CN105281037A - 基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，包括口径天线和反射数字电磁表面，所述反射数字电磁表面由周期性排布的相位单元组成，在不同的控制状态下，所述相位单元的反射相位、反射幅度或极化方式不同。通过实时控制相位单元的状态，可实现期望的辐射方向图，在保持频率不变的条件下，可实现实时的波束控制。本发明具有控制方便，反应快速，便于推广的优点，同时可以通过改变数字电磁表面的元件尺寸，使之适用于微波、毫米波或太赫兹波等不同波段。

Description

基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线

技术领域

本发明涉及天线技术，尤其是一种基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，其可以保持频率不变的同时实现波束控制。

背景技术

反射面天线具有高增益、低副瓣、主瓣窄等优点，可以在形成高增益和要求形状波束的同时，馈电简单、设计比较容易、成本较低，能满足多种常规雷达系统的要求。反射面天线是卫星通信地面终端站天线的主要形式之一，在远程无线电通信和高分辨雷达等方面有广泛应用。反射面天线由一个反射表面和一个馈电天线构成，通过反射面对电磁波的散射效应形成期望的辐射方向图。

传统的反射面天线通过设计反射面的形状来实现期望的辐射方向，设计一旦完成，反射面的结构和性能就已经固定，无法根据实际需要对天线进行实时控制。

发明内容

发明目的：提供一种基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，以解决现有技术存在的上述问题。

技术方案：一种基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，包括口径天线和反射数字电磁表面，所述反射数字电磁表面由周期性排布的相位单元组成，在不同的控制状态下，所述相位单元的反射相位、反射幅度或极化方式不同，获得周期性分布的状态不同相位单元。

可通过FPGA等方式控制相位单元的状态，从而实现不同状态相位单元的周期性或预期性分布，实现对电磁波的调制。

进一步的，每m×n个相邻且状态相同的相位单元组成一个电磁表面子模块，相邻电磁表面子模块中相位单元的状态相反，m、n为不小于1的自然数。

进一步的，所述相位单元包括介质基板和位于介质基板表面的金属电路，该金属电路中连接有用于控制相位单元状态的二极管，当二极管处于不同的状态时，相位单元的反射相位相差180°。所述二极管为PIN型二极管。各相位单元中的二极管与FPGA电连接，FPGA用以调节各二极管的状态，获得相位状态排布方式不同的相位单元阵列，实现波束控制。

有益效果：通过实时控制相位单元的状态，可实现期望的辐射方向图，在保持频率不变的条件下，可实现实时的波束控制。本发明具有控制方便，反应快速，便于推广的优点，同时可以通过改变数字电磁表面的元件尺寸，使之适用于微波、毫米波或太赫兹波等不同波段。

附图说明

图1a和图1b为本发明的结构示意图。

图2a和图2b分别为电磁表面子模块包括5×5个相位单元、10×5个相位单元时电磁表面示意图。

图3为相位单元的结构示意图。

图4a和图4b分别为电磁表面子模块包括5×5个相位单元、10×5个相位单元时电磁表面的远场辐射方向图。

图5a和图5b分别为电磁表面子模块包括5×5个相位单元、10×5个相位单元时电磁表面的仿真结果与测试结果对比图，其中图5a和图5b中的方向角分别为45°和63.4°。

具体实施方式

经研究背景技术后，申请人认为：新型人工电磁材料的媒质性质与构成材料无关，而来自于材料的微结构，它是将具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内（或表面）所构成的一种人工材料。

新型人工电磁材料和传统意义材料的区别就在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元（原子或分子），因而具有许多自然界常规材料所不具备的物理性质，对电磁波具有超常的控制能力。它是一种超薄二维阵列平面，由超材料结构单元组成，它可以灵活有效的操纵电磁波的相位、极化方式、传播模式等特性。

下面结合图1至图5b描述本发明的技术细节和原理。

如图1所示，本发明基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线主要包括作为馈源的口径天线101和反射数字电磁表面1。从图中可知，发射数字电磁表面由一种相位单元纵横排列而成。

在该实施例中，所述反射电磁表面由二元相位元件（具有两种状态的相位单元）组成，通过FPGA实时控制数字超表面二元单元的状态，设计两种状态的基本单元的排布，来实现期望的辐射方向图，在保持频率不变的条件下，实现波束控制；该反射面天线控制方便，反应快速，便于推广；可通过改变数字电磁表面的元件尺寸，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

图2a和图2b提供了两种实施案例。在图2a中，每5×5个相邻且状态相同的相位单元11组成一个电磁表面子模块，而相邻电磁表面子模块中相位单元的状态相反。在图2b中，每10×5个相邻且相位相同的相位单元组成一个电磁表面子模块，相邻电磁表面子模块中相位单元的状态相反。在上述两种实施例中，相位单元呈棋盘状分布，每个电磁表面子模块相当于一个棋盘格，位于棋盘格内相位单元的状态相同，而位于相邻棋盘格中相位单元的状态不同。技术人员可通过控制棋盘格的尺寸来控制散射场的主瓣方向。因此，每个电磁表面子模块（棋盘格）中的相位单元数量可以根据需要调整，即每个方向上相位单元的数量m×n，m、n为非零自然数。

转到图3，描述相位单元的结构，该相位单元11有三层结构，由介质基板和表面的金属电路构成，该金属电路中放置一个PIN型二极管11a，底部为直流馈电11b，以控制二极管的开关状态，实现相位单元反射相位的二元特征。在二极管的开/关两种状态下，相位单元的反射相位相差180°。

在该实施例中，S=1mm，W=4.3mm，二元单元的边长为7mm，所有金属电路的线宽为0.2mm。同时，可通过现场可编程门阵列（FPGA）实时控制二极管的开关状态。除此之外，技术人员通过调整相位单元的结构参数，例如介质基板表面金属电路长度、宽度来调节其反射特性。即反射数字电磁表面的反射特性由相位单元的开关状态和结构参数决定。相关人员通过FPGA控制各相位单元中二极管的状态，可实现相位单元的周期性排布或符合相关预期的排布，从而控制反射面天线的工作状态。

作为馈源的口径天线对数字超表面的不同单元存在相位差，所以需要进行补偿。单元电路的不同尺寸S和W，对应不同的反射相位，通过建立S和W对应的幅度相位表，对电磁表面的不同单元的尺寸进行调整，以补偿相位差。合适的S和W的值可以通过最小二乘法计算获得。

如图4a和图4b所示，仿真结果显示实施例中的反射面天线可以在保持频率不变的条件下，实时改变波束的主瓣方向。

如图4a所示，该实施例中的反射面天线在电磁表面子模块（棋盘格）为5×5个相位单元时，散射波的主瓣方向出现在（43°,45°），（43°，135°），（43°，﹣135°），（43，﹣45°）上。

如图4b所示，该实施例中的反射面天线在棋盘格为10×5个单元时，散射波的主瓣方向出现在（32.6°，63.4°），（32.6°，116.6°），（32.6°，﹣116.6°），（32.6°，﹣63.4°）上。

如图5a和图5b所示，可见上述两个实施例的仿真结果与测试结果基本吻合。

本发明中的反射面天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。

总之，在本发明中，数字超表面由一种二元基本单元（相位单元）构成，二元状态可以是两种反射相位，也可以是两种反射幅度，或者两种极化方式，这些方式为等同的，技术人员可以根据需要进行设计。通过FPGA调节相位单元的状态，可实现两种状态基本单元的排列组合，从而实现对电磁波的调制。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节（例如，可通过改变数字电磁表面的元件尺寸，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段），在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，包括口径天线和反射数字电磁表面，其特征在于：所述反射数字电磁表面由周期性排布的相位单元组成，在不同的控制状态下，所述相位单元的反射相位、反射幅度或极化方式不同。

2.如权利要求1所述的基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，其特征在于，每m×n个相邻且状态相同的相位单元组成一个电磁表面子模块，相邻电磁表面子模块中相位单元的状态相反，m、n为不小于1的自然数。

3.如权利要求1所述的基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，其特征在于，所述相位单元包括介质基板和位于介质基板表面的金属电路，该金属电路中连接有用于控制相位单元状态的二极管，当二极管处于不同的状态时，相位单元的反射相位相差180°。

4.如权利要求3所述的基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，其特征在于，所述二极管为PIN型二极管。

5.如权利要求3所述的基于新型人工电磁表面的现场可编程发射面天线，各相位单元中的二极管与FPGA电连接，FPGA用以调节各二极管的状态，获得相位状态排布方式不同的相位单元阵列，实现波束控制。