基于仿局域表面等離激元的亞波長天線及其陣列的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線及其陣列，天線單元由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構、上層介質層、微帶線金屬貼片、下層介質層及金屬地板，所述刻槽金屬圓環結構、上層介質層、微帶線金屬貼片、下層介質層及金屬地板之間相互貼合。天線陣列單元與單元間距為亞波長尺寸。本發明具有尺寸小（亞波長）、重量輕、成本低、增益較高等優點，適合應用于無線能量收集系統，為WSN和RFID等電子設備供電。
【專利說明】
基于仿局域表面等離激元的亞波長天線及其陣列
技術領域
[0001]本發明涉及一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線及其陣列，屬于新型人工電磁材料、能量收集與回收技術領域，該天線及其陣列可應用于物聯網、射頻識別(RFID)和無線傳感器網絡(WSN)等領域。
【背景技術】
[0002]作為物聯網的兩大核心技術，射頻識別(RFID)和無線傳感器網絡(WSN)已得到國際上學術界和企業界的高度關注，各國政府部門亦積極推進物聯網的發展。WSN和RFID等物聯網技術已應用于各個領域:如國防安全、空間探測、環境監測等。RFID、WSN節點分布范圍廣、數量多、或工作于不可及的特殊環境中，無線能量收集技術回收利用自由空間的電磁能量，將其轉換成直流能量為電子設備供電，延長其生命周期、拓寬應用范圍的關鍵技術。環境電磁能量存在功率密度低且變化范圍寬(-27?10dBm/m2)、頻帶多等特點。為了有效利用空間任意電磁能量，收集天線需要同時滿足較高增益、多頻帶和較大的半功率波瓣寬度等指標。而常規天線的帶寬和增益決定于它的幾何結構及尺寸，較高增益往往意味著較大尺寸。這時相比于整流電路、能量管理和存儲、傳感器等模塊，收集天線的尺寸過于龐大，對于具有成百上千節點的無線傳感器網絡來說，這種龐大的天線是不切實際的。
[0003]超材料(新型人工電磁材料)是電磁學中新興的研究領域，由一系列設計的結構單元在亞波長尺度上按照一定規律排列構成。近些年超材料得到了長足的發展，在天線和微波器件等方面都有廣泛的應用。基于仿表面等離激元超材料能夠在低頻段實現電磁波的亞波長束縛，從而實現小型化、集成化的微波器件和天線。本發明提出了一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線及其陣列，具有尺寸小(亞波長)、重量輕、成本低、增益較高等優點，適合應用于無線能量收集系統，為WSN和RFID等電子設備供電。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于針對現有技術存在的不足，提出一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線及其陣列.為達到上述目的，本發明采用如下技術方案:
一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線，由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構、上層介質層、微帶線金屬貼片、下層介質層及金屬地板，所述刻槽金屬圓環結構、上層介質層、微帶線金屬貼片、下層介質層及金屬地板之間相互貼合。
[0005]所述刻槽金屬圓環結構上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環形結構分為內外凹槽兩部分，內外凹槽由槽深相同的直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似扇型結構。
[0006]在上層介質層，下層介質層之間設有微帶線金屬貼片，所述微帶線金屬貼片由一條短金屬貼片和置于短金屬貼片末端的圓形結構組合而成，所述圓形結構與環形結構的內圓內切。
[0007]—種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線陣列，由上述的若干基于仿局域表面等離激元的亞波長天線為陣元構成，每個陣元的微帶線金屬貼片通過天線陣列饋電網絡連接，多個陣元在同一平面上成一直線排列。
[0008]本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著技術進步:
本發明在900MHz、1.8GHz和2.45GHz天線增益分別為3.78dBi，1.3dBi和6.16dBi，其尺寸為60mm*75mm，即0.18λ*0.23λ(相對于最低工作頻率900MHz的波長)；在900MHz、1.8GHz和2.456泡天線陣列增益分別為4.84(18丨，5(18丨和8.19(18丨，其尺寸為120111111*85111111，8卩0.36入*
0.26λ，天線陣元間距為60mm，即0.18λ，所以本發明具有尺寸小(亞波長)、重量輕、成本低、
增益較高等優點。
【附圖說明】
[0009]圖1是本發明天線俯視圖。
[0010]圖2是本發明天線陣列俯視圖。
[0011]圖3是本發明天線側視圖。
[0012]圖4是本發明天線單元的方向圖。
[0013]圖5是本發明天線陣列的方向圖。
[OOM]其中1-刻槽金屬圓環結構，2-上層介質層，3-刻槽金屬帶的凹槽寬度，4-刻槽金屬帶的凹槽間隔，5-刻槽金屬帶的凹槽長度，6-環形結構，7-環形結構的間隔，8-微帶線金屬貼片，9-圓形結構，10-介質層的寬度，11-介質層的長度，12-天線陣元間距，13-天線陣列饋電網絡，14-下層介質層，15-金屬地板，16-刻槽金屬圓環結構以及金屬地板的厚度，17-上層介質板及下層介質板的厚度。
【具體實施方式】
[0015]下面結合附圖和優選實施例，對本發明做進一步闡述。
[0016]參見圖1、圖2和圖3，一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線，由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構1、上層介質層2、微帶線金屬貼片8、下層介質層14及金屬地板15，所述刻槽金屬圓環結構1、上層介質層2、微帶線金屬貼片8、下層介質層14及金屬地板15之間相互貼合。
[0017]所述刻槽金屬圓環結構I上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環形結構6分為內外凹槽兩部分，內外凹槽由槽深相同的直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似扇型結構。
[0018]在上層介質層2，下層介質層14之間設有微帶線金屬貼片8，所述微帶線金屬貼片8由一條短金屬貼片和置于短金屬貼片末端的圓形結構9組合而成，所述圓形結構9與環形結構6的內圓內切。
[0019]一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線陣列，由上述的若干基于仿局域表面等離激元的亞波長天線為陣元構成，每個陣元的微帶線金屬貼片8通過天線陣列饋電網絡13連接，多個陣元在同一平面上成一直線排列。
[0020]本實施例中刻槽金屬帶的凹槽寬度3為1.13mm、刻槽金屬帶的凹槽間隔4為2.82mm、刻槽金屬帶的凹槽長度5為8.8mm，環形結構的間隔7為1mm，上層介質板及下層介質板的厚度17為1.524mm。采用微帶線金屬貼片8作為激勵來激發上層介質層2上刻槽金屬圓環結構I中的人工局域表面等離激元。其中微帶線金屬貼片8末端的圓形結構9是為了使更多的電磁波耦合到刻槽金屬圓環結構I上，刻槽金屬圓環結構以及金屬地板的厚度16為
0.018mm，非常小，介質層的寬度10和介質層的長度11分別是60和75mm，分別為0.2λ和0.25入，天線陣元間距12為60mm，為0.2λ(相對于最低工作頻率900MHz的波長)。
[0021 ] 如圖4所示，本發明的天線單元結構方向圖，(a)900MHz天線最大增益3.78dBi，(b)
1.8GHz天線最大增益為1.3dBi，(c)2.45GHz天線的最大增益6.16dBi。
[0022]如圖5所示，本發明的天線陣列結構方向圖，(a)900MHz天線最大增益4.84dBi，(b)
1.8GHz天線最大增益為5dBi，(c)2.45GHz天線的最大增益8.19dBi。
[0023]本發明具有尺寸小(亞波長)、重量輕、成本低、增益較高等優點，適合應用于無線能量收集系統，為WSN和RFID等電子設備供電。
【主權項】
1.一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線，其特征在于:由上至下依次包括刻槽金屬圓環結構(I)、上層介質層(2)、微帶線金屬貼片(8)、下層介質層(14)及金屬地板(15)，所述刻槽金屬圓環結構(I)、上層介質層(2)、微帶線金屬貼片(8)、下層介質層(14)及金屬地板(15)之間相互貼合。2.根據權利要求1所述的基于仿局域表面等離激元的亞波長天線，其特征在于:所述刻槽金屬圓環結構(I)上刻蝕沿圓周方向均勻分布的凹槽，被環形結構(6)分為內外凹槽兩部分，內外凹槽由槽深相同的直凹槽組成，剩余金屬部分呈近似扇型結構。3.根據權利要求1所述的基于仿局域表面等離激元的亞波長天線，其特征在于:在上層介質層(2)，下層介質層(14)之間設有微帶線金屬貼片(8)，所述微帶線金屬貼片(8)由一條短金屬貼片和置于短金屬貼片末端的圓形結構(9)組合而成，所述圓形結構(9)與環形結構(6)的內圓內切。4.一種基于仿局域表面等離激元的亞波長天線陣列，其特征在于，由權利要求1或2或3所述的若干基于仿局域表面等離激元的亞波長天線為陣元構成，每個陣元的微帶線金屬貼片(8)通過天線陣列饋電網絡(13)連接，多個陣元在同一平面上成一直線排列。
【文檔編號】H01Q21/08GK105870615SQ201610216170
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月11日
【發明人】周永金, 肖前循
【申請人】上海大學