基于人工表面等离子体激元平面毫米波高增益双波束天线

1.本发明涉及一种基于人工表面等离子体激元平面毫米波高增益双波束天线，属于无线通信技术领域。


背景技术：

2.随着通信业务的迅猛发展，用户数和流量急剧增加，为了减小由于网络负荷较高导致的低速率情况的发生，需要提高热点区域的信息容量，为了在基站上实现扩容的目的，可采用双波束天线来增加信道容量。传统的双波束天线，不仅可以应用在基站天线上，还可应用在车载雷达探测方面，其可以在不调整天线方位的情况下实现多方向的探测功能。但是仍有许多缺点：1、传统的双波束天线，他们的增益不高；2、同时这些双波束天线采用双馈电方式，一个端口对应一个波束，因此增加了馈电网路的复杂度。
3.行波长导线天线天然具有双波束的分叉对称效果，适合双波束天线的设计。而基于sspps结构加载的行波长导线利用了spps波的慢波效应，可以有效地减小天线的体积；同时，其spps波具有强束缚性。因此，发明人设想可以通过调整槽的深度来控制表面波的传输与辐射，以此提高天线的增益。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于，克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于人工表面等离子体激元平面毫米波高增益双波束天线, 该天线基于行波长导线天线辐射原理，通过加载sspps结构来提高天线的增益和减小天线的尺寸，实现了低剖面的设计目标。
5.一般的行波长导线天线是由长度大于一个波长、其上电流按行波分布的导线构成的天线，线上电流幅度相等、相位连续滞后。
6.其方向图呈现出以下特点：1、轴线方向无辐射；2、随着导线长度的增加，其最大辐射方向逐渐靠近轴线；3、当导线长度与波长之比很大时，主瓣方向随比值变化很小，且具有宽频带特性。
7.本发明提供的基于人工表面等离子体激元平面毫米波高增益双波束天线，包括由介质基板、顶层传输线和顶层接地带构成的共面波导，其特征在于：所述顶层接地带连接有用于抑制电磁波后向传输和提高增益的金属梳状线，所述介质基板上表面还设有与顶层传输线连接的人工表面等离子体激元双波束天线，所述人工表面等离子体激元双波束天线具有对称的齿状结构。
8.进一步的，所述人工表面等离子体激元双波束天线具有靠近顶层传输线的均匀区域和远离顶层传输线的渐变区域，所述均匀区域的齿长和齿槽深度相等，渐变区域的齿长和齿槽深度在天线辐射方向上逐渐降低。
9.更进一步的，所述顶层接地带为矩形，所述金属条带设置于介质基板上表面，朝向
天线辐射方向设置。
10.可见，相对于一般的行波长导线天线，本发明在该基础之上进行了如下改进：1、通过平面sspps槽型结构的加载增强了spps表面波的束缚性，继而可以调控表面波的传输或辐射来提高天线的增益，获得了最高15.3dbi的增益；2、平面化的天线结构不仅实现了低剖面的设计目标，还将传统的长导线天线转换成双波束天线，进一步实现了在目标方向上增益的提高；3、实现了较宽频带（22.75ghz
‑
25.7ghz）上双波束的稳定辐射效果，可以应用在基站天线、车载雷达探测等方面。
11.本发明是基于人工表面等离子体激元平面毫米波高增益双波束天线，具有以下有益效果：1、通过平面sspps槽型结构的加载增强了spps表面波的束缚性，而天线中平面化sspps辐射结构的束缚能力随着齿槽深度的减小而下降，电磁波从传输模式转向辐射模式，因此可以调控表面波的传输或辐射来提高天线的增益，获得了最高15.3dbi的增益；2、实现了较宽频带（22.85ghz
‑
25.7ghz）上双波束的稳定辐射效果，可以应用在基站天线、车载雷达探测等方面。
附图说明
12.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
13.图1是本发明天线的三维结构图。
14.图2是本发明天线的俯视图。
15.图3是本发明天线的s
11
曲线图。
16.图4（a）是本发明天线23.7ghz的e面辐射方向图。
17.图4（b）是本发明天线23.7ghz的h面辐射方向图。
18.图5（a）是本发明天线24.7ghz的e面辐射方向图。
19.图5（b）是本发明天线24.7ghz的h面辐射方向图。
具体实施方式
20.下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
21.如图1所示，本实施例基于人工表面等离子体激元平面毫米波高增益双波束天线，包括介质基板2（roger ro4003c厚度0.508mm）、顶层传输线1、顶层接地带11、底层接地带3（金属厚度均为0.035mm）、梳状线12和人工表面等离子体激元双波束天线13。该天线是单层板结构，天线沿着x轴左右对称，其中，介质基板2、顶层传输线1、顶层接地带11和底层接地带3构成了共面波导。当然，如果省去底层接地带3，该共面波导结构依然成立，但与毫米波端口连接困难。本实施例中具有底层接地带3，是最优的实施方式。底层接地带3与顶层接地带11在介质基板2上的投影重合，底层接地带3与顶层接地带11之间通过金属化通孔14电连接。作为一个完整的天线，其还设置有同轴信号输入端口，同轴信号输入端口的内导体与顶层传输线1电相连，同轴信号输入端口的外导体与顶层接地带11电连接。
22.如图1所示，梳状线12与顶层接地带11连接，有用于抑制电磁波后向传输和提高增
益。顶层接地带11为矩形，金属梳状线12设置于介质基板2上表面，朝向x方向（天线辐射方向）设置。相比传统方案，取消了渐变的结构，使得天线的尺寸更加紧凑。
23.本例中，人工表面等离子体激元双波束天线13设置于介质基板2上表面，并且与顶层传输线1连接，对应的，人工表面等离子体激元双波束天线13具有对称的齿状结构。本实施例中，人工表面等离子体激元双波束天线13具有靠近顶层传输线1的均匀区域和远离顶层传输线1的渐变区域，均匀区域的齿长和齿槽深度相等，渐变区域的齿长和齿槽深度在天线辐射方向上逐渐降低。
24.该天线与其它基于人工表面等离子体激元的天线相比，通过省去过渡区域实现了天线的小型化，可以极大地减小天线的长度。过渡区的优化在于sspps结构上不需要齿槽渐变的过渡，同时两侧地上由齿槽阵列来代替，同时也能阻止天线的后向辐射，从而提高增益。
25.天线的传输区传输的是spps波（人工表面等离子体激元双波束天线13的均匀区域），可以减小传输损耗，因此可以提高天线的增益；主辐射区在sspps结构的渐变区域（人工表面等离子体激元双波束天线13的渐变区域），其齿槽深度逐渐减小，束缚电磁波的能力逐渐下降，因此电磁波从传输转换成了辐射模式。
26.本实施例天线的具体参数在表1中给出。
27.表1 天线的详细尺寸参数lwwstartwendlsppg1g2p1p2z1l1值/mm103.44512.66.666.60.90.51.80.52.226.1参数l2g3s1s2s3ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
值/mm40.50.95.252.2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
如表2所示，本天线双波束方向不随频率变化，增益更高，波束宽度稳定。表2 天线的3db波束宽度、波束方向和增益频率/ghz3db波束宽度/
°
波束方向/
°
增益/dbi23.2119/
‑
913.723.410.79/
‑
914.123.610.59/
‑
914.423.810.39/
‑
914.82410.19/
‑
915.124.29.99/
‑
915.424.49.79/
‑
915.624.69.69/
‑
915.624.89.59/
‑
915.6259.49/
‑
915.525.29.58/
‑
814.925.49.79/
‑
91425.610.59/
‑
912.8天线的阻抗带宽为22.75
‑
25.8ghz，增益带宽为22.7
‑
25.7ghz，因此该天线的工作带宽为22.75
‑
25.7ghz。带内天线的增益较为平稳。图4为天线在23.7ghz的e面（theta=0
°
）
方向图和h面（phi=9
°
）方向图。图5为天线在24.7ghz的e面（theta=0
°
）方向图和h面（phi=9
°
）方向图。图中的两个波束方向角度均为+9
°
和
‑9°
，副瓣较低， 3db波束宽度窄，主波束集中。同时，随着频率的变化，其方向图较为稳定。
28.除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。