CN109698408B - 二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；聚焦透镜为超表面电磁透镜；二维扫描阵列、聚焦透镜、支撑柱通过垫片依次连接；二维扫描阵列由两个一维扫描阵列：x方向和y方向扫描阵列在z方向叠加而成，y方向作为极化方向，z方向作为透镜对称轴方向，两个一维扫描阵列中变容管偏置线方向均为x方向。该天线通过改变变容管偏置电压实现二维扫描，扫描阵列通过两组变容管有源超表面实现的一维扫描阵列实现二维扫描，两组阵列的扫描方向正交，且在纵向叠加，利用此方法能有效降低大规模二维扫描阵列中超表面复杂度和成本；同时聚焦透镜通过超表面实现，有效减小纵向尺寸。

Description

二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线
技术领域
本发明属于毫米波、太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线。
背景技术
电磁透镜是一种在微波毫米波频段实现类似光学透镜的汇聚、发散等功能的透镜结构。
毫米波是频率范围为30～300GHz的电磁波，其波长为10mm～1mm。太赫兹是频率范围为300GHz～3THz的频段，其波长为1mm～0.1mm。毫米波段及太赫兹频段频带宽，传输速率高，设备体积小，同时衰减小，穿透力强等特点，适合近场点对点通信，卫星通信等。应用于毫米波频段的电磁透镜天线能更好地满足应用场景，即满足高汇聚与高增益的要求。
超表面是一种纵向厚度远小于波长，横向采用平面周期结构，通过调整排列单元的结构实现调整反射波以及透射波相位，幅度，极化方式的结构。是一种超材料在二维平面的应用。利用这种特性，可以将其应用于电磁透镜设计，使透镜达到轻量化，低焦径比等设计要求。
实现电控二维扫描的传统方法为利用相控阵天线，但是因其难以在毫米波及更高频率下获得良好的性能，因此本发明采用有源超表面实现二维扫描。为了利用超表面实现二维扫描，一般方法需要为每一个单元独立加载偏置线，并根据预期偏角调整每个单元的偏置电压，随着阵列规模增大，偏置线的数量不可避免地随着阵列规模平方倍增长，独立控制单元偏置电压也会导致计算量过大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工作于毫米波及太赫兹波段的二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，用于解决现有二维扫描变容管有源超表面中偏置线数量与单元数量相同导致偏置线数量随透镜尺寸平方倍增长，在较大规模超表面透镜中偏置线过多的问题。
本发明通过以下技术方案解决：一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；所述聚焦透镜为超表面电磁透镜，所述二维扫描阵列为超表面；所述二维扫描阵列、聚焦透镜、支撑柱均通过垫片依次连接，所述支撑柱固定在底座上，所述喇叭天线固定在底座上，所述喇叭天线的喇叭口朝向聚焦透镜；所述二维扫描阵列由两个一维扫描阵列：x方向扫描阵列和y方向扫描阵列在z方向叠加而成，y方向作为极化方向，z方向作为透镜对称轴方向，两个一维扫描阵列中变容管的偏置线方向均为x方向。
进一步地，该天线为全封闭结构。
进一步地，所述支撑柱为圆筒状，所述垫片为圆环状，所述支撑柱与垫片的材料均为ABS塑料，所述支撑柱内壁贴有吸波材料。
进一步地，所述聚焦透镜采用多层超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形环；相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。
进一步地，通过调节外正方形环尺寸、内正方形环尺寸、介质基板尺寸、分隔层厚度和相邻金属图案单元的间距，使得聚焦透镜的透射率优于-1dB，可调相移范围大于360°。
进一步地，设计金属图案单元的尺寸，使得该单元的相移能够补偿在阵列设计中该位置的待补偿相移。
进一步地，所述一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形贴片，外正方形环与内正方形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。
进一步地，所述一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外圆形环嵌套内圆形贴片，外圆形环与内圆形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。
进一步地，所述一维扫描阵列相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。
进一步地，所述x方向扫描阵列沿y方向相邻的两个金属图案单元之间接有电阻，y方向作为列方向，偏置线加载在每一列的其中一个金属图案单元上；所述y方向扫描阵列沿x方向相邻的两个金属图案单元之间接有微带，x方向作为行方向，偏置线加载在每一行的其中一个金属图案单元上。
本发明相比于现有技术的优势在于：
1.利用两个一维扫描阵列以扫描方向正交方式在纵向叠加，纵向即电磁波传播方向，利用两组扫描方向正交的一维扫描阵列，可以实现一定角度范围的二维扫描。
2.为了实现两组正交扫描方向的一维扫描阵列，采用变容管有源超表面实现一维扫描阵列，其中，通过改变偏置电压可以实现一定范围的一维扫描；同时偏置线加载方案采用表面贴装电阻以及微带，可以有效减少偏置线数量。
3.为了解决传统电磁透镜笨重以及体积过大的问题，本发明采用超表面电磁透镜，具体解决方法为：利用多层超表面补偿相位，使出射面处出射波相位相等，形成等相面实现聚焦。
4.为了实现更平滑的相位梯度，聚焦透镜超表面阵列设计时对每一个单元进行单独调整，使得性能达到最优。
5.为了较少层数下更大的相移调节范围，本发明中聚焦透镜超表面阵列，扫描阵列超表面阵列中单元参数在纵向非均匀分布。
6.本发明天线为全封闭结构，减小能量损耗。
附图说明
图1为优选实施例聚焦透镜超表面结构示意图；
图2为优选实施例聚焦透镜超表面单元结构尺寸标注示意图；
图3为优选实施例聚焦透镜超表面单元透射波透射率及相移同可调参数wi的关系仿真结果；
图4为优选实施例聚焦透镜超表面阵列设计；
图5为优选实施例扫描阵列变容管有源超表面结构示意图；
图6为优选实施例扫描阵列变容管有源超表面单元结构尺寸标注示意图；
图7为优选实施例扫描阵列变容管有源超表面单元透射波透射率及相移同可调参数Cp的关系；
图8为优选实施例二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线聚焦透镜、二维扫描阵列与喇叭天线示意图；
图9为优选实施例二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线聚焦透镜、二维扫描阵列与喇叭天线相对位置尺寸标注示意图；
图10为优选实施例x方向扫描阵列变容管有源超表面单元偏置线加载方案示意图；
图11为优选实施例y方向扫描阵列变容管有源超表面单元偏置线加载方案示意图；
图12为优选实施例二维扫描变容管有源超表面透镜天线中聚焦透镜、二维扫描阵列、支撑结构、喇叭天线的组装关系示意图；
图中：聚焦透镜1、二维扫描阵列2、垫片3、支撑柱4、喇叭天线5、底座6、x方向扫描阵列7、y方向扫描阵列8。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
实施例1
本实施例提供的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，包括聚焦透镜1、二维扫描阵列2、垫片3、支撑柱4、喇叭天线5和底座6；所述聚焦透镜1为超表面电磁透镜，所述二维扫描阵列2为超表面；所述二维扫描阵列2、聚焦透镜1、支撑柱4均通过垫片3依次连接，所述支撑柱4固定在底座6上，所述喇叭天线5固定在底座6上，所述喇叭天线5的喇叭口朝向聚焦透镜1；所述二维扫描阵列2由两个一维扫描阵列：x方向扫描阵列7和y方向扫描阵列8在z方向叠加而成，y方向作为极化方向，z方向作为透镜对称轴方向，两个一维扫描阵列中变容管的偏置线方向均为x方向。
进一步地，该天线为全封闭结构。
进一步地，所述支撑柱4为圆筒状，所述垫片3为圆环状，所述支撑柱4与垫片3的材料均为ABS塑料，所述支撑柱4内壁贴有吸波材料。
进一步地，所述聚焦透镜1采用多层超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形环；相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。
进一步地，通过调节外正方形环尺寸、内正方形环尺寸、介质基板尺寸、分隔层厚度和相邻金属图案单元的间距，使得聚焦透镜1的透射率优于-1dB，可调相移范围大于360°。
进一步地，设计金属图案单元的尺寸，使得该单元的相移能够补偿在阵列设计中该位置的待补偿相移。
进一步地，一维扫描阵列可以采用以下两种方式：
方式一：一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形贴片，外正方形环与内正方形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。
方式二：一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外圆形环嵌套内圆形贴片，外圆形环与内圆形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。
进一步地，所述一维扫描阵列相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。
进一步地，所述x方向扫描阵列7沿y方向相邻的两个金属图案单元之间接有电阻，y方向作为列方向，偏置线加载在每一列的其中一个金属图案单元上；所述y方向扫描阵列8沿x方向相邻的两个金属图案单元之间接有微带，x方向作为行方向，偏置线加载在每一行的其中一个金属图案单元上。
实施例2
在本发明优选实施例中，二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线工作在Ka频段。
参考图1和图2所示，图1为本发明优选实施例中聚焦透镜1超表面结构示意图；图2为本发明优选实施例中聚焦透镜1超表面单元结构尺寸标注示意图。其中聚焦透镜1采用四层超表面结构，每层由周期排列的单元组成。单元采用双方形环结构，在印刷介质板上以周期为p刻蚀出宽度为t的金属方形环，内环边长wi，外环边长wo，层间间距g，在保持外环大小同时通过调节内环调整经过单元的相移。
本优选实施例中，聚焦透镜1超表面单元尺寸采用p＝5.00mm，wo＝4.80mm，t＝0.20mm，g＝3.00mm。基板采用Rogers RT5880，厚度0.127mm，介电常数εr＝2.2。经过单元的相移与单元透射率同内环边长关系如图3。在保证|S21|>-1dB条件下，内环边长wi的取值范围在0.6～2.0mm，3.0～4.6mm之间。同时优化g与wi使其沿z方向非均匀分布，获得更大的相移调节范围。
参考图3所示，由于在本优选实施例中任意设计相移可以对应一种单元内环宽wi，依此可以设计出口径为D，焦距为f的聚焦透镜。
参考图4所示，聚焦透镜1的超表面阵列在某一位置单元设计补偿相位同中心位置单元设计补偿相位的相位差计算公式如下：
Figure BDA0001925897610000051
Figure BDA0001925897610000052
其中
Figure BDA0001925897610000053
为某一位置单元设计补偿相移同中心位置单元设计补偿相移的相位差，f为聚焦透镜焦距，d为图4中单元位置同透镜中心距离，λ为此频率下真空中波长，m为任意整数。
参考图5和图6所示，图5为本发明优选实施例中二维扫描阵列2变容管有源超表面结构示意图；图6为本发明优选实施例中二维扫描阵列2变容管有源超表面单元结构尺寸标注示意图。其中二维扫描阵列2的变容管有源超表面采用六层结构，每层由周期排列单元组成，单元采用外方形或圆形框嵌套中心方形或圆形贴片图案，在印刷介质板上以周期p刻蚀出宽度为t边长为wo的金属外环，以及边长为wi的贴片，并在外环与贴片之间连接变容二极管。层间为分隔层，填充空气，厚度为g。通过调整变容二极管的偏置电压改变其等效电容调整经过单元的相移。
本优选实施例中，二维扫描阵列2的变容管有源超表面单元尺寸采用p＝5.00mm，wo＝4.90mm，wi＝3.40mm，t＝0.30mm，g＝3.00mm。基板采用Rogers RT5880，厚度为0.127mm，介电常数εr＝2.2。经过单元相移和单元透射率同变容管等效电容Cp关系如图7所示。同时优化g，wi及Cp使其沿z方向非均匀分布，获得更大的相移调节范围。
本发明二维扫描阵列2包含两个扫描方向正交的扫描阵列，在透镜平面上单个扫描阵列通过在扫描方向上形成透射相位梯度，实现波束在扫描方向上的偏角，并通过改变偏置电压使变容管有源超表面改变相位梯度大小和方向实现扫描。据此，在本发明优选实施例二维扫描阵列2的变容管有源超表面阵列设计中，任一位置单元透射波相移与扫描方向上相邻单元相移差就算公式如下：
Figure BDA0001925897610000061
其中
Figure BDA0001925897610000062
为扫描方向上相邻单元设计相移的相位差，p为单元排列周期，γ为波束偏角，λ为此频率下真空中波长。据此，通过将两组扫描方向正交的扫描阵列在纵向叠放，可以实现二维扫描。依两组透镜扫描方向建立x-y坐标系，两组扫描阵列的扫描方向分别为x方向与y方向。
参考图8和图9所示，图8为本发明优选实施例中二维扫描阵列2、聚焦透镜1、喇叭天线5的相对位置关系示意图；图9为其中二维扫描阵列2、聚焦透镜1、喇叭天线5相对位置尺寸标注示意图。其中x方向扫描阵列7、y方向扫描阵列8、聚焦透镜1之间的距离均为gap＝8.5mm，透镜口径D＝60mm，焦距f＝60mm。
参考图10和图11所示，图10为本发明优选实施例中x方向扫描阵列7变容管有源超表面单元偏置线加载方案；图11为y方向扫描阵列8变容管有源超表面单元偏置线加载方案。其中，x方向扫描阵列7其超表面单元在y方向上相邻单元间用表面贴装电阻相连，y方向作为列方向，偏置线加载在每一列的其中一个金属图案单元上；y方向扫描阵列8其单元在x方向上相邻单元间用微带相连，x方向作为行方向，偏置线加载在每一行的其中一个金属图案单元上。
参考图12所示，图12为本发明优选实施例变容管有源超表面电磁透镜中垫片3、支撑柱4、喇叭天线5的组装关系示意图。其中二维扫描阵列2、聚焦透镜1利用垫片固定同时制造一定厚度的分隔层，填充空气；二维扫描阵列2、聚焦透镜1、支撑柱4均通过垫片3依次连接，支撑柱4另一端固定在底座6上，同时喇叭天线5也固定在底座6中央，喇叭天线5的喇叭口朝向聚焦透镜1。垫片3与支撑柱4的材料均为ABS塑料。支撑柱4内壁贴有吸波材料。
本技术领域的人员根据本发明所提供的文字描述、附图以及权利要求书能够很容易在不脱离权利要求书所限定的本发明的思想和范围条件下，可以做出多种变化和改动。凡是依据本发明的技术思想和实质对上述实施例进行的任何修改、等同变化，均属于本发明的权利要求所限定的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；所述聚焦透镜为超表面电磁透镜，所述二维扫描阵列为超表面；所述二维扫描阵列、聚焦透镜、支撑柱均通过垫片依次连接，所述支撑柱固定在底座上，所述喇叭天线固定在底座上，所述喇叭天线的喇叭口朝向聚焦透镜；所述二维扫描阵列由两个一维扫描阵列：x方向扫描阵列和y方向扫描阵列在z方向叠加而成，y方向作为极化方向，z方向作为透镜对称轴方向；
所述聚焦透镜采用多层超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形环；相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板；设计聚焦透镜中金属图案单元的尺寸，使得该金属图案单元的相移能够补偿在阵列设计中该金属图案单元所在位置的待补偿相移；
所述一维扫描阵列采用变容管有源超表面，其包括周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外环嵌套内贴片，外环与内贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连；
所述x方向扫描阵列沿y方向相邻的两个金属图案单元之间接有电阻，y方向作为列方向，偏置线加载在每一列的其中一个金属图案单元上；所述y方向扫描阵列沿x方向相邻的两个金属图案单元之间接有微带，x方向作为行方向，偏置线加载在每一行的其中一个金属图案单元上。
2.如权利要求1所述的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，该天线为全封闭结构。
3.如权利要求1所述的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述支撑柱为圆筒状，所述垫片为圆环状，所述支撑柱与垫片的材料均为ABS塑料，所述支撑柱内壁贴有吸波材料。
4.如权利要求1所述的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，通过调节外正方形环尺寸、内正方形环尺寸、介质基板尺寸、分隔层厚度和相邻金属图案单元的间距，使得聚焦透镜的透射率优于-1dB，可调相移范围大于360°。
5.如权利要求1所述的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形贴片，外正方形环与内正方形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。
6.如权利要求1所述的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外圆形环嵌套内圆形贴片，外圆形环与内圆形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。
7.如权利要求5或6所述的一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述一维扫描阵列相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。
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