人工表面等离激元（Spoof Surface Plasmon Polaritons, SSPPs）具有显著的慢波与色散特性，通常被用于小型化与大角度频率控制波束扫描天线设计。当前SSPPs波束扫描天线的扫描角仍旧不够大，直接限制了天线的空间覆盖范围，而不同应用场景对于天线的波束数量有着特定要求。例如，卫星通讯与成像系统往往需要单侧波束扫描，而雷达全向探测中往往需要双侧波束扫描，这就对频率控制波束扫描天线的波束操控提出了更高要求。如何进一步提升天线的波束扫描角和灵活操控波束数量，成为亟待解决的问题。

传统频率控制波束扫描天线的波束数量操控方法多依赖于外部结构，例如引入不连续性使得SSPPs结构产生双波束辐射，进而利用金属反射面进行反射，从而产生单波束辐射；或者利用相位梯度超表面进行外部加载与解耦，从而使得单侧电磁能量实现辐射。但这种外部结构加载的方式不仅会使天线紧凑性降低，从而大幅抬升天线剖面，且加载结构的窄带特性会恶化天线的工作带宽与扫描角。

西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室吴边教授课题组近期提出了一种基于场局域性操控的人工表面等离激元单/双波束扫描天线实现方法。该方法采用不同的慢波金属结构对人工表面等离激元的电磁束缚性进行操控，在不依赖于任何外部结构的情况下实现场局域的可控，并且保持强慢波特性与大扫描角。基于上述方法设计的天线能够灵活实现电磁波的单侧泄露或双侧泄露，进而完成单/双波束大角度空间扫描。所提出的人工表面等离激元单/双波束天线均工作在9-24 GHz，其中双波束扫描覆盖范围为-90°到44.3°，平均增益为10.1dBi；单波束扫描覆盖范围为-77.9°到41.1°，平均增益为12.3dBi，两款天线实现了大扫描角覆盖，且剖面只有0.5mm。相关研究成果以“Beam Manipulation of Antenna with Large Frequency-Scanning Angle Based on Field Confinement of Spoof Surface Plasmon Polaritons”为题，发表于IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 70, no. 4, pp. 3022-3027, April 2022, doi: 10.1109/TAP.2021.3118739。西安电子科技大学博士生祖浩然为本文第一作者，吴边教授为论文的通讯作者，苏涛教授为论文的共同作者。

图1 双/单波束SSPPs单元与局域性操控效果

图2 双/单波束扫描天线模型与开阻带抑制

图3 双/单波束扫描天线实物与空间扫描效果

文章链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9573337

作者简介：

吴边，西安电子科技大学教授，博士生导师，天线与微波技术重点实验室“华山学者”特聘教授，西安市毫米波与太赫兹技术重点实验室主任，“电磁信息感知技术”111学科引智基地副主任，中国电子学会空间电子学分会委员，中国电子学会高级会员，IEEE高级会员，陕西省青年科技新星。主要从事微波毫米波器件与系统、低维材料电磁器件与天线、毫米波与太赫兹系统等方面研究。主持国家自然科学基金青年、面上项目、陕西省重点研发计划、预研项目以及产学研项目等30余项。在Carbon，IEEE TMTT，IEEE TAP等期刊发表论文120余篇，其中SCI检索论文100余篇，获授权国家发明专利30余项，专利转让5项，出版专著1部。曾获陕西省优秀博士论文，陕西省科学技术二等奖，作为第一完成人获陕西省高校科学技术一等奖和陕西省电子学会科技进步二等奖。
 

祖浩然，西安电子科技大学博士生，主要研究方向为人工表面等离激元辐射与调控机理，包括大角度扫描天线，多模式辐射天线，透明与柔性天线等。目前已发表SCI论文10余篇，授权发明专利3项，担任IEEE TAP等期刊审稿人。

 

撰写：祖浩然

审核：吴边