CN109638450A - 一种有源宽带方向图可重构天线罩 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种有源宽带方向图可重构天线罩，该天线罩由石墨烯‑十字槽多层有源频率选择表面单元构成。其中有源频率选择表面单元由上下对称的一对贴片层、一对介质层甲、一对介质层乙和中间的加载石墨烯贴片的十字槽缝隙层组成，通过对在一对介质层甲和缝隙层之间施加偏置电压，可以实现宽频带的反射和透射开关可调状态，将周期性排列的有源频选表面加载在全向天线四周形成N面的天线罩，通过控制不同面的透射开关和可调状态，可在宽带范围实现天线的单波束全角度扫描，多波束扫描和增益连续可调等多功能方向图可重构特性。

Description

一种有源宽带方向图可重构天线罩

技术领域

本发明涉及一种天线罩，特别涉及一种有源宽带方向图可重构天线罩，可用于毫米波通信系统射频终端信号发射和接收的方向图扫描，属于天线技术领域。

背景技术

无线通信系统的飞速发展使得对天线的要求变得越来越高。因此，可重构天线成为未来天线的发展方向。可重构天线按功能可以分为：频率可重构天线(包括实现宽频带和实现多频带)、方向图可重构天线、极化可重构天线和多电磁参数可重构天线。一般的，通过改变可重构天线的结构可以使天线的频率、方向图、极化方式等多种参数中的一种或几种实现重构。这样可以通过切换天线不同的状态使天线具有多种工作模式，有利于在传输中实现多种有效的分集。因此，可重构天线作为一种新型天线即将成为下一代无线通信系统中的核心技术之一。

目前，方向图可重构天线主要通过加载可变电抗、机械可控结构、可调开关器件和频率选择表面来改变天线最大辐射方向、增益大小或波束宽度。随着近几年超材料的快速发展和应用，频率选择表面天线罩作为实现可重构天线的一种方式引起了广泛的关注。

频率选择表面(Frequency Selective Surface，FSS)是一种二维周期性阵列结构，对特定频率的电磁波具有阻碍或者通过的作用。在微波工程中应用广泛，特别是军用武器或者雷达系统中，经常被用作为隐身材料或者天线罩。随着可重构天线的发展，加载有源频率选择表面(Active Frequency Selective Surface，AFSS)天线罩用以实现天线可重构的方法被提出来。

2012年，欧阳骏等人发表专利“基于共形有源频率选择表面的可重构天线”,专利号为CN102570034A，在频率选择表面单元中加入二极管，通过调节它们的状态来改变AFSS天线罩的特性，从而实现天线方向图的可重构。然而这种方法需要复杂的焊接过程，并且该AFSS天线罩的工作带宽为2.5GHz，不具有宽带的特性。

石墨烯是一种二维平面碳原子薄膜材料，具有单原子层厚度、机械硬度高、载流子迁移率高、柔韧性和透光性好、电导率可调等特点，因此，可以被用来设计新型有源频率选择表面，用以解决现今有源频率选择表面天线罩存在的带宽较窄、焊接和调控复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的不足，提出一种有源宽带方向图可重构天线罩。

本发明采用石墨烯加载十字槽多层频率选择表面和外部电压偏置实现宽频带的电磁波透射和反射幅度调控，并将其周期性加载在全向天线周围形成多边形有源频选天线罩，通过调节不同方向频率选择表面的开关状态，实现天线方向图覆盖360°范围的全向扫描，解决现有毫米波方向图可重构天线带宽窄、扫描范围窄的问题。

为实现上述目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种有源宽带方向图可重构天线罩，包括一个由若干个多层有源频率选择表面单元围成的罩体，每个表面单元包括：

缝隙层，位于表面单元的中间层，缝隙层的中心加载石墨烯贴片；

第一介质层与第二介质层，分别贴合在缝隙层的两侧面；

第三介质层与第四介质层，第三介质层贴合在第一介质层的外侧面，第四介质层贴合在第二介质层的外侧面；

第一贴片层与第二贴片层，第一贴片层贴合在第三介质层的外侧面，第二贴片层贴合在第四介质层的外侧面；

在第三介质层与缝隙层之间加有直流偏压，用于调节石墨烯贴片的表面方阻。

进一步地，由m×n个表面单元平铺组成一个天线罩平面，再由N个天线罩平面围成一个天线罩，其中N≥3，m＞n≥1。

进一步地，天线罩是由六个天线罩平面围成的一个截面为正六边形的天线罩。

进一步地，每个天线罩平面连接不同的偏置电压。

进一步地，第一贴片层与第二贴片层为采用金属构成的十字型结构。

进一步地，缝隙层采用在方形金属板上开有十字型槽的形式。

进一步地，第一介质层与第二介质层为绝缘层。

进一步地，第一介质层与第二介质层采用二氧化硅。

进一步地，第三介质层与第四介质层为可导电的介质层。

进一步地，第三介质层与第四介质层采用多晶硅。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1.本发明采用上下对称的双层十字形贴片结构和中间的十字形缝隙结构，拓展了有源频选表面的工作带宽。

2.本发明通过在十字形缝隙结构中间加载石墨烯贴片结构，并且在介质层一与缝隙层之间施加直流偏压，可以改变石墨烯的表面方阻，从而调节频率选择表面的透射幅度，实现频选表面幅度的开关状态和连续可调，且偏置电路结构简单；

3.本发明中由周期性排列的有源频率选择表面构成的N面天线罩，通过对每个面施加不同的偏置电压，改变每个面的频率选择表面阵列的反射和透射状态，可以使天线产生N种不同辐射方向的方向图，这N个不同辐射方向的方向图可以覆盖360°，也可以实现多波束。

附图说明

图1为本发明可重构天线罩的整体结构示意图；

图2为本发明可重构天线罩中石墨烯-十字槽多层频率选择表面单元的分解结构示意图；

图3为本发明频率选择表面单元十字形金属贴片层的结构图；

图4为本发明频率选择表面单元十字槽缝隙层示意图；

图5为本发明作为辐射源的全向贴片天线示意图；

图6为本发明不同电压/方阻下多层频率选择表面透射系数仿真结果图；

图7为本发明实施例1的天线波束扫描仿真结果图；

图8为本发明实施例2的天线波束扫描仿真结果图；

图9为本发明实施例3的天线波束扫描仿真结果图。

以上各种图的附图标记为：

1 表面单元

2 全向天线

11 贴片层

12 介质层甲

13 介质层乙

14 石墨烯贴片

15 缝隙层

具体实施方式

除非另作定义，本专利的权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“一个”或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

在本专利的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”、“横”、“纵”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。

下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细说明：

实施例1：工作在25GHz的方向图可重构天线

参照图1，本实施例包括由石墨烯-十字槽多层频率选择表面单元1所构成的天线罩以及作为辐射源的全向天线2。其中频率选择表面单元1由上下对称的一对贴片层11、一对介质层甲12、一对介质层乙13和中心加载石墨烯贴片14的十字槽缝隙层15组成。

参照图2，频率选择表面单元为贴片层11、介质层甲12、介质层乙13、石墨烯贴片14、缝隙层15、介质层乙13、介质层甲12、贴片层11自上而下依次重叠的形式构成。其中介质层甲12采用多晶硅，相对介电常数为11.7，高度h1＝0.7mm，介质层乙13采用二氧化硅，相对介电常数为3.9，高度h2＝30nm，且在介质层甲12与缝隙层15之间增加有直流偏压Vc，以便实现对石墨烯方阻的调节，从而改变石墨烯-金属多层结构频率选择表面的反射和透射特性，从而改变天线的辐射方向。

参照图2，频率选择表面单元中石墨烯14厚度为单个原子量级的厚度，其电导率可表示为：

其中T为热力学温度满足T＝300K，k_B为玻尔兹曼常数，h＝h/2是简化布朗克常量，Γ是散射率，e是电子的带电量，ω＝2πf是角频率，f是工作频率，μ_c是化学势能。

参照图3，该频率选择表面单元介质层甲12为正方形，其边长l＝2mm。十字形贴片层11为金属构成的十字型结构，十字形结构的长度a1＝1.4mm，宽度d＝0.15mm，金属材质为金，其电导率为4.52×10⁷S/m。

参照图4，缝隙层15为在金属板上蚀刻十字型槽，十字型槽的长度a2＝1.7mm，宽度s＝0.05mm，金属材质为金，其电导率为4.52×10⁷S/m。石墨烯14为正方形，其中心与缝隙层15重叠，正方形石墨烯的边长g＝0.1mm。

参照图5，本发明中的辐射源为全向天线，矩形贴片的长度L和宽度W的值由如下方程确定：

其中c表示真空中的光速，f₀表示天线的工作频率，ε_e表示有效介电常数，ε_r表示介质的相对介电常数，ΔL表示等效辐射缝隙的长度。采用全波仿真软件HFSS进行计算和优化，最终确定的L＝3.8mm，W＝2.5mm。

参照图1，天线罩由所设计的石墨烯-金属复合结构频率选择表面组成，该天线罩有6个面(编号分别为①、②、③、④、⑤、⑥)，每个面由3×8个频率选择表面单元组成。

实施例2：工作在22GHz的方向图可重构天线

本实施例中将全向贴片天线的参数调整为L＝4.3mm，W＝2.9mm，使得全向天线工作在22GHz。其余参数及仿真模型与实施例1相同。

实施例3：工作在28GHz的方向图可重构天线

本实施例中将全向贴片天线的参数调整为L＝3.2mm，W＝2.0mm，使得全向天线工作在28GHz。其余参数及仿真模型与实施例1相同。

以下结合仿真计算对本发明的技术效果做进一步描述：

1.仿真内容

1)采用HFSS全波仿真软件，对本发明所提出的石墨烯-金属多层结构频率选择表面进行仿真，其结果如图6所示。

2)采用HFSS全波仿真软件，对本发明的实施例1的天线方向图进行仿真，其结果如图7所示。

3)采用HFSS全波仿真软件，对本发明的实施例2的天线方向图进行仿真，其结果如图8所示。

4)采用HFSS全波仿真软件，对本发明的实施例3的天线方向图进行仿真，其结果如图9所示。

2.仿真结果

参照图6，通过对频率选择表面施加直流偏压来改变石墨烯的方阻，石墨烯方阻的变化使频率选择表面的透射系数产生变化，从而可以控制电磁波的反射和透射。当石墨烯的方阻为50欧时，在谐振频率附近其透射系数小于0.2，电磁波难以透过频率选择表面实现传输；当石墨烯的方阻变化到1000欧时，相同频率时的透射系数大于0.8，电磁波将频率选择表面进行传输。那么，我们就可以定义，当石墨烯的方阻为1000欧时，频率选择表面处于打开状态(ON)，当石墨烯的方阻为50欧时，频率选择表面处于关闭状态(OFF)。

参照图7，对每个面的频率选择表面施加不同的直流偏压，使其中三个面上的频率选择表面处于ON状态，其余三个面处于OFF状态。当⑥-①-②处于ON状态时，天线的辐射方向为+0°，增益为4.1dB；当①-②-③处于ON状态时，天线的辐射方向为+60°，增益为4.7dBi；当②-③-④处于ON状态时，天线的辐射方向为+120°，增益为4.2dBi；当③-④-⑤处于ON状态时，天线的辐射方向为+180°，增益为5.3dBi；当④-⑤-⑥处于ON状态时，天线的辐射方向为+240°，增益为5.1dBi；当⑤-⑥-①处于ON状态时，天线的辐射方向为+300°，增益为4.8dBi。

参照图8及图9，同样对每个面的频率选择表面施加不同的直流偏压，使其中三个面上的频率选择表面处于ON状态，其余三个面处于OFF状态。在不同的组合状态下，仍能够实现天线方向图的可重构。

可见，该天线罩能够通过调节石墨烯的表面方阻使得全向天线辐射方向实现可重构，并且拥有宽带的性质。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种天线罩，其特征在于，所述天线罩包括一个由若干个多层有源频率选择表面单元围成的罩体，每个所述表面单元包括：

缝隙层，位于所述表面单元的中间层，所述缝隙层的中心加载石墨烯贴片；

第一介质层与第二介质层，分别贴合在所述缝隙层的两侧面；

第三介质层与第四介质层，所述第三介质层贴合在所述第一介质层的外侧面，所述第四介质层贴合在所述第二介质层的外侧面；

第一贴片层与第二贴片层，所述第一贴片层贴合在所述第三介质层的外侧面，所述第二贴片层贴合在所述第四介质层的外侧面；

在所述第三介质层与所述缝隙层之间加有直流偏压，用于调节所述石墨烯贴片的表面方阻。

2.根据权利要求1所述的一种天线罩，其特征在于，由m×n个所述表面单元平铺组成一个天线罩平面，再由N个所述天线罩平面围成一个所述天线罩，其中N≥3，m＞n≥1。

3.根据权利要求2所述的一种天线罩，其特征在于，所述天线罩是由六个所述天线罩平面围成的一个截面为正六边形的天线罩。

4.根据权利要求2所述的一种天线罩，其特征在于，每个所述天线罩平面连接不同的偏置电压。

5.根据权利要求1所述的一种天线罩，其特征在于，所述第一贴片层与所述第二贴片层为采用金属构成的十字型结构。

6.根据权利要求1所述的一种天线罩，其特征在于，所述缝隙层采用在方形金属板上开有十字型槽的形式。

7.根据权利要求1所述的一种天线罩，其特征在于，所述第一介质层与所述第二介质层为绝缘层。

8.根据权利要求7所述的一种天线罩，其特征在于，所述第一介质层与所述第二介质层采用二氧化硅。

9.根据权利要求1所述的一种天线罩，其特征在于，所述第三介质层与所述第四介质层为可导电的介质层。

10.根据权利要求9所述的一种天线罩，其特征在于，所述第三介质层与所述第四介质层采用多晶硅。