基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线，包括塑料圆柱支撑结构，缠绕在塑料圆柱上的金属结构和下层的金属地板。金属结构包含人工表面等离激元结构和位于其下方的匹配结构。人工表面等离激元结构包括5圈沿塑料圆柱轴向缠绕的人工表面等离激元单元结构，与匹配结构直接相连；匹配结构包含一个调节输入端口阻抗的微带线结构和金属馈电探针。本发明专利技术将金属条的长度减少了20％，同时物理孔径、高度和体积分别减少了36％、20％和49％。本发明专利技术具有良好的轴向模辐射性能和右旋圆极化(RHCP)特性，还兼具高带宽和高增益的特点，而且加工简单，成本较低，有助于提升无线通信技术的系统集成度。通信技术的系统集成度。通信技术的系统集成度。

【技术实现步骤摘要】
基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线


[0001]本专利技术属于螺旋天线和人工表面等离激元领域，尤其涉及一种基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线。

技术介绍

[0002]在光波段，电磁波与自由电子在金属表面所产生的共振响应称为表面等离激元，该模式可以有效地传输和局域光波，具有亚波长特性，在光通信系统中具有广泛的应用。为了在更低的频段内实现这种电磁响应，人工表面等离激元的概念随即被提出，该模式能在更低的频段支持并传播与表面等离激元非常相似的电磁波。随着支持该模式的兼具超薄性和柔韧性的二维平面表面等离子体波导结构的提出，为设计超薄等离子体器件提供了可能，使基于人工表面等离激元结构的电路在微波和太赫兹频段有了崭新的发展前景。
[0003]螺旋天线具有外形小巧、方向性强、增益高、易于实现等优点，轴向模螺旋天线由于其圆极化性能可在宽带和低轴比下实现，因而在卫星和雷达等在无线通信系统中得到了广泛的应用。为了提升系统的集成度，研究者们越来越趋向于小型化天线的研究与设计，由于天线的体积与其工作波长密切相关，这意味着部分天线性能(如增益)会因尺寸减小而变差，因此很难在螺旋天线的尺寸和性能之间达到平衡。根据已有的研究，小型化的设计往往采用了造价昂贵的介质或是复杂的电路网络设计。由人工表面等离激元的色散曲线可知，该模式具有高相位常数和较小的等效波长，从而使人工表面等离激元表现出慢波特性，可以减小结构的物理尺寸。根据现有技术可知，基于人工表面等离激元结构的轴向模螺旋天线的小型化设计方法还未见报道。

技术实现思路
<br/>[0004]本专利技术目的在于提供一种基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线,实现螺旋天线的小型化设计，并同时保证天线具有良好的增益和宽带特性。
[0005]本专利技术的具体技术方案如下：
[0006]一种基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线，包括塑料圆柱支撑结构，缠绕在塑料圆柱上的金属结构和下层的金属地板，金属结构包括人工表面等离激元结构和下部的匹配结构；
[0007]人工表面等离激元结构包括完全相同的开槽型人工表面等离激元单元，与匹配结构直接相连；
[0008]匹配结构包含一个调节输入端口阻抗的微带线结构和金属馈电探针。
[0009]进一步的，开槽型人工表面等离激元单元均匀排布缠绕在塑料圆柱支撑结构表面，电场在一个传播波长内方向交替垂直，形成圆极化的效果。
[0010]进一步的，开槽单元以13
°
的俯仰角均匀排布缠绕在塑料圆柱支撑结构表面，共缠绕5圈。
[0011]进一步的，开槽单元宽度为5.2mm，开槽宽度为1.5mm，开槽深度为4.2mm。
[0012]进一步的，开槽型人工表面等离激元单元的凹槽沿缠绕方向的剖面形状为矩形、V形或梯形。
[0013]进一步的，人工表面等离激元结构所支持的有效波长与螺旋周长满足以下关系：
[0014][0015]其中，C为螺旋周长，即塑料圆柱的周长；λ为人工表面等离激元结构所支持的有效波长；利用此关系，在一定频率下，通过减小有效波长λ来减小螺旋周长，从而实现小型化设计。
[0016]进一步的，塑料圆柱的材质为泡沫，介电常数ε
γ
＝1.1。
[0017]本专利技术的基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线，具有以下优点：
[0018]本专利技术的螺旋天线，将天线理论和人工表面等离激元理论相结合，在传统微带螺旋天线的金属带上设计了人工表面等离激元结构，通过设计开槽型人工表面等离激元单元的开槽深度，可实现具有高相位常数的亚波长结构，从而有效减小天线尺寸。与传统的微带螺旋天线相比，该天线的螺线长度、物理孔径、天线高度和总体积显著减小，且在工作频段内显示出良好的圆极化辐射特性；另外本专利技术实现简单、制造成本低、易于加工圆极化特性好，在雷达和无线通信系统等领域具有重要的应用前景。
附图说明
[0019]图1是本专利技术的基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线结构示意图；
[0020]图2是本专利技术的人工表面等离激元结构示意图；
[0021]图3是本专利技术的匹配结构示意图；
[0022]图4是本专利技术的开槽型人工表面等离激元单元结构尺寸示意图；
[0023]图5是本专利技术的人工表面等离激元单元和微带线的色散曲线图；
[0024]图6(a)是本专利技术在t＝0时刻，轴向模螺旋天线第一圈的表面电流分布及其等效示意图；
[0025]图6(b)是本专利技术在T/4时刻，轴向模螺旋天线第一圈的表面电流分布及其等效示意图；
[0026]图7是本专利技术的3.8GHz时的归一化二维远场辐射模式的仿真值和测量值；
[0027]图8是本专利技术的4.1GHz时的归一化二维远场辐射模式的仿真值和测量值；
[0028]图9是本专利技术的S
11
参数的仿真值和测量值；
[0029]图10是本专利技术的轴比(AR)以及增益的仿真值和测量值；
[0030]图11是本专利技术与传统螺旋天线的实物模型对比图；
[0031]图12是本专利技术和传统螺旋天线的S
11
参数的测量值；
[0032]图13是本专利技术和传统螺旋天线的轴比和增益的测量值。
[0033]图中标记说明：1、人工表面等离激元结构；2、匹配结构；11、开槽型人工表面等离激元单元；21、微带线结构；22、金属馈电探针。
具体实施方式
[0034]为了更好地了解本专利技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本专利技术的基于人工
表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线做进一步详细的描述。
[0035]如图1所示，本专利技术的小型化螺旋天线包括塑料圆柱支撑结构，缠绕在塑料圆柱上的金属结构和下层的金属地板；金属结构包括人工表面等离激元结构1和下部的匹配结构2；塑料圆柱的材质为泡沫，介电常数ε
r
＝1.1，天线高度为60mm。
[0036]如图2所示，人工表面等离激元结构1包括若干个开槽型人工表面等离激元单元11，沿自身轴线方向的剖面形状为矩形、V形或梯形。
[0037]如图3所示，匹配结构2由一个调节输入端口阻抗的微带线结构21和金属馈电探针22组成。射频信号源通过连接到金属探针22实现天线的馈电。
[0038]如图4所示，在本实例中开槽型人工表面等离激元单元11的单元宽度、开槽宽度、开槽深度相同，单元宽度p为5.2mm，开槽宽度a为1.5mm，开槽深度h为4.2mm。
[0039]根据天线理论，n圈螺旋天线的波瓣方向图可以认为是单圈波瓣方向图乘以由n个各向同性点源组成的直线阵列的阵列因子波瓣方向图，其矩阵因子E可以表示为：
[0040][0041]其中，ψ＝S
r
cosφ+δ是来自相邻源的场之间的总相位差，其中S
r
是阵列单元之间的距离；φ是天线辐射方向与水平面之间的角度；δ是相邻单元之间的相位差。对于螺旋天线，单元之间距离S本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线，其特征在于，包括塑料圆柱支撑结构，缠绕在塑料圆柱上的金属结构和下层的金属地板，金属结构包括人工表面等离激元结构(1)和下部的匹配结构(2)；所述人工表面等离激元结构(1)包括相同的开槽型人工表面等离激元单元(11)，与匹配结构(2)直接相连；所述匹配结构(2)包含一个调节输入端口阻抗的微带线结构(21)和金属馈电探针(22)。2.根据权利要求1所述的基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线，其特征在于，所述开槽型人工表面等离激元单元(11)均匀排布缠绕在塑料圆柱支撑结构表面，电场在一个传播波长内方向交替垂直，形成圆极化的效果。3.根据权利要求2所述的基于人工表面等离激元的小型化轴向模螺旋天线，其特征在于，所述开槽单元以13
°
的俯仰角均匀排布缠绕在塑料圆柱支撑结构表面，共缠绕5圈。4.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：马慧锋，程章文，邓杰，陈济然，崔铁军，王时檬，高峰，刘欣，栾帅，
申请(专利权)人：中国移动通信集团设计院有限公司，
类型：发明
国别省市：