天线高增益提供保证，使得天线的增益获得了显著的提高。该种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，在引入人工表面等离子激元引向器后，定向性提升明显，最大增益得以提高，且低剖面，体积小，无贴片电阻，易加工，具有高方向性和高增益的优良辐射特性。
附图说明
图1是本发明实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的结构示意图；
图2是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的正面结构示意图；
图3是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的背面结构示意图；
图4是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的加工实物的结构示意图；其中(a)是实物正面结构示意图，(b)是实物被面结构示意图；
图5是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的仿真和实测的S参数示意图；
图6是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的仿真和实测的增益图；
图7是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的仿真和实测的E面方向图，其中(a)、(b)、(c)分别是天线在7GHz、9GHz、11GHz频点出的测量与仿真E面方向图；
图8是实施例基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线的的仿真和实测的H面方向图，其中(a)、(b)、(c)分别是天线在7GHz、9GHz、11GHz频点出的测量与仿真H面方向图；
其中：1-介质基板，2-金属辐射贴片，3-圆形谐振腔，4-第一槽线，5-线性变化开口槽，6-指数渐变槽，7-椭圆形金属引向器，8-微带短截线，9-圆形金属贴片，10-第二槽线；
71-第一半椭圆部，72-第二半椭圆部，73-缺口。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例
一种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，如图1、图2和图3，包括介质基板1，还包括馈电结构、金属辐射贴片2和椭圆形金属引向器7，馈电结构设于介质基板1的下表面，馈电结构包括微带短截线8和圆形金属片，微带短截线8的一端连接圆形金属片，微带短截线8的另一端延伸至介质基板1的侧部；金属辐射贴片2和椭圆形金属引向器7分别设于介质基板1的上表面，金属辐射贴片2分别设有圆形谐振腔3、第一槽线4、第二槽线10、线性变化开口槽5和指数渐变槽6；椭圆形金属引向器7的端部设于线性变化开口槽5处，椭圆形金属引向器7采用人工表面等离子激元椭圆形金属引向器7，椭圆形金属引向器7的两侧分别设有周期性排列的缺口73。
该种基于人工表面等离子激元的高增益低剖面Vivaldi天线，与现有的技术相比，首先，与普通的微带传输线相比，本发明使用微带-槽线馈电结构，能够实现宽带设计；其次，人工表面等离子激元椭圆形金属引向器7能够聚集电磁波，实现天线高增益高定向性；与传统的Vivaldi天线相比，在辐射金属贴片的开口末端引入周期化缺口73的引向器，为天线高增益提供保证，使得天线的增益获得了显著的提高，且低剖面，体积小，无贴片电阻，易加工。
实施例中，椭圆形金属引向器7由同宽度不同长度的两种椭圆的各一半连接而成。椭圆形金属引向器7包括第一半椭圆部71和第二半椭圆部72，第一半椭圆部71连接第二半椭圆部72，第一半椭圆部71不设置缺口，第二半椭圆部72的两侧分别设有周期性排列的缺口73，第一半椭圆部71让电磁能量顺利耦合至引向器上。第二半椭圆部72激发出人工表面等离子激元，以达到聚集电磁波来提高天线方向性和增益。
第二半椭圆部72的缺口73的深度由中部向两端递减，使人工表面等离子激元的波数与自由空间的波数相匹配，使电磁波顺利向自由空间中辐射。第二半椭圆部72的长度大于第一半椭圆部71的长度，且第一半椭圆部71的端部设于线性变化开口槽5处。
实施例中，圆形谐振腔3、第一槽线4、第二槽线10、线性变化开口槽5和指数渐变槽6依次连通设置，且第一槽线4与第二槽线10的宽度不同。圆形谐振腔3、第一槽线4、第二槽线10、线性变化开口槽5和指数渐变槽6的设置，能够顺利将微带线上的电磁能量耦合至辐射贴片上，实现更高效的辐射电磁波。而且这样设计会使得阻抗匹配更优，通过第一槽线4、第二槽线10宽度的不同，实现阻抗匹配。第二槽线10的宽度大于第一槽线4的宽度，线性变化开口槽5的宽度由近第二槽线端向远第二槽线端递增。
实施例中，馈电结构对金属辐射贴片2进行耦合馈电，金属辐射贴片2作为电磁波的辐射器，人工表面等离子激元椭圆形金属引向器7聚集电磁波，并向端射方向辐射电磁波。增加天线增益，提高天线定向性。
图2中，在金属辐射贴片2的开口末端设有具有周期性缺口73的人工表面等离子激元椭圆形金属引向器7。金属辐射贴片2开口的宽度依据设计需求的波长所确定。含有周期性缺口73的椭圆形金属引向器7位于介质基板1的上表面的金属辐射贴片2的开口末端，缺口73是按照固定周期值存在的，形成人工表面等离子激元，电磁波在其上传播的速度小于真空。含有缺口73的人工表面等离子激元的截止频率大于设计的最高频率即天线最大工作频率。
图3中，微带短截线8与圆形金属贴片9连接构成馈电结构，对金属辐射贴片2进行耦合馈电，使天线能够工作。可实现50Ω阻抗匹配，可与外部测量仪器相连接。微带短截线8采用L形，来降低反射系数。圆形金属贴片9与圆形谐振腔3需满足微带-槽线馈电结构设置原理，即圆形谐振腔3的直径应近似于槽线内电磁波的波长的四分之一，圆形金属贴片9的直径也应近似于微带线上电磁波的波长的四分之一。
实施例中的关键参数为：使用的介质基板1为Rogers4003C(相对介电常数3.55，损耗角正切0.002)，厚度0.508mm，大小为40.6mm*119.4mm。其余参数标记于图1和图3上，数值为：Rs＝5mm，ls1＝7mm，ls2＝4mm，s1＝0.2mm，s2＝0.6mm，ld＝12mm，wd＝4.2mm，L2＝14.4mm，W2＝7.2mm，L3＝58.3mm，h1＝0.5mm，h2＝1mm，h3＝1.5mm，h4＝2mm，h5＝2.5mm，h6＝3mm，Rm＝4.4mm，wm＝1.2mm，ws＝0.6mm。
实施例的仿真和测量结果，如图5到图8所示：
图5是仿真和实测的S参数结果。S参数仿真小于-10dB的带宽为5GHz-12GHz(82.3％)，S参数测量结果小于-10dB的带宽为5GHz-12GHz(82.3％)。两者带宽基本一致，表明天线阻抗匹配良好。
图6是仿真和实测的增益图，在5GHz-12GHz频率范围内，天线的实测增益大于5.2dBi，最大增益值为13.4dBi；天线的仿真增益变化范围为6dBi-13.6dBi。仿真和实测的增益误差主要是由于加工和测量造成的。
图7中，(a)、(b)、(c)分别是天线在7GHz、9GHz、11GHz频点出的测量与仿真E面方向图。图8中，(a)、(b)、(c)分别是天线在7GHz、9GHz、11GHz频点出的测量与仿真H面方向图。这些频点处的方向图中，曲线光滑，主瓣明显，定向辐射性能良好。验证了本发明设计的天线具有高方向性和高增益的优良辐射特性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在该技术方案上所做的任何改进和润饰，均在本发明的保护范围之内。
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