[发明专利]一种互补人工表面等离激元漏波频扫天线

说明书

本发明公开了一种互补人工表面等离激元漏波频扫天线，本发明匹配单元、互补人工表面等离激元传输线和漏波辐射段设置在介质基板的一侧，微带馈线设置在介质基板的另一侧；漏波辐射段两端分别连接两段互补人工表面等离激元传输线的一端，两个互补人工表面等离激元传输线的另一端对称设置有匹配单元；两个微带馈线分别与两个匹配单元连接；漏波辐射段采取复合周期模式调制方案，实现了互补人工表面等离激元的高效辐射。本发明通过改变复合周期的变化规律，可以对频扫特性进行调控。本发明具有低串扰、高效特性，对介质基底的形变不敏感，可以被附着在圆锥等曲面表面，实现共形辐射。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料及漏波天线领域，尤其是一种互补人工表面等离激元漏波频扫天线。

背景技术

表面等离激元(Surface Plasmon polaritons)是一种近红外、光波段等高频段下，产生于金属和介质分界面的特殊电磁响应。该表面波模式的电场沿金属表面法向方向呈现指数规律衰减，具有高束缚、短工作波长、高频传播截止特性。因此该模式被广泛应用于突破衍射极限、高分辨率成像、电磁诱导透明、生物探测等领域。利用特定的超材料(Metamaterials)人工单元模拟高频段下金属非完美导体特性，实现了类似表面等离激元的表面波色散特性，该方法成功地将这种具有独特性质的表面波模式引入较低频段。人工表面等离激元高效激励的实现，大大促进了人工表面等离激元在工程应用中的发展。包括高效传输线、多波段及宽带滤波器、功分器、天线、定向传输、慢波局域束缚、功率放大器、混频器等一系列基于人工表面等离激元的有源、无源器件相继被提出。

漏波天线是一种利用导波结构中的行波信号作为辐射源的经典天线形式。漏波天线在不需要额外馈电网络的前提下，可提供窄波束频扫特性。但是人工表面等离激元作为一种近场高度束缚的模式，本身是无法直接实现辐射的。目前基于人工表面等离激元的辐射设计大多是通过该模式激励额外的辐射单元而实现。尤其是互补人工表面等离激元传输线，从其结构特征上难以实现对额外辐射单元的激励，不便于实现辐射系统。

漏波天线是一种信号在传播过程中实现辐射的导波结构。信号沿导波结构传播的过程中连续向自由空间泄漏能量。这要求该导波结构表面所激励起的电磁波是快波形式。即信号相位常数β<k₀。但互补人工表面等离激元是一种典型的漫波结构，其传播常数始终满足β'>k₀。因此，我们采取复合周期调制方案进行优化，使其满足快波辐射条件。选择一组槽深渐变的单元结构组成复合单元。由周期复合单元所产生的信号满足：

其中k_x,0＝β是均匀互补人工表面等离激元沿传播方向上的传播常数。k_x,n为复合单元结构所激励起的n阶谐波。D为复合单元周期。为保证单模辐射，需满足：

|k_x,-1|<k₀；

在漏波设计中，不同的人工表面等离激元设计束缚能力不尽相同，需要选取不同的单元参数以保证设计满足漏波辐射条件。

为了解决上述问题，申请人进行了深入的研究：微波段、太赫兹波段的人工表面等离激元是通过构建特定周期结构实现的具有类似于光波段下表面等离激元色散特性的表面波。从其色散特征曲线来看，随着工作频率的升高，人工表面等离激元的传播常数曲线始终位于光轴的右侧，并以一定的递进规律迅速增大，迅速远离光轴。因此人工表面等离激元的传播常数将远大于自由空间中电磁波的传播常数。按照电磁场理论及麦克斯韦方程推导可知，该模式在垂直于传播方向上的电场分量以指数规律迅速衰减。同样地，互补人工表面等离激元具备相似的特性。其近场能量将高度束缚着传输线结构表面附近，不能辐射。

发明内容

本发明的目的在于提供一种互补人工表面等离激元漏波频扫天线。