CN109873252A - 圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，包括聚焦透镜、圆极化阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；圆极化阵列、聚焦透镜、支撑柱均通过垫片依次连接，喇叭天线固定在底座上；圆极化阵列为多层变容管有源超表面，层间通过垫片分隔；单层变容管超表面由周期排列的金属图案组成，金属图案为外矩形环嵌套内矩形贴片，外环与内贴片之间通过变容二极管相连；通过改变变容管电容大小调整透射波极化方式。同时聚焦透镜通过超表面实现，有效减小纵向尺寸。

Description

圆极化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，尤其涉及一种圆极化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具有频带宽，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。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。
本发明采用有源超表面实现圆极化。
发明内容
本发明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圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，用于实现宽带、可变极化方式的圆极化天线。
本发明通过以下技术方案解决：一种圆极化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、圆极化阵列、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，所述圆极化阵列为超表面；所述圆极化阵列、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；所述圆极化阵列为多层变容管有源超表面，层间通过垫片分隔；单层变容管超表面由周期排列的金属图案组成，金属图案为外矩形环嵌套内矩形贴片，外环与内贴片之间通过变容二极管相连；通过改变变容管电容大小调整透射波极化方式。
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，所述圆极化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矩形贴片，外正方形环与内矩形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连，或通过四个变容二极管相连。
进一步地，所述圆极化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，所述多层有源超表面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，所述有源超表面相邻单元间通过电阻相连；偏置线加载在其中一个单元之上；通过改变偏置电压改变透射波极化方式，包括左手圆极化、右手圆极化、以及线极化。
本发明相比于现有技术的优势在于：
1、利用多层有源超表面实现的圆极化天线，具有高带宽的优势。通过调整偏置电压可以在较宽带宽内实现圆极化出射波。
2、通过调整偏置电压，利用相同结构天线可以同时实现出射左手圆极化波、右手圆极化波以及线极化波，并通过调节偏置电压实现三者之间的切换。
3、为了减少损耗并在较少层数下获得更大的相移调节范围，本发明中圆极化变容管有源超表面阵列中单元参数、介质基板厚度、变容管电容大小在纵向非均匀分布。
4、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。
5、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。
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阵列设计；
图4为优选实施例圆极化变容管有源超表面结构示意图；
图5为优选实施例圆极化变容管有源超表面单元结构尺寸标注示意图；
图6为优选实施例圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线中聚焦透镜、圆极化阵列与喇叭天线示意图；
图7为优选实施例圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线中聚焦透镜、圆极化阵列与喇叭天线相对位置尺寸标注示意图；
图8为优选实施例圆极化变容管有源超表面单元偏置线加载方案示意图；
图9为优选实施例圆极化变容管有源超表面透镜天线中聚焦透镜、圆极化阵列、支撑结构、喇叭天线的组装关系示意图；
图中：聚焦透镜1、圆极化阵列2、垫片3、支撑柱4、喇叭天线5、底座6。
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圆极化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1、圆极化阵列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，所述圆极化阵列2为超表面；所述圆极化阵列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；所述圆极化阵列2为多层变容管有源超表面，层间通过垫片3分隔；单层变容管超表面由周期排列的金属图案组成，金属图案为外矩形环嵌套内矩形贴片，外环与内贴片之间通过变容二极管相连；通过改变变容管电容大小调整透射波极化方式。
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，所述圆极化阵列2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矩形贴片，外正方形环与内矩形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连，或通过四个变容二极管相连。
进一步地，所述圆极化阵列2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，所述多层有源超表面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，所述有源超表面相邻单元间通过电阻相连；偏置线加载在其中一个单元之上；通过改变偏置电压改变透射波极化方式，包括左手圆极化、右手圆极化、以及线极化。
实施例2
在本发明优选实施例中，圆极化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。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使其沿纵向非均匀分布，获得更大的相移调节范围。
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3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：
其中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3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4和图5所示，图4为本发明优选实施例中圆极化阵列2变容管有源超表面结构示意图；图5为本发明优选实施例中圆极化阵列2变容管有源超表面单元结构尺寸标注示意图。其中圆极化阵列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，在图4(a)与图5(a)中单元采用外方形框嵌套中心方形贴片图案，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wia与wib的贴片，并在外环与贴片之间连接2或4个变容二极管；在图4(b)与图5(b)中单元采用外圆形框嵌套中心圆形贴片图案，在印刷介质板上以周期p刻蚀出宽度为t外径为wo的金属外环，以及直径为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。定义行方向为x方向，列方向为y方向，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x方向极化波与y方向极化波的相移。
本优选实施例中，圆极化阵列2的变容管有源超表面单元尺寸采用外矩形环嵌套内矩形贴片结构，其p＝5.00mm，wo＝4.90mm，wia＝3.40mm，wib＝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。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。
本发明通过改变加载的偏置电压，以改变该超表面的x方向极化波与y方向极化波的相移，使两者相移差为90°或-90°，使两种透射波合成左手圆极化波或右手圆极化波。
参考图8所示，图8为本发明优选实施例中圆极化阵列2变容管有源超表面单元偏置线加载方案。其中，纵向相邻超表面单元之间通过电阻相连，偏置线加载在其中一个单元之上；通过改变偏置电压改变透射波极化方式，包括左手圆极化、右手圆极化、以及线极化。
参考图6和图7所示，图6为本发明优选实施例中圆极化变容管有源超表面天线罩、聚焦透镜1、喇叭天线5的相对位置关系示意图；图7为其中圆极化变容管有源超表面天线罩、聚焦透镜1、喇叭天线5相对位置尺寸标注示意图。其中圆极化阵列2、聚焦透镜1之间的距离为gap＝8.5mm，透镜口径D＝60mm，焦距f＝60mm。
参考图9所示，图9为本发明优选实施例变容管有源超表面电磁透镜中圆极化变容管有源超表面天线罩中的垫片3、支撑柱4、喇叭天线5的组装关系示意图。其中圆极化变容管有源超表面天线罩中的圆极化阵列2、聚焦透镜1利用垫片3固定同时制造一定厚度的分隔层，填充空气或其他介质；圆极化阵列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 (10)

1.一种圆极化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、圆极化阵列、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；所述圆极化阵列、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；所述圆极化阵列为多层变容管有源超表面，层间通过垫片分隔；单层超表面由周期排列的金属图案组成，金属图案为外矩形环嵌套内矩形贴片，外矩形环与内矩形贴片之间通过变容管相连；通过改变变容管电容大小调整透射波极化方式。
2.如权利要求1所述的一种圆极化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所述的一种圆极化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所述的一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，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。
5.如权利要求4所述的一种圆极化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°。
6.如权利要求4所述的一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，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。
7.如权利要求1所述的一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述圆极化阵列采用多层超表面，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矩形贴片，外正方形环与内矩形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连，或通过四个变容二极管相连。
8.如权利要求1所述的一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述圆极化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。
9.如权利要求7或8所述的一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述多层变容管有源超表面相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。
10.如权利要求7或8所述的一种圆极化变容管有源超表面电磁透镜天线，其特征在于，所述有源超表面相邻单元间通过电阻相连；偏置线加载在其中一个单元之上；通过改变偏置电压改变透射波极化方式，包括左手圆极化、右手圆极化、以及线极化。
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