[发明专利]基于准表面等离子体激元的漏波天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种漏波天线，尤其涉及一种基于准表面等离子体激元的漏波天线，属于微波技术领域。

背景技术

天线作为现代通信系统中的重要组成部分，主要用于辐射和接收电磁能量，随着社会对通信系统要求的不断提高，天线的增益、覆盖能力、频率扫描能力越来越受到人们的重视。漏波天线作为一种行波天线可以分为快波漏波天线和慢波漏波天线两大类。波导缝隙天线作为一种常见的快波漏波天线，是通过在金属波导上刻蚀缝隙制作而成的，但其设计过程较为复杂。虽然多个波导缝隙天线组成的平面阵列能够获得较为理想的辐射方向图，但在其加工过程中对加工精度和馈电结构都有着非常高的要求，难以适应快速生产的需要。周期结构天线作为一种常见的慢波漏波天线，其利用周期结构引导慢波沿着周期结构传播，并在传播过程中不断辐射，其主辐射方向由空间谐波控制。周期结构天线具有剖面低、频率扫描、方向图可控等优点，由微带线、基片集成波导等构成的平面漏波天线更是具有成本低、易加工的优点，极大地满足了快速批量生产的需要。然而，这两种漏波天线一般都有金属地，造成辐射方向集中在半空间区域，无法实现全方向的无线信号覆盖。

在光波段，表面等离子体激元模式可以有效地传输光波，并具有亚波长特性，在平面全光系统中有很大的应用前景。表面等离子体激元本质上为一种表面电磁波模式，分布在金属和介质的分界面处，将电磁能量紧密地束缚在分界面周围很小的区域内。然而，在微波段金属表现出理想电导体特性，在金属和介质分界面不能直接支持表面等离子体激元。准表面等离子体激元作为表面等离子体激元的延伸，能够利用平面金属开槽结构获得，并且其色散特性与表面等离子体激元保持一致。这种平面金属开槽结构能够支持准表面等离子体激元的高效传输，为设计平面等离子体器件提供了可能。一篇中国发明专利公开了《一种基于准表面等离子体波导的频率扫描阵列天线》(CN103367918A)。该天线利用准表面等离子体波导对阵列单元进行馈电，通过周期排布的单元打破准表面等离子体场分布的连续性从而实现辐射，其本质也是一种周期漏波天线。该天线具有较高的馈电效率和方向图频率扫描特性。但该方案仅是以准表面等离子体波导作为阵列天线的串联馈电网络，需要与微带天线阵列或贴片天线阵列相配合，其剖面由准表面等离子体波导、阵列贴片单元及两者间的缝隙决定，且远高于传统印刷电路板形式的漏波天线。并且，天线辐射特性主要由阵列单元的位置决定，无法通过理论公式直接给出，设计方法较为复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术不足，提供一种基于准表面等离子体激元的漏波天线，其辐射单元基于相速调制的准表面等离子体激元波导实现，其结构简单，不需要金属地，更易于实现全向辐射和频率扫描功能，且对外部电路的干扰更小，更易于加工。

本发明基于准表面等离子体激元的漏波天线，包括馈电网络和辐射单元，所述馈电网络包括渐变匹配结构，所述渐变匹配结构用于实现电磁波在TEM模式或准TEM模式与准表面等离子体激元模式之间的转换；所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

优选地，所述辐射单元为可使其所传输的准表面等离子体激元的相速产生周期性地不连续性变化的准表面等离子体激元波导。

上述准表面等离子体激元波导可通过二维平面结构实现，也可以通过三维立体结构实现，因此可根据具体应用环境灵活选择，以下为几种优选方案：

作为其中一种优选方案，所述准表面等离子体激元波导为二维平面金属条带，金属条带的单边设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口。

作为另一种优选方案，所述准表面等离子体激元波导单元为二维平面金属条带，金属条带的两边分别设置有一组几何参数呈周期性变化的槽口，金属条带两边的槽口关于金属条带的中轴线对称。

上述槽口可以为矩形槽、V形槽或梯形槽。

作为再一种优选方案，所述准表面等离子体激元波导为三维立体结构的金属圆管或金属圆柱，所述金属圆管或金属圆柱的外表面上设置有一组几何参数沿金属圆管或金属圆柱的轴线呈周期性变化的凹槽。优选地，所述凹槽为以所述金属圆管或金属圆柱的轴线为自身轴线的环状凹槽。所述环状凹槽沿自身轴线方向的剖面形状可以为矩形、V形或梯形。

相比现有技术，本发明及其优选技术方案具有以下有益效果：

1.本发明中所使用的准表面等离子体激元波导具有紧密束缚电磁能量的功能，能够将沿波导传输的能量紧密束缚在波导周围，从而减小对其它功能电路的干扰及组成天线阵列时的相互耦合。