[发明专利]基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵

说明书

基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵，包括微带人工表面等离激元天线阵列和超表面。微带人工表面等离激元天线阵列包括三个微带人工表面等离激元天线单元。微带人工表面等离激元天线单元包括微带结构馈电部分、上层金属线带孔的微带辐射部分和一系列金属通。超表面包括若干个矩形金属环和圆形金属贴片。本发明的波束扫描天线阵，通过在微带线的上金属层开孔结构，成功将准TEM波转化成TM波，并利用其高次模特性，实现了宽角度的波束扫描的性能；通过将其组成阵列结构，实现了高增益的性能；通过在阵列天线上放置超表面结构，来进一步拓宽天线阵列的波束扫描角度；相比传统的波束扫描天线，具有更高的增益以及波束扫描的角度。

技术领域

本发明涉及波束扫描天线，具体涉及一种基于超表面与人工表面等离激元的宽角度波束扫描天线阵。

背景技术

近些年来，随着无线通信技术的迅速发展，宽角度波束扫描天线在通信系统中发挥着越来越重要的作用。人工表面等离激元(Spoof surface plasmon polarons,SSPPs)是由金属中自由电子与光耦合而产生的电磁波，它继承了表面等离激元(SPPs)的大部分优异性能，如场约束性和非衍射极限等。随着科学研究的发展，各种各样的SSPPs被提出应用于实际之中。

SSPPs波是一种慢波模式，不会将能量辐射到自由空间中去。为了将这种慢波辐射到自由空间中，Yin等人设计的锥形结构“Direct radiations of surface plasmonpolariton waves by gradient groove depth and flaring metal structure”在IEEEAntennas Wireless Propag.Lett.(2016,15:865–868)上发表；Yin等人设计的负载谐振单元结构“Frequency-controlled broad-angle beam scanning of patch array fed byspoof surface plasmon polaritons”在IEEE Trans.Antennas Propag.(2016,64(12):5181–5189.)上发表；Zheng等人设计的周期性漏波天线“High-gain and widebandantenna arrays:Introducing three patch antenna arrays to show the advantagesof SPPWs used in a feed network”在IEEE Antennas Propag.Mag.(2016,58(40):22–34)上发表。最近，Wang等人在Appl.Phys.Lett.,(2018,113(7):071101)上发表的“Anultra-thin coplanar waveguide filter based on the spoof surface plasmonpolaritons”中提出了一种新的SSPPs设计，它利用在金属线上蚀刻的周期性孔阵列实现了准TEM模式向TM模式的转化，并实现了高效，多频带等性能，同时移除了传统的模式转化结构来实现了小型化的特性。该设计概念也许可以很好的将SSPPs波激发辐射到自由空间中。

目前，大部分的波束扫描天线都是基于提出的扩口地共面波导来激励和利用渐变的齿轮状结构作为馈电结构，通过激励圆形金属贴片等结构来实现波束扫描特性。然而这些设计不利于波束扫描角度和带宽的提高。于是，Wang等人在文献IEEE Trans.AntennasPropag.(2020,68(11):7652-7657)“Wide-angle frequency beam scanning antennabased on the higher-order modes of spoof surface plasmon polariton”中提出了基于共面波导的波束扫描天线，该结构虽然实现了宽角度的波束扫描角度，然而却不利于组成阵列。如今随着微波技术的快速发展，对波束扫描天线的带宽、波束扫描角度，天线增益等要求也不断的提高。因此如何设计出满足宽带宽、宽波束扫描角、高增益等特点的波束扫描天线成为目前研究热点和难点。

发明内容