一种高纯度圆极化扫描漏波天线及其实现方法

本发明涉及微波，具体涉及一种高纯度圆极化扫描漏波天线及其实现方法。

背景技术：

1、圆极化是电磁波的一种极化方式，其电场矢量轨迹随着时间变化呈圆周状态。圆极化可以分为右旋极化和左旋极化两种类型，电场矢量随着时间变化分别按顺时针和逆时针方向旋转。相比于线极化波，圆极化波具有旋向正交性，抗干扰能力强，抗多径衰落，无需极化对准及匹配等优点，可以提供更高的信号传输可靠性。对于移动设备而言，圆极化波对自身的物理运动和电磁波传播过程中产生的极化旋转等变化不敏感，无需考虑接收信号与自身天线方向，可以进一步提高信道信号的可靠性与稳定性，在实际应用中具有显著优势。

2、天线作为实现导波与自由空间波之间能量转换的基本装置，在通信系统中不可或缺。信息时代的快速发展促进了天线技术的提升和拓展，而圆极化天线因其极化灵活性、支持多用户通信、抗多径衰落、降低极化匹配损耗和可消除法拉第旋转效应的优势，在无线通信、车载雷达和卫星等系统中发挥着不可替代的作用。与其他种类的天线相比，漏波天线具有结构简单、易于加工、易于集成、高方向性及随频率扫描波束的优点，因而应用广泛。然而，现有的圆极化天线大多基于微带天线、螺旋天线、天线阵列或超表面等结构设计，以进一步投入应用。尽管目前圆极化天线设计已相对成熟，但仍存在调谐困难、圆极化程度不高、工作带宽窄和结构复杂等问题，需要进一步提升。

技术实现思路

1、针对以上现有技术存在的问题，本发明提出了一种高纯度圆极化扫描漏波天线及其实现方法，通过在金属光栅表面激励起微波频段表面等离激元，并在光栅的一侧设置耦合结构，实现倏逝波的波矢匹配，成功地将强局附表面波耦合，形成高纯度圆极化的辐射，在实现超高圆极化辐射的同时，实现频率控制的波束扫描的功能。

2、在本发明中，沿传播方向称为端，垂直于传播方向称为侧。

3、本发明的一个目的在于提出一种高纯度圆极化扫描漏波天线。

4、本发明的高纯度圆极化扫描漏波天线包括：介质基底、共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构；其中，共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构分别为金属贴片，设置在介质基底的表面，金属贴片的表面平行于基底的表面；共面波导传输线、渐变段和等离激元波导为连接为一体的金属贴片；沿传播方向，等离激元波导位于中间，等离激元波导的两端分别设置对称的渐变段，两个渐变段的外端分别设置对称的共面波导传输线；等离激元波导为一组槽深一致的矩形光栅，即在矩形金属贴片的两侧刻蚀周期结构的深度一致的凹槽，矩形的长边沿传播方向；渐变段为深度渐变矩形光栅，即在矩形金属贴片的两侧刻蚀周期性的深度从外向内逐渐变深的凹槽，深度渐变矩形光栅的凹槽的周期与等离激元波导的矩形光栅的周期相同；在等离激元波导的一侧设置耦合结构，耦合结构为一维周期性的圆形金属贴片阵列，圆形金属贴片阵列的周期为两倍的等离激元波导的周期；在连接为一体的共面波导传输线、渐变段和等离激元波导的两端的上下两侧分别设置有对称的扩口地面结构；扩口地面结构的外侧边缘分别平行于传播方向，外端的内侧边缘与共面波导传输线的外侧边缘有距离，内端的内侧边缘为曲线，曲线的起始点沿传播方向与渐变段的外端对齐，曲线的终点交叉至外侧边缘；扩口地面结构通过微型同轴连接器(subminiature version a，sma)接头连接至地；

5、外部馈入的微波信号通过sma接头传输至共面波导传输线，在共面波导传输线中以导波模式传输至渐变段；共面波导传输线中的导波模式激励起渐变段的人工表面等离激元(spoof surface plasmon，ssp)，渐变段将馈入信号从导波模式转换至表面等离激元模式，传输至等离激元波导；等离激元波导内以表面等离激元模式传播；ssp作为倏逝波，平面内电场分量存在固有相位差，使得ssp在传播中呈现自旋特性，这种自旋特性具有强鲁棒性，ssp的自旋方向仅与ssp的传播方向和衰减方向有关，三者形成一个右手三联体，确定ssp的传播方向和倏逝波的衰减方向就能够唯一确定ssp在该区域内展现的自旋特性，ssp对应的电场自身是旋转的，具有高纯度圆极化；耦合结构对倏逝波的ssp进行波矢匹配，当ssp的空间谐波波矢与自由空间波矢在辐射频段内匹配时，强局附在等离激元波导表面的ssp转化为向自由空间辐射的波束，将高纯度圆极化的等离激元模式转换成向自由空间高纯度圆极化的辐射；在实现向自由空间高纯度圆极化辐射的同时，不同频率下高纯度圆极化扫描漏波天线的辐射角度不同，实现频率控制的波束扫描的功能；辐射波束直接通过波矢匹配耦合辐射，极大程度保留了ssp自身的自旋特性，使得辐射的圆极化程度极高；通过另一端的渐变段和共面波导传输线形成回路。

6、本发明的高纯度圆极化扫描漏波天线中，耦合结构作为主要辐射结构。由于耦合结构中的各个圆形金属贴片位置不同，导致ssp对于耦合结构中各个圆形金属贴片的馈电相位不同，馈电相位与圆形金属贴片所在的位置与自由空间中的波数有关，自由空间中的波数与频率有关，因此显示出不同的频率对应不同的辐射角度，因此实现漏波天线频率控制的波束扫描功能。馈电相位差其中，为第n个圆形金属贴片的相位差，k0为自由空间的波数，pc为圆形金属贴片阵列的周期；θ为辐射角度，n＝1,…,n，n为耦合结构中圆形金属贴片的总个数。

7、共面波导传输线包括连接为一体的馈源段和过渡段；其中，馈电段为矩形，过渡段的宽度沿着传播方向逐渐变宽，过渡段一端的宽度等于馈电段的宽度，另一端的宽度大于馈源段的宽度。

8、扩口地面结构的外端的内侧边缘的曲线满足：y＝c1eαx+c2,xa＜x＜xb

9、其中，c1和c2分别为系数，两个系数分别利用曲线的起点和终点计算获得，xa和xb分别为曲线的起点和终点的横坐标，α为指数，指数α＝0.1。

10、共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构的厚度和材料均一致，厚度为0.4～0.6mm；材料采用金属，如金、银、铝或铜。

11、天线对外辐射的波束的圆极化旋性与结构面内ssp的旋性完全一致。当耦合结构位于电磁波传播方向左侧时，根据自旋特性判断出激励起的ssp以逆时针方向旋转，由ssp转换辐射至自由空间的波束的旋性与面内ssp旋性一致，呈右旋圆极化；同理，当耦合结构位于电磁波传播方向右侧时，ssp以顺时针方向旋转，辐射至自由空间的波束呈左旋圆极化。该特性仅与传播方向和衰减方向有关，而与其他变量无关，因此具有鲁棒性。

12、本发明的另一个目的在于提出一种高纯度圆极化扫描漏波天线的实现方法。

13、本发明的高纯度圆极化扫描漏波天线的实现方法，包括以下步骤：

14、1)外部馈入的微波信号通过sma接头传输至共面波导传输线，在共面波导传输线中以导波模式传输至渐变段；

15、2)共面波导传输线中的导波模式激励起渐变段的人工表面等离激元ssp，渐变段将馈入信号从导波模式转换至表面等离激元模式，传输至等离激元波导；

16、3)等离激元波导内以表面等离激元模式传播；ssp作为倏逝波，平面内电场分量存在固有相位差，使得ssp在传播中呈现自旋特性，这种自旋特性具有强鲁棒性，ssp的自旋方向仅与ssp的传播方向和衰减方向有关，三者形成一个右手三联体，确定ssp的传播方向和倏逝波的衰减方向就能够唯一确定ssp在该区域内展现的自旋特性，ssp对应的电场自身是旋转的，具有高纯度圆极化；

17、4)耦合结构对倏逝波的ssp进行波矢匹配，当ssp的空间谐波波矢与自由空间波矢在辐射频段内匹配时，强局附在等离激元波导表面的ssp转化为向自由空间辐射的波束，将高纯度圆极化的等离激元模式转换成向自由空间高纯度圆极化的辐射；

18、5)不同频率下高纯度圆极化扫描漏波天线的辐射角度不同，实现频率控制的波束扫描的功能；辐射波束直接通过波矢匹配耦合辐射，极大程度保留了ssp自身的自旋特性，使得辐射的圆极化程度极高；

19、6)通过另一端的渐变段和共面波导传输线形成回路。

20、本发明的优点：

21、本发明基于ssp的自旋特性，实现了微波频段的高纯度扫描圆极化漏波天线；通过在支持ssp的表面等离激元波导的单侧设置由一维周期性的圆形金属贴片阵列构成的耦合结构，直接产生和面内ssp旋性一致的波束；规避了复杂的结构设计，体积小，平板结构易于加工且便于集成本发明从ssp的内在秉性出发，最大程度降低了外界因素干扰，大大提升了辐射波束的圆极化程度并具有极强的鲁棒性；圆形金属贴片阵列之间的相位差也是该结构能实现波束扫描的根本原因；本发明在圆极化漏波天线应用场景具有显著的潜力；本发明简便而高效，有望在微波及太赫兹频段的基于表面等离激元的集成电路和通信系统中有着重要的前景。

技术特征：

1.一种高纯度圆极化扫描漏波天线，其特征在于，所述高纯度圆极化扫描漏波天线包括：介质基底、共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构；其中，共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构分别为金属贴片，设置在介质基底的表面，金属贴片的表面平行于基底的表面；共面波导传输线、渐变段和等离激元波导为连接为一体的金属贴片；沿传播方向，等离激元波导位于中间，等离激元波导的两端分别设置对称的渐变段，两个渐变段的外端分别设置对称的共面波导传输线；等离激元波导为一组槽深一致的矩形光栅，即在矩形金属贴片的两侧刻蚀周期结构的深度一致的凹槽，矩形的长边沿传播方向；渐变段为深度渐变矩形光栅，即在矩形金属贴片的两侧刻蚀周期性的深度从外向内逐渐变深的凹槽，深度渐变矩形光栅的凹槽的周期与等离激元波导的矩形光栅的周期相同；在等离激元波导的一侧设置耦合结构，耦合结构为一维周期性的圆形金属贴片阵列，圆形金属贴片阵列的周期为两倍的等离激元波导的周期；在连接为一体的共面波导传输线、渐变段和等离激元波导的两端的上下两侧分别设置有对称的扩口地面结构；扩口地面结构的外侧边缘分别平行于传播方向，外端的内侧边缘与共面波导传输线的外侧边缘有距离，内端的内侧边缘为曲线，曲线的起点沿传播方向与渐变段的外端对齐，曲线的终点交叉至外侧边缘；扩口地面结构通过微型同轴连接器sma接头连接至地；；

2.如权利要求1所述的高纯度圆极化扫描漏波天线，其特征在于，对外辐射的波束的圆极化旋性与结构面内ssp的旋性完全一致。

3.如权利要求1所述的高纯度圆极化扫描漏波天线，其特征在于，所述共面波导传输线包括连接为一体的馈源段和过渡段；其中，馈电段为矩形，过渡段的宽度沿着传播方向逐渐变宽，过渡段一端的宽度等于馈电段的宽度，另一端的宽度大于馈源段的宽度。

4.如权利要求1所述的高纯度圆极化扫描漏波天线，其特征在于，所述扩口地面结构的外端的内侧边缘的曲线满足：y＝c1eαx+c2,xa＜x＜xb

5.如权利要求1所述的高纯度圆极化扫描漏波天线，其特征在于，所述共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构的厚度一致，厚度为0.4～0.6mm。

6.如权利要求1所述的高纯度圆极化扫描漏波天线，其特征在于，所述共面波导传输线、渐变段、等离激元波导、扩口地面结构和耦合结构的材料采用金、银、铝或铜。

7.一种如权利要求1所述的高纯度圆极化扫描漏波天线的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，当耦合结构位于电磁波传播方向左侧时，根据自旋特性判断出激励起的ssp以逆时针方向旋转，由ssp转换辐射至自由空间的波束的旋性与面内ssp旋性一致，呈右旋圆极化；同理，当耦合结构位于电磁波传播方向右侧时，ssp以顺时针方向旋转，辐射至自由空间的波束呈左旋圆极化。

技术总结
本发明公开了一种高纯度圆极化扫描漏波天线及其实现方法。本发明基于SSP的自旋特性，实现了微波频段的高纯度扫描圆极化漏波天线；通过在支持SSP的表面等离激元波导的单侧设置由一维周期性的圆形金属贴片构成的耦合结构，直接产生和面内SSP旋性一致的波束；规避了复杂的结构设计，体积小，平板结构易于加工且便于集成本发明从SSP的内在秉性出发，最大程度降低了外界因素干扰，提升了辐射波束的圆极化程度并具有极强的鲁棒性；各个圆形金属贴片之间的相位差也是该结构能实现波束扫描的根本原因；本发明在圆极化漏波天线应用场景具有显著的潜力；本发明简便而高效，有望在微波及太赫兹频段的基于表面等离激元的集成电路和通信系统中有着重要的前景。

技术研发人员：杜朝海,雷于露,张锋,杨积涛
受保护的技术使用者：北京大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23