新型高增益缝隙天线的研究与设计

【摘要】表面等离子体激元(SPPs),是一种存在于金属和介质交界面的电磁波,SPPs可以将电磁场限制在金属表面,从而产生强烈的场增强效果。近年来,SPPs的研究大多数集中在光学波段,然而SPPs的特性不仅适用于光波波段,在微波波段、毫米波波段以及太赫兹波段也能得到应用,尤其SPPs的特性在天线方面的应用研究更少见。本文包括两个部分,第一个部分着重研究SPPs的产生、激发以及新颖效应。第二部分主要研究并设计两类高增益天线,一类是采用引向的方式来实现天线高增益,另一类是利用SPPs透射场增强的特性来实现天线高增益。论文首先讨论了在微波低频段,SPPs在金属表面的存在问题。在微波波段,由于金属可以看成是完美金属,此时只考虑一块金属平板,那么它不支持任何极化形式的表面等离子体,但是如果在金属上刻一些结构,那么它就有可能支持表面等离子体激元。由于等离子共振频率是由自由电子密度决定的,对于微波波段的电磁波,其频率远小于金属等离子体频率,这就限制了SPPs在微波波段的应用。但是可以通过一些适当的措施,调整电子的浓度来改变金属的等离子频率,使得等离子频率为5-6GHz。其次,讨论了SPPs的激发问题。研究发现,电磁波的波矢与SPPs的波矢在水平方向是不匹配的,所以SPPs不能被激发。为了激发SPPs,需要使电磁波的波矢和SPPs的波矢在水平方向匹配。结果表明,实现波矢匹配的最典型的方法是利用介质周期性的栅格结构。接着,论文对高增益定向天线进行了研究,着重研究设计了一款带有一层缝隙引向单元的高增益缝隙引向天线。为了进一步提高该天线增益,利用介质周期性的栅格结构,激发金属缝隙引向单元表面的等离子体,使其与入射电磁波发生耦合,从而提高了电场强度,在不改变尺寸的情况下,使天线的增益提高了1.5dBi。最后,论文还研究了通过调整介质栅格结构,实现天线辐射方向的调节。
【作者】韩洪娟；
【导师】郭辉萍；
【作者基本信息】苏州大学，通信与信息系统，2014，硕士
【关键词】表面等离子体激元；引向；缝隙天线；高增益；介质周期性的栅格结构；

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