无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线制造技术

本发明专利技术公开了无反射背板、大口径人工表面等离激元(Spoof Surface Plasmon Polariton，SSPP)宽带频扫平板天线，涉及天线技术领域，平板天线由无反射背板导波结构和宽带透射型相位梯度超表面组成。通过无反射背板SSPP导波结构上可以产生长程传播的SSPP，可拓展SSPP平板天线的纵向天线口径。通过将该平板天线组阵，可进一步拓展平板天线的横向天线口径。基于此设计实现了天线口径大小为300mm×30mm的SSPP平板天线和天线口径大小为300mm×240mm的大口径高方向性SSPP平板天线阵。仿真与实验结果表明，相对于单个SSPP天线，天线阵的增益平均提高了9.2dB，而工作带宽和频扫特性与单个天线性能基本相同。基于此实现的无反射背板SSPP平板天线，不仅有利于平板天线的隐身设计，而且有利于共形天线设计。

【技术实现步骤摘要】
无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线
本专利技术涉及天线
，特别是涉及无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线。
技术介绍
超表面是二维的超材料，可实现对电磁波幅度、相位、极化及波矢等参数的自由调控，因此，通过超表面不仅能够实现负反射、负折射效应等异常反射/折射效应，还可以实现人工表面等离激元(SpoofSurfacePlasmonPolariton，SSPP)耦合和解耦、极化方式转换等新颖的物理特性。凭借其独特的物理特性、优异的电磁调控能力、灵活的设计方法和亚波长的结构特性，超表面在天线领域具有广阔的应用前景。自由空间传播波能够耦合为SSPP，根据电磁波的可逆性原理，SSPP也能够转化为自由空间辐射波。通过利用相位梯度超表面的波矢调控特性可设计基于SSPP新型平板天线。为了获得从SSPP到空间传导波的高效转化效率，国内外研究者已经做了很多研究，传输效率最高可达90％，但是工作带宽仍然很窄。目前主要通过采用反射型相位梯度超表面作为辐射面板，不仅不能进一步拓展纵向天线口径面，而且SSPP平板天线具有金属反射背板，不利于平板天线的隐身设计。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，可以解决现有技术中存在的问题。一种无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，所述平板天线包括两部分：相位梯度超表面和导波结构，所述相位梯度超表面位于所述导波结构的正上方，二者之间具有一定距离；所述导波结构包括三部分，第I部分为共面波导，包括中心导体带以及位于其两侧的金属地；第III部分为能支持本征态SSPP模式的金属锯齿结构，即SSPP导波结构，金属锯齿结构由周期金属锯齿和厚度为F4B介质基板组成；第II部分为过渡结构，该部分位于第I部分的共面波导和第III部分的SSPP导波结构之间，过渡结构由深度渐变的金属凹槽结构和位于其两侧的指数渐变的金属地组成，其中金属地的宽度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐减小，金属凹槽结构中的凹槽深度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐增大，第I部分的两个金属地分别与第II部分两个金属地宽度最大的一端连接，第I部分的中心导体带与第II部分金属凹槽结构靠近第I部分的一端连接，金属凹槽结构的另一端与第III部分SSPP导波结构连接；所述相位梯度超表面由超表面结构单元组成，每个结构单元由三层金属结构和两层介质组成，其中上下层金属为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构。优选地，所述共面波导的中心导体带宽度hc＝4.7mm，金属地宽度w＝3mm，距离金属地的缝隙宽度g＝0.25mm，介质基板采用0.2mm厚的F4B，实现了50欧的特性阻抗匹配。优选地，所述SSPP导波结构的参数分别为周期p＝2.5mm，锯齿高度h＝1.9mm，相邻两锯齿之间的缝隙宽度a＝1mm，以及沿z方向的横向金属鳍线宽度s＝0.9mm。优选地，第II部分金属凹槽结构的凹槽数量为9个，深度分别为h1＝0.225mm，h2＝0.45mm，h3＝0.675mm，h4＝0.9mm，h5＝1.125mm，h6＝1.35mm，h7＝1.575mm，h8＝1.8mm和h9＝1.9mm。优选地，所述结构单元参数分别为单元周期q＝6mm；两层介质采用厚度r＝3mm的F4B介质基板，其相对介电常数εr＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001，金属栅结构周期t＝2mm及宽度b＝0.2mm。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术可拓展SSPP平板天线的纵向和横向天线口径。相对于单个SSPP天线，天线阵的增益明显提高，而工作带宽和频扫特性与单个天线性能基本相同。(2)本专利技术采用共面波导直接馈电，并设计了平滑过渡结构使电磁波耦合为本征态SSPP，提高了SSPP耦合效率，从而提高了天线效率。(3)本专利技术的SSPP导波结构与相位梯度超表面可以独立设计，利用SSPP波矢的的非线性色散特性和相位梯度超表面的宽带特性，实现了SSPP平板天线的宽带频扫特性。(4)本专利技术采用无反射背板SSPP导波结构，不仅有利于平板天线的隐身设计，而且有利于共形天线设计。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例中平板天线的结构示意图；图2为SSPP导波结构示意图，其中：(a)无反射背板型SSPP平板天线侧视图，(b)第I部分，共面波导，(c)第II部分，指数渐变的金属地和金属凹槽渐变的过渡结构部分，(d)第III部分SSPP导波结构，(e)不同凹槽深度情况下，金属凹槽结构上的本征SSPP色散曲线仿真结果；图3为本专利技术实施例中采用的透射型线极化旋转超表面梯度超表面示意图，其中，(a)是透射型线极化旋转超表面单元三维结构视图，(b)是超表面结构单元中间层双箭头结构正视图，(c)是设计的相位梯度超表面的超单元结构中间层双箭头阵列结构正视图；图4为本专利技术中单个SSPP平板天线的样品照片；图5为本专利技术中SSPP平板天线的反射系数S11仿真结果和测试结果对比图；图6为本专利技术中SSPP平板天线的三维增益图，其中(a)f＝7GHz，(b)f＝9GHz，(c)f＝11GHz和(d)f＝13GHz；图7为本专利技术在6.7-14GHz频段内，平板天线H面归一化方向图，其中(a)仿真结果，(b)测试结果；图8为SSPP平板天线主瓣方向的理论计算、仿真和测试结果对比图；图9为SSPP平板天线仿真计算结果，其中，(a)峰值增益和H面半功率波束宽度，(b)辐射效率和总效率；图10为SSPP平板天线阵的样品照片；图11为本专利技术中SSPP平板天线阵的反射系数S11仿真结果和测试结果对比图；图12为本专利技术在7-14GHz频段内SSPP平板天线阵H面归一化方向图，其中，(a)仿真结果，(b)测试结果；图13为本专利技术SSPP平板天线阵与单个平板天线的主瓣方向结果对比，其中，(a)仿真结果，(b)测试结果；图14为本专利技术中SSPP平板天线阵与单个平板天线在7-14GHz频段内天线性能仿真结果对比，其中，(a)峰值增益曲线，(b)H面方向性曲线，(c)总效率。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。参照图1，本专利技术实施例中提供了无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，所述平板天线主要包括两部分：相位梯度超表面1和导波结构2，所述相位梯度超表面1位于所述导波结构2的正上方，二者之间具有一定距离。参照图2，所述导波结构2包括三部分，如图2中(a)所示，第I部分为共面波导，如图2中(b)所示，即传统的传输线，包括中心导体带以及位于其两侧的金属地，结构参数分别设置为中心导体带宽度hc＝4.7mm，金属地宽度w＝3mm和距离金属地的缝隙宽度g＝0.25本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，所述平板天线包括两部分：相位梯度超表面和导波结构，所述相位梯度超表面位于所述导波结构的正上方，二者之间具有一定距离；所述导波结构包括三部分，第I部分为共面波导，包括中心导体带以及位于其两侧的金属地；第III部分为能支持本征态SSPP模式的金属锯齿结构，即SSPP导波结构，金属锯齿结构由周期金属锯齿和厚度为F4B介质基板组成；第II部分为过渡结构，该部分位于第I部分的共面波导和第III部分的SSPP导波结构之间，过渡结构由深度渐变的金属凹槽结构和位于其两侧的指数渐变的金属地组成，其中金属地的宽度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐减小，金属凹槽结构中的凹槽深度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐增大，第I部分的两个金属地分别与第II部分两个金属地宽度最大的一端连接，第I部分的中心导体带与第II部分金属凹槽结构靠近第I部分的一端连接，金属凹槽结构的另一端与第III部分SSPP导波结构连接；所述相位梯度超表面由超表面结构单元组成，每个结构单元由三层金属结构和两层介质组成，其中上下层金属为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构。...

【技术特征摘要】
1.一种无反射背板、大口径人工表面等离激元宽带频扫平板天线，其特征在于，所述平板天线包括两部分：相位梯度超表面和导波结构，所述相位梯度超表面位于所述导波结构的正上方，二者之间具有一定距离；所述导波结构包括三部分，第I部分为共面波导，包括中心导体带以及位于其两侧的金属地；第III部分为能支持本征态SSPP模式的金属锯齿结构，即SSPP导波结构，金属锯齿结构由周期金属锯齿和厚度为F4B介质基板组成；第II部分为过渡结构，该部分位于第I部分的共面波导和第III部分的SSPP导波结构之间，过渡结构由深度渐变的金属凹槽结构和位于其两侧的指数渐变的金属地组成，其中金属地的宽度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐减小，金属凹槽结构中的凹槽深度沿从共面波导到SSPP导波结构的方向逐渐增大，第I部分的两个金属地分别与第II部分两个金属地宽度最大的一端连接，第I部分的中心导体带与第II部分金属凹槽结构靠近第I部分的一端连接，金属凹槽结构的另一端与第III部分SSPP导波结构连接；所述相位梯度超表面由超表面结构单元组成，每个结构单元由三层金属结构和两层介质组成，其中上下层金属为相互正交的金属栅结构，中间层为斜置的双箭头结构。2.如权利要求1所述的无反射背板、大口...

【专利技术属性】
技术研发人员：马华，陈红雅，李勇峰，屈绍波，王甲富，
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