一种基于表面等离激元的小型化微波天线

摘要

本发明公开一种基于表面等离激元的小型化微波天线，该天线第一金属层为菱形的金属贴片，在该菱形的金属贴片的中心设有一个大圆形孔，在该大圆形孔的圆周上均匀设有径向分布的矩形槽；在其中两个相邻矩形槽之间的金属枝节上设有两个馈电金属通孔，该馈电金属通孔穿过第一介质层第二金属层、第二介质层将第一金属层与第三金属层联通；位于第一介质层和第二介质层之间的第二层金属层，在所述馈电金属通孔穿过的周围设有圆环形槽，使得第二金属层与馈电金属通孔之间绝缘；第三金属层为馈电结构，该馈电结构的内端与两个馈电金属通孔连接，外端与介质外边缘相垂直的馈电微带线连接。本发明实现圆极化天线的小型化设计，在实际中具有很好的应用前景。

权利要求

1.一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于，该天线包含两层介质层和三层金属层，从上到下顺序设置为第一金属层（1）、第一介质层（2）、第二金属层（3）、第二介质层（4）、第三金属层（5）；其中，第一金属层（1）为菱形的金属贴片，在该菱形的金属贴片的中心设有一个大圆形孔（1‑1），在该大圆形孔（1‑1）的圆周上均匀设有径向分布的矩形槽（1‑2）；在其中两个相邻矩形槽（1‑2）之间的金属枝节上设有两个馈电金属通孔（1‑3），该馈电金属通孔（1‑3）穿过第一介质层（2）、第二金属层（3）、第二介质层（4）将第一金属层（1）与第三金属层（5）联通；位于第一介质层（2）和第二介质层（4）之间的第二金属层（3），在所述馈电金属通孔（1‑3）穿过的周围设有圆环形槽，使得第二金属层（3）与馈电金属通孔（1‑3）之间绝缘；第三金属层（5）为馈电结构，该馈电结构的内端与两个馈电金属通孔（1‑3）连接，外端与介质外边缘相垂直的馈电微带线连接；

所述菱形的金属贴片同一平面内，两个圆形的馈电金属通孔（1‑3）的圆心与菱形对角线交点的连线成90度角。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述的矩形槽（1‑2）的中心交点与菱形贴片对角线交点相重合。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述矩形槽（1‑2）中，相邻的两矩形槽之间的夹角一致。

4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述菱形的金属贴片，通过改变菱形对角线长度的比值来调控一对正交的模式之间的耦合，从而实现天线工作频带内好的阻抗匹配。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述矩形槽（1‑2）由一个槽围绕中心点成一定角度旋转复制得到，使得天线的一对本应该谐振频率一致的正交模式产生耦合，从而分裂成两个不同频率的模式。

6.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述的第二金属层（3），在馈电金属通孔（1‑3）形成的两个金属柱周围分别设有圆环形槽，该圆环形槽的外圈与内圈圆共圆心；圆环形槽的内圈在馈电金属通孔（1‑3）的柱面上，外圈为第二金属层（3）。

7.根据权利要求1所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述的第三金属层（5），该金属层是一端口50欧姆微带输入，两端口等幅、互成90度相位差输出的巴伦电路。

8.根据权利要求7所述的一种基于表面等离激元的小型化微波天线，其特征在于：所述的巴伦电路的两个输出枝节的末端，分别与两个馈电金属通孔（1‑3）相连接，从而向第一金属层（1）馈电。

说明书

一种基于表面等离激元的小型化微波天线

技术领域

[0001] 本发明涉及基于新型人工电磁材料的微波技术领域，尤其涉及一种小型化圆极化天线的设计方法。

背景技术

[0002] 圆极化天线能够接收线极化波和旋向相同的圆极化波，同时对旋向相反的圆极化波具有好的隔离作用，从而降低多径干扰，保证通信质量。这样的特性使得圆极化天线在实
际应用中相对灵活、适应性广。圆极化天线能被应用在多种通讯系统中，如在气象卫星、导
航卫星等通信系统。圆极化天线还可以应用在广播电视领域中从而可以实现降低邻频干
扰。

[0003] 表面等离激元(SPPs)是一种在两种具有相反介电常数的媒质交界面激励出的特殊电磁模式，它可以沿交界面传播，并在其余方向呈指数形式衰减。表面等离激元本身具有
一定的慢波特性，我们将表面等离激元应用在设计圆极化天线上从而实现天线的小型化。
同时，由于矩形槽的引入，圆极化天线本身正交的模式之间存在一定的耦合，我们通过调控
两个模式之间的耦合来优化带内阻抗。

发明内容

[0004] 技术问题：本发明目的在于提供一种基于表面等离激元的小型化微波天线，与传统的在高介电常数的介质板上设置矩形贴片的方法实现小型化天线设计相比，具有更高的
辐射效率、更宽的工作带宽，更容易满足设计要求。

[0005] 技术方案：本发明的一种基于表面等离激元的小型化微波天线包含两层介质层和三层金属层，从上到下顺序设置为第一金属层、第一介质层第二金属层、第二介质层第三金
属层；其中，第一金属层为菱形的金属贴片，在该菱形的金属贴片的中心设有一个大圆形
孔，在该大圆形孔的圆周上均匀设有径向分布的矩形槽；在其中两个相邻矩形槽之间的金
属枝节上设有两个馈电金属通孔，该馈电金属通孔穿过第一介质层第二金属层、第二介质
层将第一金属层与第三金属层联通；位于第一介质层和第二介质层之间的第二层金属层，
在所述馈电金属通孔穿过的周围设有圆环形槽，使得第二金属层与馈电金属通孔之间绝
缘；第三金属层为馈电结构，该馈电结构的内端与两个馈电金属通孔连接，外端与介质外边
缘相垂直的馈电微带线连接。

[0006] 其中：

[0007] 所述的矩形槽的的中心交点与菱形贴片对角线交点相重合。

[0008] 所述矩形槽的中，相邻的两矩形槽之间的夹角一致。

[0009] 所述第一金属层的金属贴片采用菱形，通过改变菱形对角线长度的比值来调控一对正交的模式之间的耦合，从而实现天线工作频带内好的阻抗匹配。

[0010] 所述矩形槽由一个槽围绕中心点成一定角度旋转复制得到，使得天线的一对本应该谐振频率一致的正交模式产生耦合，从而分裂成两个不同频率的模式。

[0011] 所述菱形的金属贴片同一平面内，两个圆形的馈电金属通孔的圆心与菱形对角线交点的连线成90度角。

[0012] 所述的第二金属层，在馈电金属通孔的两个金属柱周围分别设有圆环形槽，该圆环形槽的外圈与内圈圆共圆心；圆环形槽的内圈在馈电金属通孔的柱面上，外圈为第二金
属层。

[0013] 所述的第三金属层，该金属层是一端口50欧姆微带输入，两端口等幅、互成90度相位差输出的巴伦电路。

[0014] 所述的巴伦电路的两个输出枝节的末端，分别与两个馈电金属通孔相连接，从而向第一金属层馈电。

[0015] 有益效果：

[0016] 1、利用表面等离激元来实现天线的小型化设计。在传统的微波板材上加工，采用两层介质、背部馈电的方式实现，在微波电路中是一种很常用的设计手段，具有成熟的加工
工艺，性能稳定。

[0017] 2、本设计案例是采用罗杰斯4003C的高频微波板材，介电常数为3.55，所提出的设计方案跟现有的设计方案相兼容，实现了一种用低介电常数的电路板来实现小型化圆极化
天线的设计方案。同样，用更高介电常数的介质板使用该设计方案同样可以进一步地实现
小型化设计。

[0018] 3、本发明跟传统的在高介电常数的介质板上设置矩形贴片的方法实现小型化天线设计相比，具有更高的辐射效率、更宽的工作带宽，更容易满足设计要求。

[0019] 4、本发明可通过调节菱形的长轴短轴比值来调整天线工作频带内的阻抗匹配，易于调整，可适应多种应用环境；而且，设计简单、加工简单、稳定性高。

附图说明

[0020] 构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

[0021] 图1是基于人工表面等离激元的圆极化天线外形的结构示意图,其中有：第一金属层1，第一介质层2，第二金属层3，第二介质层4，第三金属层5，大圆形孔1‑1，矩形槽1‑2，馈
电金属通孔1‑3。

[0022] 图2是基于人工表面等离激元的圆极化天线各层的结构示意图,图2(a)第一层金属层结构示意图，图2(b)是第二层金属层结构示意图，图2(c)为第三层金属层结构示意图；

[0023] 图3是对比光线、矩形金属贴片、中间圆形挖空贴片还有本专利所述的基于表面等离激元结构的平均色散曲线图；

[0024] 图4是槽深度对该表面等离激元圆极化天线谐振频率影响的曲线图；

[0025] 图5(a)是菱形贴片长轴、短轴比对天线阻抗和轴比的影响，图5(b)是菱形贴片长轴、短轴比对圆极化天线上两个模式之间耦合系数的影响；

[0026] 图6是表面等离激元圆极化天线在半个周期内的场图，图6(a)为t＝0时刻场图，图6(b)为t＝T/8时刻场图，图6(c)为t＝T/4时刻场图，图6(d)为t＝3T/8时刻场图；

[0027] 图7(a)是表面等离激元圆极化天线的s参数曲线，图7(b)是表面等离激元圆极化天线的增益和轴比测量曲线；

[0028] 图8是该表面等离激元圆极化天线的远场图，图8(a)为phi＝0°的仿真和测量的左右旋圆极化的增益图方向图，图8(b)为phi＝0°的轴比图，图8(c)为phi＝90°时的仿真和测
量的左右旋圆极化的增益图方向图，图8(d)为phi＝90°的轴比图。

具体实施方式

[0029] 以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

[0030] 实施例

[0031] 本实施例公开一种基于表面等离激元的小型化微波天线结构。该结构包含两层介质层和三层金属层。第一层金属层位于第一层介质表面，具体结构如图2(a)所示。第一层金
属层设置菱形的金属贴片菱形的长对角线长度为a＝16.8mm,短对角线长度为b＝16，m＝a/
b为长短对角线之比；金属贴片的中心有一定数目的矩形槽，金属槽数量由num＝36表示；由
于槽绕菱形金属贴片旋转复制的，槽的内圈直径为φ1＝2.29mm，外圈直径为φ2＝10mm,槽
的长度为n＝(φ2‑φ1)/2。相邻的矩形槽的相邻两边相交形成一个夹角；相邻的矩形槽关于
相邻边所成夹角的角平分线对称；两个馈电金属通孔分别位于两个相邻槽之间的金属枝节
上；两个馈电金属孔的圆心跟表层金属贴片对角线交点的连线的夹角成90度；两个馈电金
属通孔穿过两层介质与两层介质之间的第二层金属层，连接第一层介质表面的第一层金属
和第二层介质底面的第三层金属。第二层金属层位于两层介质之间，如图2(b)所示。在前述
金属通孔的周围有圆环形槽，用来使得第二层金属跟金属通孔进行绝缘；圆环形槽的外圈
跟内圈圆共圆心；圆环形槽的内圈在金属化过孔的柱面上。第二层金属层除了中间两个圆
环形槽和贯穿的金属化过孔之外其余均为金属。第三层金属为馈电结构，如图2(c)所示。一
段与介质外边缘相垂直的馈电微带线跟与其垂直的宽度为W1＝0.7mm作为功分作用的微带
线相连，而作为功分作用的微带线两侧分别于不同长度的微带线相连，与馈电微带线垂直
的微带线长度为l1＝18mm而馈电线距一侧微带线边缘的距离为l2＝11mm，且这两条微带线
的终端通过匹配段长度为l3＝5mm,l4＝8.1mm，宽度为W2＝W3＝3.8mm跟金属通孔相连。

[0032] 为了表示出天线小型化的特征，我们在图3中给出了同样介质厚度下光线、矩形贴片天线、中间挖圆形的矩形贴片天线和中间为表面等离激元的天线的色散曲线。可以看到
在相同频率下，表面等离激元具有更高的色散常数。更高的色散常数会带来天线尺寸的缩
小，从而实现小型化设计。

[0033] 为了表现出等离激元中设计参数对天线谐振频率的影响，我们在图4中给出了改变槽内径φ1和外径φ2仿真的结果。内径φ1和外径φ2同时影响槽长度n，这对天线的谐振
频率产生一定的影响。由图可见，谐振频率随着n的减小而增大。

[0034] 图5给出了菱形两天对角线长度之比对天线谐振频率的影响。可以看到当天线的两个谐振频率互相靠近的时候，天线轴比特性越好。

[0035] 为了更加直观的表示出圆极化天线的特性，图6显示了不同时刻天线的场图。可以看到天线的近场随着时间绕天线中心旋转，满足圆极化天线的特性。

[0036] 图7(a)展示了测得的10dB回波损耗带宽约为90MHz(4.66‑4.75GHz)，反射系数由Agilent N5230网络分析仪测量。图7(b)显示了仿真和测量的AR和视轴上的最大增益的比
较。结果表明，测得的3‑dB轴比带宽约为20MHz(4.67‑4.69GHz)，测得的最大增益为5dBic。

[0037] 图8给出了在phi＝0°和phi＝90°平面上在工作频率下仿真和测量的归一化辐射方向图，其中图8(a)显示了phi＝0°平面中的左旋和右旋圆偏振辐射图，图8(b)在phi＝0平
面上给出轴比。我们注意到3dB的轴比波束宽度覆盖了‑35°至35°。图8(c)示出了在phi＝
90°平面中仿真和测量的左旋和右旋圆偏振辐射图，而图8(d)在phi＝90°平面中提供了轴
比。显然，在这种情况下，3dB的轴比波束宽度覆盖了‑50°至50°。我们还观察到，测量结果和
模拟结果彼此吻合良好。

[0038] 值得说明的是：本实施例实现小型化圆极化天线设计采用了中间挖矩形槽的方法，作为案例，我们设置了矩形槽之间夹角保持一定，还有槽为矩形的。作为变种，使用S形
槽，弯折形槽，还有改变任意的槽数目，改变介质板材均为本领域技术人员所能轻易想到
的，皆为本发明的保护范围。

[0039] 综上，本发明上述各实施例所分工公开的小型化圆极化天线设计，至少具有以下有益效果：

[0040] 1、利用表面等离激元来实现天线的小型化设计。该方法是在传统的微波板材上加工，采用两层介质、背部馈电的方式实现，在微波电路中是一种很常用的设计手段，具有成
熟的加工工艺，性能稳定。

[0041] 2、本设计案例是采用罗杰斯4003C的高频微波板材，介电常数为3.55，所提出的设计方案跟现有的设计方案相兼容，实现了一种用低介电常数的电路板来实现小型化圆极化
天线的设计方案。同样，用更高介电常数的介质板使用该设计方案同样可以进一步地实现
小型化设计。

[0042] 3、本设计案例跟传统的在高介电常数的介质板上设置矩形贴片的方法实现小型化天线设计相比，具有更高的辐射效率、更宽的工作带宽，更容易满足设计要求。

[0043] 4、本发明可通过调节菱形的长轴短轴比值来调整天线工作频带内的阻抗匹配，易于调整，可适应多种应用环境；而且，设计简单、加工简单、稳定性高。以上所述仅为本发明
的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种
更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。