基于人工表面等离子体激元的传输线及漏波天线研究

摘要

人工表面等离子体激元(SpoofSurface Plasmon Polaritons,SSPPs)是一种色散特性与表面等离子体激元(Surface Plasmon Polaritons,SPPs)相似，在金属周期性结构表面传输的电磁波。SSPPs结构的优点是其色散特性和束缚电磁场的能力完全由结构的几何参量所决定。SSPPs提出后，已经在太赫兹及微波频段得到广泛的研究和应用。本论文主要对基于SSPPs的传输线及漏波天线进行研究。论文的主要研究内容如下： 第一，介绍了用于进行SSPPs结构色散特性分析的等效电路法及谐振法，并对比了不同方法之间的结果，阐述了不同方法获得结果的异同。随后，给出了SSPPs传输线损耗特性的获取方法，并验证了方法的有效性。 第二，提出了一种新型可集成的三维SSPPs传输线，其通过在金属条带上周期性的排布三维的铆钉状单元结构来实现电磁波的传输。首先，分析了传输线的色散特性、场分布、高次模式和传输特性。单元结构的色散特性可以通过多个几何参量调节，从而可以根据不同的应用场景进行设计。然后，仿真研究了传输线的导体损耗和介质损耗，并与典型的SSPPs传输线、微带线和共面波导进行了对比。传输线的导体损耗及介质损耗与单边梳状传输线及孔形传输线接近。最后，对传输线进行了加工与测试。传输线的测试结果与仿真结果接近，表明其可以支持SSPPs的传输。此外，通过改变金属条带的宽度可以构成全开放和半开放的传输结构，以适应不同类型的集成电路。 第三，提出了一种基于SSPPs结构及基片集成波导(SIW)结构的单层基片集成模式复合传输线。首先，分析了模式复合传输线内部及外表面的色散特性、场分布及传输特性，其内部和外表面的色散特性均可以通过多个几何参量来调节，使其具有很强的工程适用性。然后，讨论了传输线内部和外表面的电路模型，并通过对比验证了电路模型获取色散特性及传输特性的有效性。接着，仿真研究了内部和外表面传输线的导体损耗和介质损耗，并与典型的传输线进行了对比。内部传输线的导体损耗及介质损耗明显高于微带线和SIW，外表面传输线的导体损耗及介质损耗与双边梳状传输线及铆钉状传输线接近。最后，对内部及外表面传输线进行了加工与测试。传输线的测试结果与仿真结果基本吻合，内部传输线在5.5-10.0GHz范围内的插入损耗为1.77±0.64dB，外表面传输线在2.0-6.0GHz范围内的插入损耗为3.21±1.22dB。模式复合传输线充分利用了SIW和SSPPs的优势，其内部和外表面以不同模式传输。内部传输线适合作为高频传输线，而外表面传输线则适合作为低频传输线，且都具有良好的传输效果。模式复合传输线结构简单，易于加工与集成，在多频微波及无线通信系统中具有广阔的应用前景。 第四，对互补梳状单元和微带型互补梳状单元所支持的奇模和偶模SSPPs进行了研究。首先，分析了两种单元结构所支持的奇模和偶模的色散特性和电场分布，提出了不同的过渡结构并实现了互补梳状传输线和微带型互补梳状传输线的奇模和偶模传输。然后，对传输线进行了加工与测试。传输线的测试结果与仿真结果基本吻合，表明了所提出的过渡结构均实现了高效转换。测试结果表明，在3.0-10.0GHz范围内，奇模互补梳状传输线的插入损耗为2.58±1.67dB，奇模微带型互补梳状传输线的插入损耗为2.58±1.23dB。在5.0-16.0GHz范围内，第一种偶模互补梳状传输线的插入损耗为3.65±1.33dB，第二种偶模互补梳状传输线的插入损耗为3.60±1.25dB。在2.0-12.0GHz范围内，偶模微带型互补梳状传输线的插入损耗为1.66±1.18dB。接着，将缺陷地结构加载到微带型互补梳状传输线中，分析了相同缺陷地结构对奇模和偶模传输线的影响，并提出具有陷波特性的微带型互补梳状奇模及偶模传输线。最后，对具有陷波特性的奇模及偶模微带型互补梳状传输线进行加工与测试。传输线的测试结果与仿真结果基本吻合，奇模传输线的陷波频率为5.3GHz，偶模传输线的陷波频率为5.6GHz和9.2GHz。传输线的陷波频率由缺陷地的几何参量决定，具有占用电路面积小、集成度高的优点。 第五，提出了基于孔形传输线及正弦调制阻抗表面的SSPPs单波束及双波束漏波天线，其通过对孔形传输线的单元结构进行正弦调制来实现。首先，分析了所采用孔形传输线的色散特性及传输特性。然后，提出并研究了基于孔形传输线的单波束漏波天线，并将两种辐射角度不同的单波束漏波天线组合设计出了双波束的漏波天线。最后，对单波束及双波束漏波天线进行加工与测试，其测试结果与仿真结果接近。测试结果表明，单波束漏波天线在9.5GHz、10.0GHz及10.5GHz所对应的辐射方向角分别为15.71o、20.0o和25.71o，双波束漏波天线在9.5GHz、10.0GHz及10.5GHz时波束1所对应的辐射方向角分别为14.29o、18.57o和24.29o，波束2所对应的辐射方向角分别为22.86o、28.57o和32.86o。两款漏波天线均具有良好的波束定向性及频率扫描特性，可以应用于导航系统及封闭建筑物内的通信系统中，并为将来组建基于SSPPs的系统奠定了基础。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要工作及创新

1.3.1 本文的主要工作

1.3.2 本文的主要创新

第二章 基本理论与研究方法

2.1 引言

2.2 人工表面等离子体激元结构的色散特性分析

2.2.1 等效电路法

2.2.2 谐振法

2.2.3 方法对比

2.3 人工表面等离子体激元传输线的损耗特性分析

2.3.1 传输线损耗类型

2.3.2 传输线损耗分析

2.3.3 方法验证

2.4 天线基本参数及漏波天线基本原理

2.4.1 天线基本参数

2.4.2 漏波天线基本原理

2.5 本章小结

第三章 新型集成三维人工表面等离子体激元传输线

3.1 引言

3.2 单元结构

3.3 模式分析

3.3.1 单元阵列的场分析

3.3.2 基模的色散特性

3.3.3 基模的电场分布

3.3.4 高次模式的特性

3.4 传输及过渡结构

3.5 损耗特性

3.6 加工测试及误差分析

3.6.1 加工与测试

3.6.2 误差分析

3.7 本章小结

第四章 集成模式复合传输线

4.1 引言

4.2 单元结构

4.3 色散特性

4.4 电磁场分布

4.5 传输及过渡结构

4.6 电路模型

4.6.1 内部传输线电路模型

4.6.2 外表面传输线电路模型

4.7 损耗特性

4.8 加工与测试

4.9 本章小结

第五章 基于互补梳状结构的奇模及偶模传输

5.1 引言

5.2 互补梳状奇模及偶模传输线

5.2.1 单元结构

5.2.2 色散特性

5.2.3 电场分布

5.2.4 传输及过渡结构

5.2.5 加工与测试

5.3 微带型互补梳状奇模及偶模传输线

5.3.1 单元结构

5.3.2 色散特性

5.3.3 电场分布

5.3.4 传输及过渡结构

5.3.5 加工与测试

5.4 具有陷波特性的微带型互补梳状传输线

5.4.1 缺陷地结构

5.4.2 具有陷波特性的奇模传输线

5.4.3 具有陷波特性的偶模传输线

5.4.4 加工与测试

5.5 本章小结

第六章 单波束及双波束漏波天线

6.1 引言

6.2 单元结构及传输线

6.3 正弦调制阻抗表面理论

6.4 单波束漏波天线

6.5 单波束漏波天线加工与测试

6.6 双波束漏波天线

6.7 双波束漏波天线加工与测试

6.8 本章小结

第七章 总结及展望

7.1 全文总结

7.2 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的成果