CN104966905B - 一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，包括透镜主体、阻抗匹配层和馈源，透镜主体和阻抗匹配层的折射率均沿径向渐变分布、沿轴向均匀分布；透镜主体和阻抗匹配层由新型人工电磁材料构成，通过外部电压信号调节透镜主体和阻抗匹配层折射率的分布；新型人工电磁材料由一层以上相互平行的介质基板等间距排列构成，介质基板的正面周期性排布有金属谐振单元，金属谐振单元为带有开口的环形，在其中一个开口的两个金属端之间连接有一个压控变容二极管，外部电压信号加载在压控变容二极管上。本发明首次在微波段采用新型人工电磁材料实现了一种在不改变透镜和馈源的物理结构和位置的前提下进行波束扫描的透镜天线。

Description

一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线

技术领域

本发明涉及一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调控透镜天线，尤其涉及一种在不改变透镜天线物理结构和位置的前提下实现波束扫描的透镜天线，属于通信、天线技术。

背景技术

新型人工电磁材料的一般定义为：由周期或非周期单元结构构成的宏观媒质，其性质由构成其单元结构的材料的化学性质和物理构筑共同决定。通过改变单元结构设计即可改变新型人工电磁材料的本构关系，为人工控制电磁传播提供了极大的便利。有源新型人工电磁材料就是在已有的人工电磁材料的结构设计中，通过引入二极管等有源器件的方式，增加新型人工电磁材料的非线性或者实现对其材料特性的动态控制。可调控新型人工电磁材料是在已有的新型人工电磁材料设计的基础上，加载有源器件，从而达到对新型人工电磁材料性质的动态控制。

透镜天线是由电磁透镜和照射它的馈源构成的天线。在微波毫米波工程中，透镜天线具有旁瓣和后瓣电平小、定向性好等优点，因此在航空、航天、卫星通信、移动卫星通信系统等领域获得重要而广泛的应用。利用新型人工电磁材料设计的透镜天线具有其他电介质透镜天线所不具备的优点。基于新型人工电磁材料设计的透镜天线通过改变材料的折射率来控制电磁波的传播，因此不需要传统电介质透镜天线的曲面设计，易于加工和组装，便于集成，具有体积小、剖面低等优点。

发明内容

发明目的：为了满足实际应用中的需求，特别是航空航天通信中对低剖面可重构天线的需求，本发明提供一种能够在不改变透镜和馈源的物理结构和位置的前提下实现波束扫描的可调控透镜天线；该透镜天线可工作于微波频段，并可通过结构参数的缩放，适用于毫米波和太赫兹波等不同频段。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体、阻抗匹配层和馈源，透镜主体和阻抗匹配层的折射率均沿径向渐变分布、沿轴向均匀分布；其特征在于：所述透镜主体和阻抗匹配层由新型人工电磁材料构成，通过外部电压信号调节透镜主体和阻抗匹配层折射率的分布；

所述新型人工电磁材料由一层以上相互平行的介质基板等间距排列构成，介质基板的正面周期性排布有金属谐振单元，介质基板的背面设置有金属馈线，金属谐振单元通过介质基板上的金属化通孔与金属馈线电连接；所述金属谐振单元为带有一个以上开口的环形，在其中一个开口的两个金属端之间连接有一个压控变容二极管，外部电压信号通过金属馈线加载在压控变容二极管上；

所述透镜主体和阻抗匹配层中的所有金属谐振单元的结构和尺寸完全相同，不同介质基板上金属谐振单元根据折射率要求设计。

上述天线中，透镜主体和阻抗匹配层的折射率均根据不同的波束扫描角度沿径向呈现不同的渐变分布规律，沿轴向均匀分布；对于任意波束扫描角，透镜主体和阻抗匹配层沿径向的折射率分布规律根据光程相等原理(即费马原理)进行设计。阻抗匹配层设置在透镜主体的两侧，阻抗匹配层根据透镜主体的电磁参数分布进行设计。所述透镜主体和阻抗匹配层的折射率分布通过外加电压信号进行控制，也可以根据金属谐振单元的结构参数进行调整，所述结构参数包括金属环开口数量、开口宽度、金属环边长、以及加载的压控变容二极管型号等。

优选的，外部电压信号经过多路通道加载到所有压控变容二极管上(可以理解为将所有压控变容二极管分成若干组，同一组压控变容二极管并联在一路外部电压信号上)，每个压控变容二极管仅与一路外部电压信号接通。外部电压信号通过金属馈线对每一个变容二极管的电容进行独立控制，以改变对应金属谐振单元的谐振频率，进而在特定的工作频率上对透镜主体和阻抗匹配层的折射率分布进行控制，进而实现不同角度的波束。

优选的，所述金属谐振单元为带有两个以上开口的矩形环。

优选的，所述新型人工电磁材料的结构为以下两种方式之一：①一层以上相互平行的介质基板以平面形式等间距排列，介质基板平行于中轴线，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同一行金属谐振单元形成的直线与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线平行；②介质基板卷绕成环形，一层以上相互平行的介质基板以同心圆形式等间距排列，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同一行金属谐振单元形成的圆形与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线平行。

优选的，所述介质基板的材质为环氧树脂或聚四氟乙烯。

优选的，所述馈源为一个用于照射圆形口径或矩形口径透镜的低后瓣、宽波束喇叭天线。

有益效果：本发明提供的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，首次在微波段采用新型人工电磁材料实现了一种在不改变透镜和馈源的物理结构和位置的前提下进行波束扫描的透镜天线，该透镜天线制作简单、工艺成熟、价格不高、便于推广；可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为当波束扫描角为任意角度θ时计算透镜主体折射率分布的几何光学原理图；

图3为当波束扫描角度为0°时透镜主体和匹配层沿径向折射率分布曲线；

图4为当波束扫描角度为30°时透镜主体和匹配层沿径向折射率分布曲线；

图5为金属谐振单元结构；

图6为布置金属谐振单元的介质基板的正面图；

图7为布置金属馈线的介质基板的背面图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调控透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体1、在透镜主体1两侧设置的阻抗匹配层2和馈源3。所述透镜主体1和阻抗匹配层2的折射率根据不同的波束扫描角度θ沿径向呈现不同的渐变分布规律，沿轴向均匀分布。所述馈源3为一个用于照射圆形口径或矩形口径透镜的低后瓣、宽波束喇叭天线。外加电压信号分多路加载在透镜主体1和阻抗匹配层2中每一个压控变容二极管上。

作为一个实施例，外加电压信号可通过分压电路或编码输出的方式分多路加载在不同变容二极管上。

如图2所示，本案中透镜主体1的折射率沿径向分布规律通过如下步骤得到：

折射率梯度透镜可借助几何光学的射线分析原理进行设计。Z轴为平板透镜主体的光轴方向。对于扫描角为θ的波束扫描透镜天线，由点源O发出的柱面波经过透镜后转化为与Z轴正方向成θ角的平面波。因此垂直于出射波传播方向的平面上的场要保持相同的相位，即任意从光源出发至该平面的射径都具有相同的电长度，这就是光程相等原理，即费马原理。对于较薄的透镜，光线在透镜中的传播可近似认为平行于Z轴。因此可得到平板透镜沿径向折射率分布的表达式为：

对于透镜天线来说，为了减小天线因其媒质特征阻抗与自由空间阻抗不匹配而产生的反射，提高天线的效率，根据四分之一波长传输线阻抗匹配理论，在透镜主体的两侧各增加一层四分之一波长的阻抗匹配层。

为了实现大角度的波束扫描，本案需要在扫描角θ为0°到90°的范围内针对不同角度计算透镜主体及阻抗匹配层沿径向的折射率分布。

图3和图4所示为本发明中波束扫描角度为0°和30°时的两个例子。为实现0°的波束扫描，透镜主体1和匹配层2的折射率沿径向分布曲线如图3所示。该折射率分布关于光轴对称。为实现30°的波束扫描，透镜主体1和匹配层2的折射率沿径向分布曲线如图4所示。对于其他的角度，也可以计算出对应的透镜主体1和匹配层2的折射率分布曲线。

图5为本案的一种实施方式。所述金属谐振单元为双开口环金属谐振结构，压控变容二极管加载在上部开口处并连接开口的两端。当压控变容二极管两端的外加电压变化时，电容值会发生改变，从而改变了变容二极管所对应的金属谐振单元的谐振频率，进而改变了该金属谐振单元所处位置的折射率，进而改变了在某一工作频率时透镜主体和匹配层的折射率分布。位于同一介质基板上的透镜主体和匹配层单元结构需要连接不同路的外加电压信号。

作为一个实施例，当本案中的透镜工作在8.5GHz时，可采用型号为SMV1231-079LF的压控变容二极管，其能承受的反向偏置电压的范围为0V至15V。可采用尺寸为4mm的新型人工电磁材料单元。偏置电压从0V变化至15V的过程中，其折射率大小的变化趋势为，先增大至最大值，再减小至最小值，后增大趋于稳定。在这个过程中，其折射率的变化范围可达到0.5至4。

作为一个实施例，开口环金属谐振单元的金属环边长a，开口宽度g，内折臂长h可以用于对折射率变化范围进行辅助调整。

图6和图7为本案的一种实施方式。该基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调控透镜天线工作在8.5GHz，波束扫描范围为0°至60°。介质基板以平面形式等间距排列，介质基板平行于中轴线，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同一行金属谐振单元形成的直线与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线平行；每片介质基板的两端有2个开口环金属谐振单元结构作为匹配层，中间有6个开口环金属谐振单元结构作为芯层(透镜主体)。馈电时为了防止竖直的金属线形成谐振反射电磁波，将焊盘分散在介质基板的两端进行馈电。

作为一个实施例，金属谐振单元结构可以通过刻蚀、电镀、钻刻、光刻、电子刻或粒子刻的方法附着在介质基板上。

作为又一实施例，选用环氧树脂来制作基材。环氧树脂硬度较高，电绝缘性良好，不会对电磁场的电场产生干扰，并且具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性，使用寿命长，作为金属结构附着基材是很好的选择。

作为又一实施例，所述金属结构和金属馈线为铜线或银线。铜与银的导电性能好，对电场的响应更加灵敏。

本发明中的透镜天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体(1)、阻抗匹配层(2)和馈源(3)，透镜主体(1)和阻抗匹配层(2)的折射率均沿径向渐变分布、沿轴向均匀分布；其特征在于：所述透镜主体(1)和阻抗匹配层(2)由新型人工电磁材料构成，通过外部电压信号调节透镜主体(1)和阻抗匹配层(2)折射率的分布；

所述新型人工电磁材料由一层以上相互平行的介质基板等间距排列构成，介质基板的正面周期性排布有金属谐振单元，介质基板的背面设置有金属馈线，金属谐振单元通过介质基板上的金属化通孔与金属馈线电连接；所述金属谐振单元为带有一个以上开口的环形，在其中一个开口的两个金属端之间连接有一个压控变容二极管，外部电压信号通过金属馈线加载在压控变容二极管上；

所述外部电压信号经过多路通道加载到所有压控变容二极管上，每个压控变容二极管仅与一路外部电压信号接通；

所述透镜主体(1)和阻抗匹配层(2)中的所有金属谐振单元的结构和尺寸完全相同，不同介质基板上金属谐振单元根据折射率要求设计；

所述透镜主体(1)沿径向折射率分布的表达式为：

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其中：y为距离透镜主体(1)中心的径向距离，n(y)为透镜主体(1)上y位置处的折射率，n₀为y＝0时n(y)的取值，S为光源与透镜主体(1)的间距，T为透镜主体(1)的厚度，θ为波束出射角度。

2.根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特征在于：所述金属谐振单元为带有两个以上开口的矩形环。

3.根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特征在于：所述新型人工电磁材料的结构为以下两种方式之一：①一层以上相互平行的介质基板以平面形式等间距排列，介质基板平行于中轴线，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同一行金属谐振单元形成的直线与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线平行；②介质基板卷绕成环形，一层以上相互平行的介质基板以同心圆形式等间距排列，每层介质基板上的所有金属谐振单元以矩形阵列方式排布，同一行金属谐振单元形成的圆形与中轴线垂直，同一列的金属谐振单元形成的直线与中轴线平行。

4.根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特征在于：所述介质基板的材质为环氧树脂或聚四氟乙烯。

5.根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的电压控制波束可调透镜天线，其特征在于：所述馈源(3)为一个用于照射圆形口径或矩形口径透镜的低后瓣、宽波束的喇叭天线。