基于超强透射现象的高增益金属缝隙天线设计-朱元.docx

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1、密 级 : 保密期限 : 硕士学位论文 基于超强透射现象的高增益金属缝隙天线设计 Design nf High Gain Metal Slot Antenna Based on Extraordinary Transmission phenomenon 学 号 姓 名 学位类别 学 科 专 业 (工程领域 ） 指导教师 完成时间 答辩委员会 主席签名 P14201050 朱元 工学硕士 电磁场与微波技术 李民权教授 2017 年 2 月 : 登撙 f 万方数据 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下缉行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标途和致謝的地方外，论文中不包含

2、其他人包经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得安徽大学或其铯教育机构的学位或诬书而使用过的材料 *与我 同工作的同志対本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示樹意 5 学 位 论 文 作 者 签 名 、 筌 - 字 曰 期 ： 年 f 月 7|曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解安徽大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留弁向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阒和借阅 *本人授杈安徽大学可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。 (保密的学位论文在解密后适用本授权书 ）

3、学位论文作者签名： 签字曰期例 7 年 5 月 曰 导师签名 : 签字目期：年 f 月 万方数据 摘要 121438 自 1998 年 Ebbesen 等人发现光的超强透射现象以来，对该现象的机理及应 用研宄成为光领域的热点。由于超强透射现象在光学设备领域取得了显著成果， 因此对微波器件方面 的应用研宂，也引起了越来越多学者关注。随着研宄的深入， 在微波波段天线、滤波器等微波器件也有相应技术突破。本文将超强透射现象应 用到天线的设计中，有效地提高了天线的增益及性能。本文主要工作如下： 1. 对超强透射现象的表面等离子体激元理论、谐振腔理论、复合衍射衰逝 波理论进行了分析，阐述了该现象发生的机理

4、。 2. 将等效电路法应用于周期性金属狭缝结构分析，结合电磁场基本理论计 算了反射系数、传输系数，分析了透射特性。将等效电路法的分析结果与基于有 限元法的 HFSS软件的结果进行对比，二者吻合较好，从而表明了该方法的有效 性。 3. 将超强透射现象应用到天线设计中，并结合等效电路模型设计了一款高 増益缝隙天线。通过在铝板刻蚀对称凹槽并增加金属边墙，有效地改善了天线的 性能。分 析 及 测 试 结 果 表 明 ： 天 线 覆 盖 10.88GHz-11.06GHz 、 11.48GHz-11.68GHz、 14.60GHz-14.90GHz 和 15.38GHz-15.87GHz 四个频段，最大

5、增益达到 22dB。 关键字：超强透射；等效电路；多频段；波导馈电；缝隙天线 万方数据 Abstract Since the extraordinary transmission phenomenon was discovered by Ebbesen in 1998, the mechanism and application of the phenomenon have become a hot spot in the field of optics. Remarkable results have been achieved in the field of optical devices

6、 due to the extraordinary transmission phenomenon, so the application of microwave devices has attracted more and more scholars attention. With the deepening of the research, the antenna, filter and other microwave devices have also made technological breakthroughs. In this paper, the extraordinary

7、transmission phenomenon applied to antenna design, the gain and performance of the antenna improved effectively. In this paper, mainly do the following work: 1. Elaborated and analyzed the physical mechanism of extraordinary transmission phenomenon: Surface Plasmons Polaritons theory, Resonant cavit

8、y theory, Composite Diffracted Evanescent Wave theory . 2. The equivalent circuit method of periodic metallic slits and the transmission characteristics are analyzed and the reflection coefficient and transmission coefficient are calculated based on the basic theory of electromagnetic field. Compare

9、d the results of the equivalent circuit method with the result of HFSS software, a good agreement are found, so the effectiveness of the method is demonstrated. 3. The phenomenon of extraordinary transmission is applied to antenna design, and the high gain slot antenna is designed based on the equiv

10、alent circuit model. The aluminum plate is etched with a symmetrical groove and a metal wall is arranged on the periphery, then the antenna performance is improved effectively. The simulation and measurement results indicate that the antenna can covered 10.88GHz-l 1.06GHz, 11.48GHz-l 1.68GHz, 14.60G

11、Hz-14.90GHz, 15.38GHz-15.87GHz5 and the maximum gain can reach 22dB. Key words: extraordinary transmission; equivalent circuit; multi-band; wave-guide feed; solt antenna 万方数据 第一章前言 . 1 1.1 研究背景 . 1 1.2 国内外研宄现状 . 2 1.3 本文主要内容及章节安排 . 4 胃二 $超强透射的机理 . 5 2.1 表面等离子体激元 . 5 2.2 M合衍射衰逝波 . 8 2.3 谐振腔 . 11 第三章等

12、效电路法的可行性分析 . 13 3.1 等效电路分析超强透射 . 13 3.1.1 建立等效电路 . 13 3 丄 2 等效电路法的分析 . 14 3.2 等效电路分析法的重要参数导出 . 15 3.3 可行性分析 . 17 3.4 结果对比 . 18 第四章基于超强透射的高增益天线设计 . 23 4.1 天线的基础设计 . 23 4.2 仿真分析 . 25 4.2.1 槽组数的优化分析 . 25 4.2.2 第一组凹槽参数分析 . 28 4_2.3 第二组凹槽参数分析 . 33 4.3 仿真与测试结果 . 39 4.4 本章小结 . 46 第五章总结与展望 . 47 参 考文献 . 48 .

13、 54 攻读硕士学位期间研宄成果 . 55 III 万方数据 第一章前言 第一章前 g 1.1 研究背景 1902 年 Wood 教授发现当光通过很薄的带有小孔阵列金属片时，如果孔之 间的距离接近于波长，便会发生异常的反射现象。这种光栅的异常反射现象被称 作 Wood异常 W。 Fano 在 1941 年根据表面等离子体激元激发理论解释了这一现 象 P。 1944年 Bethe给出了单孔金属片的传输理论。随后于 1957 年 Ritchie通过 理论分析证实了表面等离子体激元激发的存在。诸多研究发现在红外光波段，当 波长略大于孔阵列周期时，可观察到强烈的透射共振现象。但是由于当时制造工 艺和测

14、试手段等条件的制约，对于更小尺寸的孔将会发生什么现象，并没有得到 足够的重视。 随着纳米技术的出现，实现了能使孔的尺寸小于可见光波长。 1998 年， Ebbesen小组发现当光照射到亚波长金属孔阵列时，透射率在某些波长处超过 13。他们将观察 到 的 这 种 特 殊 现 象 命 名 为 “ 异 常 光 学 传 输 ” （ Extraordinary Optical Transmission)。 这种现象在微波波段也被称作超强透射。 2002 年 Treacy 等人结 合动态衍射理论解释了超强透射现象 4。 2005 年 Lee 等人通过研宄发表了 Coupling of surface sl

15、asmon polaritons and light in metallic nanoslits 一文，他们 认为入射光与亚波长狭缝结构的耦合才是产生超强透射现象的主要原因 5。 M. Beruete 和 A. Nahata 等人通过理论结合实验证明微波波段也同样存在着 超强现象 6，开拓了相关的应用研宄。到目前为止，国内外学者对超强透射现象 在微波器件领域的应用，如喇叭天线、微带天线、光学天线均有涉及。随着现代 通信系统对高增益天线的技术要求，促使超强透射现象应用到天线设计成为研宄 热点。 万方数据 安徽大学硕士学位论文：基于超强透射现象的高增益金属缝隙天线设计 图 1.1 应用超强透射现象

16、设计的微波器件 1.2 国内外研宄现状 在对超强透射机理的研究过程中，研宄者们发现结构参数对超强透射有着很 大影响。同时理解超强透射现象的机理很大程度上来源于对不同结构的分析，可 以说理论的研宄与结构的研究是不可分割的。 通过研究正方形单元结构金属光子晶体平板的增强传输效应及局域性表面 等离子体共振现象，周仁龙等人认为不同等离子体间的共振模式激发了增强效应 7。通过对环形小孔阵列发生超强透射现象的近场光学图进行研宄， Poujet 等人 分析了入射波长、偏振特性对近场光的影响 8。 BelotelovVI等人将超强透射应 用于磁结构中，发现克尔效应因表面等离子体的存在而得到增强 9。在微波波段

17、， M. Beruete等人研宄了微波波段褶皱表面上亚波长凹槽的超强透射特性 6。 S. M. Orbons和 A. Roberts等人通过研宄环形孔阵列超强透射现象，发现了依赖形态的 共振模式 1()。 Liang Wang等人研究了带有周期凹槽的亚波长单缝结构，对凹槽 数目、深度等结构参数与超强透射现象之间的关系进行了详细讨论 11。 万方数据 第一章前言 图 1.2 基本的亚波长金属结构 图 1.2 中分别展示了金属孔、金属孔阵列、狭缝 -凹槽、金属光栅、金属狭 缝结构，目前研宄的众多结构都是从这些亚波长金属结构中演变出来的。随着纳 米应用技术手段的逐渐成熟，更多的关注开始倾向于亚波长结

18、构的超强透射现 象，同时高增益天线的研宄也成为一大热点。 2007 年，成都光电研宄所 Cheng Huang 等人通过在铝板两侧对称刻蚀了数 组凹槽 12，使天线的增益达到了 16dB， 并提高了天线的工作性能。同时他们还研 究了凹槽的数量对超强透射现象的影响。随后 2010 年，他们又设计了一款双凹 槽双缝隙的基于超强透射的高增益天线 13，尺寸为 65.5x40mm。 并研究了不同 介电常数以及厚度的金属对于提高天线增益的影响。 2012 年 Kim Qin等人成功的将超强透射应用到微带天线设计中 14，通过采 用褶皱铝板替代传统微带天线的地板，并对褶皱铝板中单组凹槽深度以及周期进 行研

19、究，显著提高了天线的增益，减小了 HPBW。 随后不久，又通过刻蚀 S型 缝隙实现了双频段。通过带有两组凹槽的褶皱铝板，使得超强透射现象在天线的 两个工作频点上均得以体现。 2015 年时 Shaker Alkarak等人在 Cheng Huang等人先前工作基础上，设计了 一款裙皱铝板毫米波天线他们将传统的褶皱铝板天线改进为双层结构，实现 了整体结构的尺寸稍微缩小，增益达到了 14.8dB， 成功将超强透射现象应用到 天线设计中。 到目前为止，对于将超强透射应用到微波器件领域，国内外学者们取得了诸 多显著成果 36-59，有力证明了超强透射现象在天线领域的良好应用前景。但这些 天线要么体积偏

20、大，要么由于刻蚀数组凹槽以及应用多层结构，使得天线的加工 3 万 方数据 安徽大学硕士学位论文：基于超强透射现象 _的高增益金属缝隙天线设计 变得复杂。那么为了实现现代通信系统的高要求，设计一款体积小、高增益、易 于加工的天线迫在眉睫。为了满足上述要求，本文设计了 一 款多频段高增益金属 天线，对雷达及通信系统性能的提高起到借鉴作用。有利于未来超强透射特性在 微波器件等领域的应用。 1.3 本文主要内容及章节安排 本文主要简述了三种超强透射现象的机理，以及一种可将超强透射现象应用 于天线设计的方法，同时设计了一款基于超强透射现象的多频段高增益天线。将 金属墙结构与传统措皱错板天线相结合，应用超

21、强透射现象到天线设计中。最后 加工实物并进行测试，验证了设计方法的有效性。 本文具体安排如下： 第一章前言。主要简述了本文的研究背景，国内外应用超强透射现象设计 天线的实例以及研宄现状。 第二章超强透射的机理。介绍了三种解释超强透射现象的理论：表面等离 子体激元理论、复合衍射衰逝波理论、谐振腔理论。 第三章等效电路法的可行性分析。首先根据 Marcuvitz方法结合周期性的狭 缝结构得出等效电路图 。接着结合等效电路图导出电容值 C、 传输系数 T、 反射 系数 r等重要参数。最后借助仿真软件 HFSS得出不同缝隙宽度 w、 入射角度沒 下的传输系数，并与等效电路法的结果进行对比，从而分析了将

22、超强透射现象应 用到微波器件领域的可行性。 第四章基于超强透射的高增益天线设计。采用褶皱铝板作为天线主体，平 行于较短边的方向上对称刻蚀两组非等深度凹槽，并在中心位置布置十字型交叉 孔。通过对影响超强透射现象的重要参数进行模拟仿真，最终实现了多频段高增 益的特性。最后制作实物进行测试并与仿真数据结果进行对比。 第五章总结与展望。对本文的内容做出总结，同时指出了本文中存在的瑕 疵之处，对今后的研究工作提出期望和指引。 4 万方数据 第二章超强透射的机理 第二章超强透射的机理 自从 1998 年 Ebbesen 小组发现光在亚波长金属孔阵中存在的异常透射现象 以来3，对其应用进行了大量研宄。当电磁

23、波入射到金属孔阵中时，就会发生这 种现象，在微波波段这种现象通常被称作超强透射。目前对于这种现象的确切机 理并未得到统一，目前学术界公认的解释有以下三种，他们分别是 . 表面等离子 体激元 (SPPs)理论，复合衍射衰逝波 (CDEW)理论和谐振腔理论。本章将分别简 单介绍这三种理论。 2.1 表面等离子体激元 1902 年 W d1等人在观察光波照射到光栅上的反射光谱时，发现了反常衍 射现象 (也被称做 Wood异常 )。 随着纳米技术手段的出现，使得加工纳米级元件以及在金属表面探测表面等 离子体成为可能。 1998 年 Ebbesen小组通过研宄发现：当光入射到带有周期性 孔阵的金属薄膜上，即使周期性孔径大小只有入射光波长的 1/10,在某些波长下 也发现了明显的异常透射现象 (如图 2.1 所示 )。 图 2.1孔直径 150nm， 周期 900nm时的零阶透射谱 这一现象立即引起了 Ebbesen小组的注意，他们认为解释这种现象唯一可能 是因为表面等离子体的存在。当激发并耦合电荷密度起伏的电磁振荡发生在金属 5 万方数据