CN110021822A - 一种聚焦型超表面阵列天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚焦型超表面阵列天线，该阵列天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括介电层，介电层的表面设有方形环状的金属贴片，金属贴片每边的宽度相等；所述介电层的底部设有金属接地层；所述的阵列相位板包括位于中心且金属贴片面积最大的中心移相单元，中心移相单元向外且根据金属贴片表面积从大到小呈包围状排列多层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且1≦n本发明具有非常优越的入射波反射聚焦效果，反射效率可以达到70％以上，此外本发明结构简单，移相单元的单位面积利用率高，而且具有制造工艺简单、成本低廉的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种聚焦型超表面阵列天线，属于通信领域。
背景技术
超表面材料，或者称为“平面超薄超材料”是由一系列低维度的电磁超材料组合而成，其独特和优点之处是超表面只需要一个二元结构即可实现0到2π相位的连续控制，突破了传统“体材料”的本质性限制，同时还具备尺寸、重量、容易制备及器件集成等诸多优势。超表面材料利用电磁波与表面结构的作用引起的“相位突变”或“偏振突变”来控制光或电磁波的传播，是一种“界面效应”，与通常超材料中的“体效应”机理完全不同。超表面材料开启了一个新的物理领域及现象，在两种天然材料的“界面”上展现了一种超越常规的控制电磁能流的能力。与传统三维体超材料所观察到的完全不同，超表面材料进一步拓展和延伸了体超材料的功能及应用，可以产生不同于那些大体积的多层结构的超材料的功能及应用，也可以解决许多传统体超材料发展及应用中的重大难题，如工作带宽、高损耗、高难度的昂贵制造工艺以及与应用系统的集成化困难等等。专利号为201610235825.0的中国发明专利公开了一种用于聚焦电磁波的超表面反射阵面，并具体公开了包括两个以上移相单元排列组成的阵列相位板，移相单元包括介质板，介质板的表面设有金属贴片，金属贴片的中间设有上孔；介质板的底部设有金属接地板，金属接地板的中间设有下孔；介质板的中部设有金属管，金属管与上孔和下孔连通。但是该技术方案还存在着以下问题：1、介质板上的金属贴片为圆形，圆形的金属贴片覆盖在方向的介质板时，其不能完全的覆盖住介质板，移相单元的单位面积的利用率不高。2、该金属贴片与金属管的连通处不能完全的将入射波进行反射聚焦，会有一部分入射波经上孔折射进金属管内，降低了入射波的聚焦效果。3、该专利需要对介质板进行设置金属管，工艺较为复杂，增加了阵列天线的制造难度，成本较高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种聚焦型超表面阵列天线。本发明具有非常优越的入射波反射聚焦效果，反射效率可以达到70％以上，此外本发明结构简单，移相单元的单位面积利用率高，而且具有制造工艺简单、成本低廉的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：一种聚焦型超表面阵列天线，该阵列天线由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板；所述移相单元包括介电层，介电层的表面设有方形环状的金属贴片，金属贴片每边的宽度相等；所述介电层的底部设有金属接地层；所述的阵列相位板包括位于中心且金属贴片面积最大的中心移相单元，中心移相单元向外且根据金属贴片表面积从大到小呈包围状排列多层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且1≦n。
上述的聚焦型超表面阵列天线，所述的外部移相单元的层数为7层
前述的的聚焦型超表面阵列天线，所述的每一层中外部移相单元的表面的金属贴片的表面积相同
前述的聚焦型超表面阵列天线，所述的移相单元的介电层和金属接地层为正方形。
前述的聚焦型超表面阵列天线，所述介电层的边长为10mm×10mm。
前述的聚焦型超表面阵列天线，所述的金属贴片的厚度与金属接地层的厚度均为t＝0.035mm。
前述的聚焦型超表面阵列天线，所述的介质层的介电常数为2.65，介质层的厚度为h＝1.60mm。
与现有技术相比，本发明对移相单元的结构作了创造性的改进，将移相单元从上至下分为方形环状的金属贴片、介质层以及金属接地层三部分，并由两个以上移相单元排列组成的阵列相位板，所述的阵列相位板包括位于中心且金属贴片面积最大的一个中心移相单元，中心移相单元向外且根据金属贴片表面积从大到小包围状排列多层外部移相单元，每层外部移相单元的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且1≦n，与现有的专利号为201610235825.0的中国发明专利相比，本发明的反射效率可以达到70％以上；本发明采用矩形的金属贴片可以和介质层严密的贴合，大大的提高了移相单元的单位面积利用率，而且本发明采用的方形环状金属框的形式，不需要对介质层设置金属管，进一步地避免了入射波折射进金属管的问题，提高了入射波的聚焦效果；由于本发明不需要对介质层设置金属管，降低了阵列天线的制造难度，其加工工艺简化，大大的降低了生产成本。此外申请人还对移相单元的各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步提高了聚焦效果和反射效率。
图1是阵列天线的结构示意图；
图2是移相单元的立体结构示意图；
图3是移相单元的主视图；
图4是相位变化示意图；
图5是电磁波沿z＝300mm方向入射后的x-y平面内的电场分布图；
图6是电磁波沿z＝250mm方向入射后的x-y平面内的电场分布图；
图7是电磁波沿z＝250mm方向入射后的x-y平面内的二维电场分布图；
图8是电磁波沿z＝250mm方向入射后的x-y平面内的二维电场分布放大图；
图9是电磁波沿y＝0.2mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
图10是电磁波沿y＝0.5mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
图11是电磁波沿y＝1mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
图12是电磁波沿y＝3mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
图13是电磁波沿y＝5mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
图14是电磁波沿y＝10mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
图15是电磁波沿y＝25mm方向入射后的x-z平面内的电场分布图；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种聚焦型超表面阵列天线，如附图1-4所示，该阵列天线由两个以上移相单元1排列组成的阵列相位板2；所述移相单元1包括介电层3，介电层3的表面设有方形环状的金属贴片4，所述的方形环状如附图2所示由位于金属贴片四侧边的矩形金属条组成，金属贴片4每边的宽度相等；所述介电层3的底部设有金属接地层5。
为了实现对反射波波前准确控制和入射平面波的散射问题，我们通过聚焦型超表面阵列天线来研究，图1为设计的阵列天线，该阵列天线为正方形，且共由255个移相单元拼接而成阵列相位板2，所述的阵列相位板2包括位于中心且金属贴片面积最大的一个中心移相单元6，中心移相单元6向外且根据金属贴片表面积从大到小包围状排列多层外部移相单元7，每层外部移相单元12的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且1≦n。
再进一步地，所述的阵列天线为正方形，所述的中心移相单元6设置在正方形的中心处，且金属贴片面积最大，外部移相单元7呈包围状将中心移相单元6环绕且外部移相单元7的金属贴片的表面积由里层向外层依次减小，每一层中外部移相单元的表面的金属贴片的表面积相同。所述的移相单元2的介电层3和金属接地层5均为正方形。所述的金属贴片4的厚度与金属接地层6的厚度均为t＝0.035mm，金属贴片4和金属接地层5可选取金、银等金属材料。介质层3的介电常数为2.65，可采用二氧化硅，介质层3的厚度为h＝1.60mm，介质层的表面为边长10mm×10mm的正方形，金属接地层也是边长10mm×10mm的正方形，金属接地层的四侧面与介质层齐平。如图3所示，所述的金属贴片4为环状矩形，金属贴片4的外环壁与介质层3齐平，金属贴片4的内环壁的长度为变量a，使得金属贴片表面积由里层向外层依次减小。
经申请人反复试验、筛选和总结，金属贴片4的内环壁的长度变量a随涡旋排列依次分别为0.1mm、0.37mm、0.52mm、0.64mm、0.74m、0.92mm、1.36mm、4.9mm；金属贴片的宽度则为4.95mm、4.815mm、4.74mm、4.69mm、4.63mm、4.54mm、4.32mm、2.55mm。上述的排列结构可以使反射相位变化覆盖[0°，360°]，使得反射波的相位从0均匀的变化到2π。表1是随金属贴片4的内环壁的长度边量a变化的相位变化表，其图如附图4所示，从表1和图4从可以看出，当a变化时，相邻相位之间变化为相位变化非常均匀。
| Phase | -168.5 | -120 | -71.2 | -22.7 | 25.8 | 74.3 | 122.8 | 170.8 |
| a | 0.1 | 0.37 | 0.52 | 0.62 | 0.74 | 0.92 | 1.36 | 4.9 |
| 宽度s | 4.95 | 4.815 | 4.74 | 4.69 | 4.63 | 4.54 | 4.32 | 2.55 |
表1
申请人还对实施例中的聚焦型超表面阵列天线作了试验，附图5是平面波沿着Z轴方向正入射本发明后所在的某一位置平面的电场分布图，附图6是z＝300mm的电场分布图，附图7是二维电场分布图，附图8是图7的电场分布放大图，从图5-图7中可以看出，最大场强的位置出现在阵列天线的中心处，其能量最强，光点最小，说明本发明具有非常优越的聚焦效果。
申请人还对实施例中的聚焦型超表面阵列天线作了二次试验，附图9-15是平面波沿着y轴方向正入射本发明后所在的某一位置平面的电场分布图，从图10-16中可以看出，最大场强的位置出现在阵列天线的中心处，其能量最强，光点最小，说明本发明具有非常优越的聚焦效果。
本发明的超表面装置应用范围不仅可以用于反射阵列天线，还可以应用于其它需要产生轨道角动量的反射传输的场合。
Claims (7)
1.一种聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：该阵列天线由两个以上移相单元(1)排列组成的阵列相位板(2)；所述移相单元(1)包括介电层(3)，介电层(3)的表面设有方形环状的金属贴片(4)，金属贴片(4)每边的宽度相等；所述介电层(3)的底部设有金属接地层(5)；所述的阵列相位板(2)包括位于中心且金属贴片面积最大的中心移相单元(6)，中心移相单元(6)向外且根据金属贴片表面积从大到小呈包围状排列多层外部移相单元(7)，每层外部移相单元(7)的个数为n×8个，n为外部移相单元的层数，且1≦n。
2.根据权利要求1所述的聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：所述的外部移相单元的层数为7层。
3.根据权利要求1所述的的聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：所述的每一层中外部移相单元(7)表面的金属贴片(4)的表面积相同。
4.根据权利要求1所述的聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：所述的移相单元(2)的介电层(3)和金属接地层(5)为正方形。
5.根据权利要求1所述的聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：所述介电层(3)的边长为10mm×10mm。
6.根据权利要求1所述的聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：所述的金属贴片(4)的厚度与金属接地层(6)的厚度均为t＝0.035mm。
7.根据权利要求1所述的聚焦型超表面阵列天线，其特征在于：所述的介质层(3)的介电常数为2.65，介质层(3)的厚度为h＝1.60mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190716 |