一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线制造技术

本发明专利技术公开了一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，辐射口径为面积相同的圆形结构，圆的半径为r1＝68mm；SSPP缝隙天线的介质板厚度为1mm；SSPP缝隙天线的背面馈电处20mm×40mm面积为金属，其中心位置为26mm×2mm的缝隙，其余位置不镀金属，介质板的介电常数为2.65，损耗角正切小于0.001。本发明专利技术实现了准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，天线在1GHz～10GHz方位内有明显的RCS减缩效果，MRCS最大减缩量在16.93dB以上，SSPP缝隙天线的相对带宽为9.4％，其频率覆盖5.25GHz～5.77GHz，SSPP天线与传统天线相比，波束宽度至少展宽65°。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新型电磁超材料与应用领域，尤其涉及一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线。
技术介绍
表面等离激元(SurfacePlasmonPolaritons,SPP)是一种表面电磁波模式，它通常存在于介电常数相反的两种材料表面，因为其表面波特征，某些频段的电磁波(如光波)能被约束在亚波长的空间范围。一般的表面等离激元主要存在于光波频段的纳米结构。亚波长小孔结构的理想导体等效介电常数，当电磁波入射到小孔时，小孔的衰减波导模式被激发，仅考虑起超透主导作用的基模，其计算结果表明：带有亚波长小孔的理想导体与等离子体材料具有近似的等效介电常数。从这一成果可知，当电磁波入射到带有亚波长小孔的理想导体时，会激发出类似于SPP的表面波，称之为准表面等离激元(SpoofSurfacePlasmonPolaritons,SSPP)。SSPP研究不仅拓展了表面等离激元的研究内容，更拓展其应用的领域。为了激发微波频段的准表面等离激元，学者们提出两类方法：一类是通过掺杂半导体、高温超导材料等激发SSPP；另一种是通过金属表面微结构降低金属的表面等离子频率。前者主要是利用光热激发和离子注入等方法控制载流子浓度，使等离子体频率降低，实现低频段的SSPP。后者是由于周期结构化的金属表面可以支持SSPP的表面波模式。Metamaterial的快速发展为微波频段的SSPP研究注入了新的活力。分析了立体周期槽状结构的SSPP波传播特性，其研究结果表明所设计的槽结构能够支持0.8THz的SSPP波传播。在双面覆铜板的上层金属面蚀刻“王”字形结构，利用该结构激发SSPP。结合渐变的超表面(Metasurface)结构耦合出微波频段的SSPP，并分析了其结构上的SSPP表面波传播状态。分析了周期结构的宽带SSPP特征，研究发现周期的CSRR环能够支持SSPP表面波的传播。分析了圆形准超表面的表面等离激元现象，验证了该超表面在不同极化下均能够激发SSPP，研究结果表明该准超表面能有效调控电磁波的传播方向，改善准超表面的散射特性。这些研究都推进了SSPP的发展，但由于微波频段的SSPP非常新颖，因此关于其在天线中的应用鲜有报道。现有微波频段的准表面等离激元结构由于所设计结构自身的非对称性问题而对入射波的极化十分敏感；根据结构的磁谐振特性，其大多只能激励起TM极化的SSPP，且其在天线中的应用往往会带来交叉极化分量的大幅提升和同极化散射的增强，因此很难兼顾天线的辐射和散射特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，旨在解决现有微波频段的准表面等离激元结构由于结构自身问题而对入射波的极化十分敏感，大多只能激励起TM极化的SSPP，且其在天线中的应用很难兼顾天线的辐射和散射特性的问题。本专利技术是这样实现的，一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的辐射口径为面积相同的圆形结构，圆的半径为r1＝68mm；SSPP缝隙天线的介质板厚度为1mm；SSPP缝隙天线的背面馈电处20mm×40mm面积为金属，其中心位置为26mm×2mm的缝隙，其余位置不镀金属，介质板的介电常数为2.65，损耗角正切小于0.001。本专利技术的另一目的在于提供一种所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法利用渐变双边锯齿金属结构设计出激励出SSPP的圆形准超表面，准超表面能够在低频段与电场方向平行的金属结构上激励出SSPP，形成SSPP模式表面波，增强表面波的能量传播；准超表面结构的厚度为1.0mm，金属双边锯齿结构的相关尺寸分别为：r1＝68mm,w1＝32mm,w2＝3.7mm,w3＝2mm,P＝5mm,α＝25deg，金属厚度为0.036mm；介质板的介电常数为2.65，介质板背面无金属层。进一步，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法利用金属双边锯齿结构能够激励出准表面等离激元，实现辐射电磁波到SSPP模式的表面波转换，入射电磁波的电场E(x,y,z)为：其中，E0为场强幅度，Kz、Kx表示波数在z和x轴方向的分量，电场方向沿着x轴方向；入射到金属上的电场分量为：介质上的电场分量为：kz1和ε1表示双边锯齿结构金属层的波数和介电常数，kz2和ε2表示介质层的波数和介电常数；得到电磁波传到金属层和介质层之间时，其电磁波的衰减长度为：根据连续性边界条件，进一步得到如下色散关系：其中，kx表示沿着x轴方向的电磁波传播系数；对于金属与介质结构，SSPP的折射系数(nSSPP)为：其中，ε1和ε2分别为不同介质的介电常数。kx进一步化简为：其中，k0＝w/c＝2πf/c为自由空间的波数，c为光速。写为：双边锯齿金属结构激励的SSPP模的表面波传播系数kx为：当0<k0d<π/2时，kx为一个实数，并且kx>k0。本专利技术提供的准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，通过设计超薄圆形的渐变双边锯齿对称结构，激励微波频段的SSPP，深入分析了SSPP模式条件下的表面波传播和散射特性，进而将其用于天线辐射表面，设计了准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，实现了通过SSPP对天线散射波束方向的调控，改善了天线的散射性能，同时展宽了天线的波束宽度。本专利技术将渐变双边锯齿结构与圆形对称超表面相结合，提出了一种超薄圆形的SSPP准超表面。该准超表面能激励微波频段的SSPP，深入分析了SSPP模式条件下的表面波传播特性和散射特性，进而将其用于天线辐射表面，实现了准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，该天线散射波束由于SSPP的影响而受到调控，天线在1GHz～10GHz方位内有明显的RCS减缩效果，MRCS最大减缩量在16.93dB以上，SSPP缝隙天线的相对带宽为9.4％，其频率覆盖5.25GHz～5.77GHz，SSPP天线与传统天线相比，波束宽度至少展宽65°。仿真和测试验证了SSPP缝隙天线能够调控散射波束，改善天线的散射性能，实现超宽带低RCS的特征，同时SSPP可以展宽天线的波束宽度，优化天线辐射性能。附图说明图1是本专利技术实施例提供的基于渐变锯齿结构的极化无关圆形超表面结构示意图；图中：(a)渐进双边锯齿结构；(b)基于双边锯齿结构的超表面。图2是本专利技术实施例提供的色散曲线的仿真模型示意图。图3是本专利技术实施例提供的渐变锯齿结构的色散曲线仿真结果示意图。图4是本专利技术实施例提供的垂直入射时不同极化入射波条件下的超表面电场分布示意图。图5是本专利技术实施例提供的双边锯齿结构的超表面波导缝隙天线示意图；图中：(a)传统金属表面的波导缝隙天线；(b)SSPP缝隙天线。图6是本专利技术实施例提供的不同波导缝隙天线的S11仿真结果示意图。图7是本专利技术实施例提供的SSPP天线和传统金属表面的波导缝隙天线在5.4GHz和5.65GHz的二维方向图仿真结果示意图；图中：(a)5.4GHz辐射方向图的yoz面；(b)5.4GHz辐射方向图的xoz面；(c)5.65GHz辐射方向图的yoz面；(d)5.65GHz辐射方向图的xoz面。图8是本专利技术实施例提供的SSPP天线和传统金属表面的波导缝隙天线在5.4GHz和5.65GHz的三维方向图仿真结本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的辐射口径为面积相同的圆形结构，圆的半径为r1＝68mm；SSPP缝隙天线的介质板厚度为1mm；SSPP缝隙天线背面的馈电处20mm×40mm面积为金属，其中心位置为26mm×2mm的缝隙，其余位置不镀金属，介质板的介电常数为2.65，损耗角正切小于0.001。

【技术特征摘要】
1.一种准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的辐射口径为面积相同的圆形结构，圆的半径为r1＝68mm；SSPP缝隙天线的介质板厚度为1mm；SSPP缝隙天线背面的馈电处20mm×40mm面积为金属，其中心位置为26mm×2mm的缝隙，其余位置不镀金属，介质板的介电常数为2.65，损耗角正切小于0.001。2.一种如权利要求1所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法利用渐变双边锯齿金属结构设计出激励出SSPP的圆形准超表面，准超表面能够在低频段与电场方向平行的金属结构上激励出SSPP，形成SSPP模式表面波，增强表面波的能量传播；准超表面结构的厚度为1.0mm，金属双边锯齿结构的相关尺寸分别为：r1＝68mm,w1＝32mm,w2＝3.7mm,w3＝2mm,P＝5mm,α＝25deg，金属厚度为0.036mm；介质板的介电常数为2.65，介质板背面无金属层。3.如权利要求2所述的所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法，其特征在于，所述准表面等离激元的超宽带低散射缝隙天线的设计方法利用金属双边锯齿结构能够激励出准表面等离激元，实现辐射电磁波到SSPP模式的表面波转换，入射电磁波的电场为：E(x,y,z)=E0ei(kxx-kz|z|-ωt);]]>其中，电场方向沿着x轴方向；入射到金属上的电场分量为：E(x,y,z)metallic=ExmEymEzm=E0ei(kxx-kz1|z|-ωt)0E0(-kx/kz1)ei(kxx-...

【专利技术属性】
技术研发人员：李思佳，曹祥玉，高军，陈巍，周禹龙，张晨，韩彤，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61