基于人工表面等离子体激元的小型化天线研究
发布时间：2020-10-11 18:32
人工表面等离子体激元(Spoof Surface Plasmon Polaritons,简称SSPPs)是一种在金属表面结构上传输的表面波电磁模式,并且长期以来被广泛应用在基于行波传输理论的传输线、微波器件和天线上,而将SSPPs作为谐振结构引入驻波天线的研究却未见报道。基于此,本文对基于SSPPs结构的天线设计进行了拓展,研究并设计了基于SSPPs结构的三种驻波天线。相比于对应的传统天线结构而言,所提出的天线在保持天线性能的同时,具有显著的小型化和易集成化的优势。本文的主要研究内容和创新点如下:1、研究了SSPPs传输线的单元齿长h和SSPPs模式的相移常数β之间的关系。在此基础上,设计了工作频点在2.4 GHz的基于SSPPs的新型偶极子天线,并分析了此SSPPs偶极子天线的两种谐振模次(奇次模和偶次模)的输入阻抗特性,并设计出对应的通用馈电结构。与各个谐振模次的传统偶极子天线相比,SSPPs偶极子天线的天线增益基本都不变,但奇次模和偶次模天线的振子臂长分别都减少了24%和33.5%左右。本文选取半波、全波、3次模和4次模的SSPPs偶极子天线进行了加工和测试,实测结果和仿真结果具有较好的一致性,从而验证了所设计的SSPPs天线的性能。2、设计了基于SSPPs的新型八木天线,工作频点在3 GHz。首先,在确定的SSPPs激励源的情况下,讨论了 SSPPs引向器个数、间距与天线增益的关系,初步完成了 SSPPs引向器模块的设计。其次,根据SSPPs传输线表面电场分布规律,并参照已得到的β与h的关系,设计出新型的SSPPs共面八木天线馈电结构。与对应的传统八木天线相比,激励源和引向器的振子尺寸分别减少了32%和27%,天线整体结构的宽度W和长度L分别减少了0.17λ0和0.2λ0,同时天线增益G增加了 1.9dB。3、设计了在短振子端和长振子端馈电的基于SSPPs的新型对数周期天线。首先通过已有的对数周期天线比例因子τ和间隔因子δ的关系,初步确定了工作在2～12 GHz的对数周期天线的结构参数;其次根据已得到的与h的关系,并经过实验仿真优化,完成了 SSPPs的对数周期天线的设计;最后与传统对数周期天线相比,在短振子端和长振子端馈电的天线最长对称振子长度大约减少了 39.4%和34.5%,天线结构更加紧凑,但天线增益基本保持不变。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820
【部分图文】：
表面等离子体激元（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＰｏｌａｒｉｔｉｏｎｓ，简称ＳＰＰｓ）是光子和质子与??金属等离子体激元在金属表面发生共振，产生的一种ＴＭ形式的表面等离子波模??式，其表面电磁场分布如图１－１所示［ｎ，从图中可以看出，ＳＰＰｓ沿着分界面向ｘ??轴正方向传播。另外ＳＰＰｓ在传播过程中表现出来的亚波长、低传输损耗以及对传??输场的强束缚性等特点为光学器件小型化提供了一种可能，由此吸引了国内外众??多科研工作者的关注，并随之报道了许多基于ＳＰＰｓ的光学器件的研宄。然而，在??微波、毫米波和ＴＨｚ波段内，金属近似为理想导体［２４，无法形成有效的表面电子??集体振荡，导致很难观测到ＳＰＰｓ现象，使得ＳＰＰｓ在这些频段的研究长期处于空??白。??Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?［??＋＋＋?＋＋＋?＾??Ｍｅｔａｌ??图１－１光频段ＳＰＰｓ表面电磁场分布图［１］〇??Ｆｉｇ．?１－１?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＳＰＰｓ?ｉｎ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｂａｎｄ［｜Ｊ．??２〇〇４年，Ｐｅｎｄｒｙ教授等人在实验中发现，通过在金属表面刻蚀周期性分布的??亚波长“孔”或“槽”阵列，能够在微波频段观察到类似于光频段的ＳＰＰｓ的表面??电磁场模式１４］，填补了?ＳＰＰｓ在其它频段长期的研宄空白，并将该表面电磁波模式??叫做人工ＳＰＰｓ?（ｓｐｏｏｆ?ＳＰＰｓ
?誠爹１??图１－２微波频段ＳＳＰＰｓ结构图［４］。??Ｆｉｇ．?１－２?ＳＳＰＰｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｉｎ?ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?ｂａｎｄ［４ｌ??紧跟着在２００５年，Ｈｉｂｂｉｎｓ等人在微波频段利用新设计的实验装置验证了??Ｐｅｎｄｒｙ教授提出的ＳＳＰＰｓ的理论推导［｜８】，证明了?ＳＳＰＰｓ模式和ＳＰＰｓ模式具有等??效的色散曲线图，推动了?ＳＳＰＰｓ结构的研究。接着２００８年，Ｗｉｌｌｉａｍｓ等人提出了??太赫兹（ＴＨｚ）频段对应的ＳＳＰＰｓ结构，同时通过实验证实了此结构在ＴＨｚ频段??实现了类似光频段的ＳＰＰｓ模式［１９１，结构示意图如图１－３所示，对比Ｐｅｎｄｒｙ教授提??出的微波频段的ＳＳＰＰｓ结构［１］，可发现此ＳＳＰＰｓ结构也是通过刻蚀亚波长结构实??现的ＳＰＰｓ模式，但是区别与文献［１］的是，此结构不是利用通孔实现的。??１??图１－３在ＴＨｚ频段验证存在人工ＳＰＰｓ所用的结构［１９】。??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｐｏｏｆ?ＳＰＰｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｉｓ?ｖｅｒｉｆｉｅｄ?ｆｏｒ?ＴＨｚ?ｂａｎｄ＂９】．??随着各种频段的人工表面等离子体激元结构得到实验验证后
北京交通大学硕士学位论文???２０１３年，崔铁军教授团队提出了一种超薄的平面ＳＳＰＰｓ波导结构，如图１－４所示，??该结构能够直接在柔软的ＰＣＢ板上刻蚀，并且当该结构所依附的ＰＣＢ板发生各种??形变时，此波导仍保持良好的ＳＳＰＰｓ传播特性［２３］。这样设计原理的提出大大推动??了平面ＳＳＰＰｓ结构的研宄，为之后基于此结构的研宄提出了基本的设计思路。??
【参考文献】
本文编号：2836963
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN820
【部分图文】：
表面等离子体激元（ＳｕｒｆａｃｅＰｌａｓｍｏｎＰｏｌａｒｉｔｉｏｎｓ，简称ＳＰＰｓ）是光子和质子与??金属等离子体激元在金属表面发生共振，产生的一种ＴＭ形式的表面等离子波模??式，其表面电磁场分布如图１－１所示［ｎ，从图中可以看出，ＳＰＰｓ沿着分界面向ｘ??轴正方向传播。另外ＳＰＰｓ在传播过程中表现出来的亚波长、低传输损耗以及对传??输场的强束缚性等特点为光学器件小型化提供了一种可能，由此吸引了国内外众??多科研工作者的关注，并随之报道了许多基于ＳＰＰｓ的光学器件的研宄。然而，在??微波、毫米波和ＴＨｚ波段内，金属近似为理想导体［２４，无法形成有效的表面电子??集体振荡，导致很难观测到ＳＰＰｓ现象，使得ＳＰＰｓ在这些频段的研究长期处于空??白。??Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ?［??＋＋＋?＋＋＋?＾??Ｍｅｔａｌ??图１－１光频段ＳＰＰｓ表面电磁场分布图［１］〇??Ｆｉｇ．?１－１?Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ?ｆｉｅｌｄ?ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ?ｏｆ?ＳＰＰｓ?ｉｎ?ｏｐｔｉｃａｌ?ｂａｎｄ［｜Ｊ．??２〇〇４年，Ｐｅｎｄｒｙ教授等人在实验中发现，通过在金属表面刻蚀周期性分布的??亚波长“孔”或“槽”阵列，能够在微波频段观察到类似于光频段的ＳＰＰｓ的表面??电磁场模式１４］，填补了?ＳＰＰｓ在其它频段长期的研宄空白，并将该表面电磁波模式??叫做人工ＳＰＰｓ?（ｓｐｏｏｆ?ＳＰＰｓ
?誠爹１??图１－２微波频段ＳＳＰＰｓ结构图［４］。??Ｆｉｇ．?１－２?ＳＳＰＰｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｉｎ?ｍｉｃｒｏｗａｖｅ?ｂａｎｄ［４ｌ??紧跟着在２００５年，Ｈｉｂｂｉｎｓ等人在微波频段利用新设计的实验装置验证了??Ｐｅｎｄｒｙ教授提出的ＳＳＰＰｓ的理论推导［｜８】，证明了?ＳＳＰＰｓ模式和ＳＰＰｓ模式具有等??效的色散曲线图，推动了?ＳＳＰＰｓ结构的研究。接着２００８年，Ｗｉｌｌｉａｍｓ等人提出了??太赫兹（ＴＨｚ）频段对应的ＳＳＰＰｓ结构，同时通过实验证实了此结构在ＴＨｚ频段??实现了类似光频段的ＳＰＰｓ模式［１９１，结构示意图如图１－３所示，对比Ｐｅｎｄｒｙ教授提??出的微波频段的ＳＳＰＰｓ结构［１］，可发现此ＳＳＰＰｓ结构也是通过刻蚀亚波长结构实??现的ＳＰＰｓ模式，但是区别与文献［１］的是，此结构不是利用通孔实现的。??１??图１－３在ＴＨｚ频段验证存在人工ＳＰＰｓ所用的结构［１９】。??Ｆｉｇ．?１－３?Ｓｐｏｏｆ?ＳＰＰｓ?ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ?ｉｓ?ｖｅｒｉｆｉｅｄ?ｆｏｒ?ＴＨｚ?ｂａｎｄ＂９】．??随着各种频段的人工表面等离子体激元结构得到实验验证后
北京交通大学硕士学位论文???２０１３年，崔铁军教授团队提出了一种超薄的平面ＳＳＰＰｓ波导结构，如图１－４所示，??该结构能够直接在柔软的ＰＣＢ板上刻蚀，并且当该结构所依附的ＰＣＢ板发生各种??形变时，此波导仍保持良好的ＳＳＰＰｓ传播特性［２３］。这样设计原理的提出大大推动??了平面ＳＳＰＰｓ结构的研宄，为之后基于此结构的研宄提出了基本的设计思路。??
【参考文献】
相关博士学位论文 前1条
1 李铮;行波结构辐射机理及新型漏波天线研究[D];北京交通大学;2012年
相关硕士学位论文 前3条
1 孔故生;人工表面等离激元的辐射调控研究[D];东南大学;2016年
2 周亮;人工表面等离子体结构的研究及应用[D];桂林电子科技大学;2015年
3 田志勇;电磁兼容宽带测量线天线研究[D];西安电子科技大学;2011年
本文编号：2836963
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