CN107394370A - 惠更斯表面及基于惠更斯表面的新型喇叭天线的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种惠更斯表面及基于惠更斯表面的新型喇叭天线的控制方法，这种天线将各向异性惠更斯人工表面置于传统线极化喇叭天线口面上，惠更斯表面由大量各向异性惠更斯单元组成，通过设计单元的结构尺寸，使得喇叭天线口面场的各个分量的相位发生改变，最终喇叭天线的辐射波束被偏折并沿着设计好的方向发射；同时主波束的极化形式也按照设计的方式发生改变。另一方面，通过旋转喇叭天线或者惠更斯表面，辐射波束的指向和极化形式将会随之发生改变，实现机械式的波束扫描和极化重构。本发明的新型喇叭天线可直接用于雷达探测、基站通信和卫星通信系统中。
Description
技术领域
本发明涉及人工表面电磁媒介以及无线通信电子器件，特别是涉及一种惠更斯表面及基于惠更斯表面的新型喇叭天线的控制方法。
背景技术
2013年，美国密歇根大学的A.Grbic教授在物理评论快报(Phys.Rev.Lett.)上提出人工惠更斯表面，随后几年，这种人工表面获得广泛关注。
目前，对惠更斯表面的利用存在以下几个方面：利用惠更斯表面实现了对透射波极化方式的控制，但没有对相位进行调控；利用惠更斯表面对透射相位进行了调控，但没有对极化方式进行调控；另外，有人虽然实现了对相位和极化方式的同时调控，但设计方法是基于弗洛凯理论，并且基于平面波入射的条件进行设计。
发明内容
发明目的：为解决上述技术问题，本发明提出了一种惠更斯表面及基于惠更斯表面的新型喇叭天线的控制方法。
技术方案：一种惠更斯表面，包括介质基板和按相位分布排列在介质基板上的若干不同尺寸的惠更斯单元结构，该惠更斯单元结构包括依次设置的第一金属外层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和第二金属外层；
其中，第一金属外层、第二金属外层和中间金属层均包括两个正交的工字型金属片，金属片的宽度相同；第一金属外层和第二金属外层的正工字型金属片的两个横梁的长度小于横工字型金属片的两个横梁的长度；中间金属层的正工字型金属片的两个横梁的长度大于横工字型金属片的两个横梁的长度；
当线极化电磁波照射惠更斯单元结构时，第一金属外层和第二金属外层分别与中间金属层构成电流回路，由于两个回路在中间金属层感应电流方向相反，相互抵消，使得第一金属外层和第二金属外层构成一个电流回路。
其中，所述惠更斯表面的厚度只有辐射波长的十五分之一。
一种设计惠更斯表面的方法，包括以下步骤：
(1)设计惠更斯单元结构；
(2)建立惠更斯单元结构的数据库；
(3)构建惠更斯表面。
进一步的，所述步骤(1)包括：
(1)设计第一金属外层、第二金属外层以及中间金属层尺寸结构；
(2)设计第一介质层和第二介质层的尺寸结构；
(3)按照由下向上分别为第一金属外层、第一介质层、中间金属层、第二介质层以及第二金属外层的结构顺序构成惠更斯表面单元结构。
进一步的，所述步骤(2)包括：
(21)通过调节第一金属外层和第二金属外层结构，设计磁响应；通过调节中间金属层结构，设计电响应；得到N个不同尺寸的惠更斯单元结构；
(22)对得到的N个不同尺寸的惠更斯单元结构进行仿真，得到N个不同尺寸的惠更斯单元结构对应的透射系数和反射系数，其中，透射系数包括透射系数的幅度和透射系数的相位，反射系数包括反射系数的幅度和反射系数的相位，进而得到包含N组透射系数和反射系数的惠更斯单元结构数据库。
进一步的，所述步骤(3)中，根据设计需求，从惠更斯单元结构数据库中选择多个相应透射系数和反射系数所对应的惠更斯单元结构，按照预定的相位分布排列集成在介质基板上组成整个惠更斯表面。
一种包括惠更斯表面的喇叭天线，所述惠更斯表面固定覆盖在喇叭天线的口面。
一种控制喇叭天线的波束偏折和极化重构的方法，包括以下步骤：
(1)波束偏折的控制
首先，惠更斯表面下方区域1的场由喇叭天线产生，可以近似为点源发出的球面波，表达式如下：
其中，和分别为区域1内的电场和磁场，E1(x,y)是区域1内电场的幅度值，s是等效相位中心距离惠更斯表面的距离，(x,y)为计算点的坐标，k为自由空间中的传播常数，η为自由空间中的波阻抗；
其次，惠更斯表面上方区域2的场为自定义目标场，目标场定义为沿x轴偏折一定角度的平面波，表达式如下：
和分别为区域2内的电场和磁场，E2(x,y)是区域2内电场的幅度值，s是等效相位中心距离惠更斯表面的距离，(x,y)为计算点的坐标，k为自由空间中的传播常数，η为自由空间中的波阻抗，θ为波束偏折角度；
根据麦克斯韦边界条件，并利用等式(1)～(4)实现波束的偏折；
(2)波束极化方式的控制
使目标场的水平正交分量满足如下关系：
其中，Txx为当入射波沿x方向极化时，惠更斯表面的透射系数；Tyy为当入射波沿y方向极化时，惠更斯表面的透射系数；
在式(1)～(5)的共同作用下，喇叭天线的辐射波将指向特定的方向，随着惠更斯表面与喇叭天线的相对角度变化，波束的极化形式也发生变化；
若固定惠更斯表面，旋转喇叭天线；则波束指向不变，主波束的极化形式在线极化和圆极化之间切换；
若固定喇叭天线，旋转惠更斯表面；则波束随之旋转，且主波束的极化形式在线极化和圆极化之间切换。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)本发明的惠更斯表面大约只有波长的十五分之一，非常薄，且可以实现电磁波调控。(2)本发明的惠更斯表面结构简单，常规电路制作工艺可以完全满足其制作需求；且其对激励源喇叭没有特殊要求，可以根据不同喇叭进行定制。(3)本发明的惠更斯表面只需覆盖在喇叭天线的口面即可，使用非常方便。(4)通过设计惠更斯单元的结构尺寸，使得喇叭天线口面场的各个分量的相位发生改变，最终喇叭天线的辐射波束被偏折并沿着设计好的方向发射；同时主波束的极化形式也按照设计的方式发生改变。另一方面，通过旋转喇叭天线或者惠更斯表面，辐射波束的指向和极化形式将会随之发生改变，实现机械式的波束扫描和极化重构。
附图说明
图1是惠更斯表面结构示意图；
图2a～图2d是惠更斯表面单元结构示意图；其中，图2a是外层的几何结构示意图，图2b是中间层的几何结构示意图，图2c是惠更斯表面单元结构立体示意图，图2d是仿真的感应电流分布示意图；
图3a～图3d是不同单元结构尺寸对应的的透射和反射系数示意图；其中，图3a是透射系数的幅度示意图，图3b是透射系数的相位示意图，图3c是反射系数的幅度示意图，图3d是反射系数的相位示意图；
图4a和图4b是波束偏向特定角度时惠更斯表面的透射相位分布图；其中，图4a是当入射波沿x方向极化时的透射相位分布图，4b是当入射波沿y方向极化时的透射相位分布图；
图5是本发明的喇叭天线的立体图；
图6是本发明的喇叭天线的侧视图；
图7是本发明的设计原理图；
图8a～图8d是本发明仿真结果示意图，其中，图8a是当喇叭天线的旋转角度φ＝0°时的远场示意图，图8b是当喇叭天线的旋转角度φ＝90°时的远场示意图，图8c是当喇叭天线的旋转角度φ＝45°时的远场示意图，图8d是当喇叭天线的旋转角度φ＝45°时远场的右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)分量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。
如图1所示，惠更斯表面1包括介质基板11和按相位分布排列在介质基板上的若干不同尺寸的惠更斯单元结构12；惠更斯单元结构按照预定的相位分别规则排列，具有各向异性；另外，通过调节惠更斯单元结构的几何结构，可以准确控制惠更斯表面出射面的辐射场的特性。
在工程上，为了实现这种惠更斯表面，则需要设计具体的人工惠更斯单元结构。如图2a～图2d所示，给出了本发明公开的一种惠更斯单元结构。该结构包含三个金属层和两个介质层，其中两个金属外层完全一致，两个介质层完全一致。
如图2a所示，惠更斯单元结构包括第一金属外层121、位于第一金属外层上的第一介质层122、位于第一介质层上的中间金属层123、位于中间金属层上的第二介质层124以及位于第二介质层上的第二金属外层125。该惠更斯单元结构x×y×z的尺寸为6mm×6mm×2mm。
如图2b所示，惠更斯单元结构的第一金属外层和第二金属外层为金属片结构，该金属片结构包括分别沿x轴和y轴设置的工字型金属片，其中，工字型金属片的宽度为w，横向(即x轴)工字型金属片的两个横梁的长度为la，纵梁的长度为lx，纵向(即y轴)工字型金属片的两个横梁的长度为lb，纵梁的长度为ly，且la>lb。
如图2c所示，惠更斯单元结构的中间金属层为金属片结构，该金属片结构包括分别沿x轴和y轴设置的工字型金属片，其中，工字型金属片的宽度为w，横向(即x轴)工字型金属片的两个横梁的长度为lam，纵梁的长度为lxm，纵向(即y轴)工字型金属片的两个横梁的长度为lbm，纵梁的长度为lym，且lam<lbm。
当线极化电磁波照射这单元结构时，两个外层金属层分别和中间金属层构成两个电流回路，由于两个回路在中间层感应电流方向相反，因而相互抵消，使得两个最外层金属结构构成一个大的回路，因此，入射磁场几乎不对中间层产生影响。如图2d所示，中间金属层的感应电流非常微弱，可以忽略，第一金属外层的感应电流最强，第二金属外层的感应电流比第一金属外层的感应电流弱一些。第二金属外层在y轴方向中点附近电流最强，大约为550A/m；由中点向两边电流较弱，感应电流在50A/m～400/m之间。中间金属层在y轴方向中点附近电流最强，大约为375A/m；由中点向两边电流较弱，感应电流在0A/m～200/m之间。第一金属外层在原点“o”处、y轴方向中点附近和y轴方向终点附件电流最强，大约为550A/m；由中点向原点和终点电流变弱，感应电流在50A/m～400/m之间。
设计惠更斯单元结构时，可以先调节外层金属结构，设计磁响应；然后调节中间层设计电响应，最终实现惠更斯表面对电和磁响应同时调控的目的。
该惠更斯表面的设计方法为：
(1)设计惠更斯单元结构
首先，设计第一金属外层、第二金属外层以及中间金属层尺寸结构；
其次，设计第一介质层和第二介质层的尺寸结构；
最后，按照由下向上分别为第一金属外层、第一介质层、中间金属层、第二介质层以及第二金属外层的结构顺序构成惠更斯表面单元结构。
(2)建立惠更斯单元结构的数据库
首先，通过调节第一金属外层和第二金属外层结构，设计磁响应；通过调节中间金属层结构，设计电响应；得到N个不同结构尺寸的惠更斯单元结构；
其次，对得到的N个不同结构尺寸的惠更斯单元结构进行仿真，得到N个不同结构尺寸的惠更斯单元结构对应的透射系数和反射系数，其中，透射系数包括透射系数的幅度和透射系数的相位，反射系数包括反射系数的幅度和反射系数的相位，进而得到包含N组透射系数和反射系数的惠更斯单元结构数据库如图3a～图3d所示。
图3a～图3d中，横坐标表示中间金属层横向工字型金属片的横梁长度lam，纵坐标表示第一金属外层和第二金属外层横向工字型金属片的横梁长度la。
图3a为得到的N个透射系数的幅度库，且归一化后幅度范围为0～1。图3b为得到的N个透射系数的相位库，且归一化后相位范围为-3.14～3.14。
图3c为得到的N个反射系数的幅度库，且归一化后幅度范围为0～1。图3d为得到的N个反射系数的相位库，且归一化后相位范围为-3.14～3.14。
(3)构建惠更斯表面。
根据设计需求，从惠更斯单元结构数据库中选择多个相应透射系数和反射系数所对应的惠更斯单元结构，按照预定的相位分布排列集成在介质基板上组成整个惠更斯表面。
如图4a和图4b所示，横坐标表示中间金属层横向工字型金属片的横梁长度lam，纵坐标表示第一金属外层和第二金属外层横向工字型金属片的横梁长度la。目标透彻场波束偏向特定角度为θ＝30°,
图4a为当沿x方向极化时，得到的惠更斯表面对应的透射相位分布，图4b是当入射波沿y方向极化时，得到的惠更斯表面对应的透射相位分布。
表1给出了固定惠更斯表面，旋转喇叭天线时的功能列表。
表1
固定惠更斯表面，旋转喇叭天线时的功能列表
如图5所示，本发明的喇叭天线包含两个部分，第一部分为传统线极化喇叭天线2；第二部分为各向异性的惠更斯表面1。最后，各向异性的惠更斯表面置于喇叭天线口面上，调控口面场各分量的相位，实现波束指向和极化方式的控制。
如图6所示，本发明的喇叭天线，喇叭结构激励源端的直径为d1，高度为t1；喇叭口面直径和惠更斯表面直径为d2，中间喇叭形结构高度为t2，惠更斯表面的厚度为t3。
如图7所示，l1和l2表示两条光线，S代表激励源点，对应喇叭源，也为等效相位中心，φ是本发明喇叭天线的旋转角度，当φ＝0°，本发明喇叭天线沿x方向呈线极化。
惠更斯表面是一种等效的二次辐射源。本质上，利用人工惠更斯表面控制电磁波辐射特性的原理是产生特定的表面电磁流，实现指定的电磁波辐射。而产生表面电磁流的方式通常是设计人工惠更斯表面的单元结构，利用单元结构与电磁波相互作用产生感应电磁流，这种感应的电磁流将使得惠更斯表面入射面和出射面的切向场产生非连续性，进而改变出射电磁波的辐射特性。通过调节单元结构的几何结构，可以准确控制惠更斯表面出射面的辐射场特性。
如图7所示，惠更斯表面下方区域1的场由喇叭天线产生，可以近似为点源发出的球面波，表达式如下：
其中，和分别为区域1内的电场和磁场，E1(x,y)是区域1内电场的幅度值，s是等效相位中心距离惠更斯表面的距离，(x,y)为计算点的坐标，k为自由空间中的传播常数，η为自由空间中的波阻抗。
惠更斯表面上方区域2的场为自定义目标场，本发明中，目标场定义为沿x轴偏折一定角度的平面波。表达式如下：
和分别为区域2内的电场和磁场，E2(x,y)是区域2内电场的幅度值，s是等效相位中心距离惠更斯表面的距离，(x,y)为计算点的坐标，k为自由空间中的传播常数，η为自由空间中的波阻抗，θ为波束偏折角度。
根据麦克斯韦边界条件，并利用等式(1)～(4)可以实现波束的偏折，而为了实现波束极化方式的控制，则需要将惠更斯单元设计成各向异性，使透射场各分量具备不同的透射相位。本发明中，使透射场的水平正交分量满足如下关系：
在等式(1)～(5)的共同作用下，喇叭天线的辐射波将指向特定的方向，并且波束的极化形式会随着惠更斯表面与喇叭天线的相对角度而发生变化。当固定惠更斯表面，旋转喇叭天线时，波束指向不变，而主波束的极化形式在线极化和圆极化之间切换；当固定喇叭天线，旋转惠更斯表面时，波束随之旋转，且主波束的极化形式在线极化和圆极化之间切换。
如图8a～图8d所示，为本发明根据图3a～图3d的数据库、图5和图6实际制作的喇叭天线的测试结果，图8a为当喇叭天线的旋转角度φ＝0°时的归一化远场辐射方向图，图8b是当喇叭天线的旋转角度φ＝90°时的归一化远场辐射方向图，图8c是当喇叭天线的旋转角度φ＝45°时的归一化远场辐射方向图，图8d是当喇叭天线的旋转角度φ＝45°时远场的右旋圆极化(RHCP)和左旋圆极化(LHCP)分量示意图。
可以看到，喇叭天线的主波束被偏折到指定方向，并且当旋转喇叭天线45°后，主波束的线极化变为圆极化。从实施例的效果来看，本发明的设计方法流程很好的实现了预定的功能，具备直接的工程应用价值。
Claims (8)
1.一种惠更斯表面，其特征在于：包括介质基板和按相位分布排列在介质基板上的若干不同尺寸的惠更斯单元结构，该惠更斯单元结构包括依次设置的第一金属外层、第一介质层、中间金属层、第二介质层和第二金属外层；
其中，第一金属外层、第二金属外层和中间金属层均包括两个正交的工字型金属片，金属片的宽度相同；第一金属外层和第二金属外层的正工字型金属片的两个横梁的长度小于横工字型金属片的两个横梁的长度；中间金属层的正工字型金属片的两个横梁的长度大于横工字型金属片的两个横梁的长度；
当线极化电磁波照射惠更斯单元结构时，第一金属外层和第二金属外层分别与中间金属层构成电流回路，由于两个回路在中间金属层感应电流方向相反，相互抵消，使得第一金属外层和第二金属外层构成一个电流回路。
2.根据权利要求1所述的一种惠更斯表面，其特征在于：所述惠更斯表面的厚度只有辐射波长的十五分之一。
3.一种设计权利要求1所述惠更斯表面的方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)设计惠更斯单元结构；
(2)建立惠更斯单元结构的数据库；
(3)构建惠更斯表面。
4.根据权利要求3所述的一种设计惠更斯表面的方法，其特征在于，所述步骤(1)包括：
(1)设计第一金属外层、第二金属外层以及中间金属层尺寸结构；
(2)设计第一介质层和第二介质层的尺寸结构；
(3)按照由下向上分别为第一金属外层、第一介质层、中间金属层、第二介质层以及第二金属外层的结构顺序构成惠更斯表面单元结构。
5.根据权利要求4所述的一种设计惠更斯表面的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
(21)通过调节第一金属外层和第二金属外层结构，设计磁响应；通过调节中间金属层结构，设计电响应；得到N个不同尺寸的惠更斯单元结构；
(22)对得到的N个不同尺寸的惠更斯单元结构进行仿真，得到N个不同尺寸的惠更斯单元结构对应的透射系数和反射系数，其中，透射系数包括透射系数的幅度和透射系数的相位，反射系数包括反射系数的幅度和反射系数的相位，进而得到包含N组透射系数和反射系数的惠更斯单元结构数据库。
6.根据权利要求5所述的一种设计惠更斯表面的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，根据设计需求，从惠更斯单元结构数据库中选择多个相应透射系数和反射系数所对应的惠更斯单元结构，按照预定的相位分布排列集成在介质基板上组成整个惠更斯表面。
7.一种包括权利要求1至6任一项所述惠更斯表面的喇叭天线，其特征在于：所述惠更斯表面固定覆盖在喇叭天线的口面。
8.一种控制权利要求7所述的喇叭天线的波束偏折和极化重构的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)波束偏折的控制
首先，惠更斯表面下方区域1的场由喇叭天线产生，可以近似为点源发出的球面波，表达式如下：
其中，和分别为区域1内的电场和磁场，E1(x,y)是区域1内电场的幅度值，s是等效相位中心距离惠更斯表面的距离，(x,y)为计算点的坐标，k为自由空间中的传播常数，η为自由空间中的波阻抗；
其次，惠更斯表面上方区域2的场为自定义目标场，目标场定义为沿x轴偏折一定角度的平面波，表达式如下：
和分别为区域2内的电场和磁场，E2(x,y)是区域2内电场的幅度值，s是等效相位中心距离惠更斯表面的距离，(x,y)为计算点的坐标，k为自由空间中的传播常数，η为自由空间中的波阻抗，θ为波束偏折角度；
根据麦克斯韦边界条件，并利用等式(1)～(4)实现波束的偏折；
(2)波束极化方式的控制
使目标场的水平正交分量满足如下关系：
<mrow>
<mi>a</mi>
<mi>n</mi>
<mi>g</mi>
<mi>l</mi>
<mi>e</mi>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mi>x</mi>
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</mrow>
<mo>-</mo>
<mi>a</mi>
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<mrow>
<mo>(</mo>
<msup>
<mi>T</mi>
<mrow>
<mi>y</mi>
<mi>y</mi>
</mrow>
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<mo>)</mo>
</mrow>
<mo>=</mo>
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</mfrac>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>5</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
其中，Txx为当入射波沿x方向极化时，惠更斯表面的透射系数；Tyy为当入射波沿y方向极化时，惠更斯表面的透射系数；
在式(1)～(5)的共同作用下，喇叭天线的辐射波将指向特定的方向，随着惠更斯表面与喇叭天线的相对角度变化，波束的极化形式也发生变化；
若固定惠更斯表面，旋转喇叭天线；则波束指向不变，主波束的极化形式在线极化和圆极化之间切换；
若固定喇叭天线，旋转惠更斯表面；则波束随之旋转，且主波束的极化形式在线极化和圆极化之间切换。
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