CN110021824A - 全息超表面天线的极化可重构方法 - Google Patents

全息超表面天线的极化可重构方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种状态可切换的全息超表面天线极化可重构方法，属于天线技术领域。该天线包括负责漏波辐射的极化不敏感全息超表面、极化可重构馈电结构和金属地板三部分。所述极化不敏感全息超表面结构是通过对极化不敏感超表面的亚波长单元等效折射率施以周期性正弦调制得到。所述极化可重构馈电结构由加载4个PIN管的交叉偶极子组成且采用50欧姆同轴线直接对其馈电，该天线通过控制4个PIN管的导通和截止状态能够实现线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态之间的转换。所述金属地板用于实现天线的定向辐射。本发明首次提出了利用折射率正弦调制的极化不敏感全息超表面结合极化可重构馈电结构，实现全息超表面天线的极化可重构设计方法，达到了在维持全息超表面辐射口径不变的情况下，通过控制极化可重构馈电结构的少数PIN开关的通断，实现全息超表面天线的三种状态极化可重构功能，且具有笔锥形辐射方向图、高增益、高口径效率、平面型、低剖面、低成本及易加工等优势。

Description

全息超表面天线的极化可重构方法
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及全息超表面天线的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种状态的极化可重构实现方法。
背景技术
极化可重构天线能够在线极化和圆极化之间切换极化状态，通过复用相同的信道和频谱来提高系统容量，减小极化失配和信道干扰。基于全息光学技术，全息超表面天线通过对超表面结构施以周期性调制以实现特性辐射的口径天线。相比于反射面天线，其在天线的辐射方向上无馈源遮挡问题；相比于微带天线阵，全息超表面天线无需复杂的馈电结构，避免了馈电网络的高损耗问题。全息超表面天线能够利用印刷电路板技术加工，馈源和全息超表面辐射结构集成于同一平面，具有低剖面、易共形的特点。目前，全息超表面天线的报道主要集中于线极化或者圆极化的单一极化方面，具有极化可重构能力的全息超表面天线鲜有报道。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种结构简单、低成本、易加工的极化可重构全息超表面天线实现方法，该方法提出利用极化不敏感全息超表面实现漏波辐射并通过切换极化可重构馈电结构的极化状态控制漏波辐射的极化状态，实现在保持全息超表面辐射结构不变的情况下，仅通过改变极化可重构馈电结构的4个PIN管通断状态，达到全息超表面天线的极化可重构功能。本发明提出的极化可重构全息超表面天线具有结构简单、剖面低、成本低、增益高、信道容量大、口径效率高等特点。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
极化可重构全息超表面天线，该天线由极化不敏感全息超表面、极化可重构馈电结构以及金属地板三部分组成，所述极化不敏感全息超表面用于漏波辐射，所述极化可重构馈电结构用于实现漏波辐射的线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种状态的极化可重构功能，金属地板用于实现天线的定向辐射；
该天线由两层介质基板组成，所述上层基板用于印制极化不敏感全息超表面结构和极化可重构馈电结构。所述下层基板的用于印制天线金属地板，所述金属地板印刷于下层基板的下表面，用于实现天线的定向辐射。
所述极化不敏感全息超表面是通过对极化不敏感超表面的亚波长单元等效折射率施以周期性正弦调制得到，用于实现漏波辐射以形成高指向性的侧射方向图；
所述极化可重构馈电结构集成于极化不敏感全息超表面的中心处，用于实现全息超表面天线的极化可重构；
所述极化可重构馈电结构由加载4个PIN管的交叉偶极子组成且采用50欧姆同轴线对其馈电；所述交叉偶极子的四臂用两个金属圆弧结构连接起来形成一对金属枝节；所述50欧姆同轴线的内外导体分别连接一对金属枝节的两端；
通过对所述4个PIN管(型号为MA4GP907，二极管的导通状态等效为4.2欧姆电阻，截止状态等效为0.025pF的电容)导通或截止状态的控制，能够实现线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的转换，为了方便描述，将四个PIN管分别记为PIN#1、PIN#2、PIN#3、PIN#4：
1)当四个PIN管同时处于截至状态时，天线产生45°线极化状态；
2)当PIN#1、PIN#2导通，同时PIN#3、PIN#4截止时，天线产生左旋圆极化状态；
3)当PIN#1、PIN#2截止，同时PIN#3、PIN#4导通时，天线产生右旋圆极化状态。
PIN管状态与极化可重构状态之间的关系对应如表1。
所述天线具有两层介质基板且介质基板均呈圆形，半径均为40mm～45mm，其中上层介质基板厚度为1mm～2mm，下层介质基板厚度均为1mm～2mm。
进一步，所述方形-环槽形复合贴片单元的边长为3mm～4mm。
进一步，所述极化不敏感全息超表面等效折射率的正弦调制满足：
n＝X+Mcos(Xk0ρ)
其中，n表示极化不敏感超表面的等效折射率，X表示平均折射率取X＝1.3，M表示调制深度取M＝0.13，k0表示空间波数，ρ表示圆柱形坐标系中距离中心点的径向距离。
进一步，所述交叉偶极子长度为l1：4.5mm～5mm，宽度为w1：2.3mm～2.7mm。
进一步，所述金属地板直径为l：80mm～90mm。
本发明的有益效果在于：本发明提出利用极化不敏感全息超表面结合极化可重构馈电结构，在不改变全息超表面口径面的情况下，仅通过控制极化可重构馈电网络上加载的4个PIN管的状态，达到全息超表面天线的极化可重构功能，该天线具有笔锥形的方向图，在可用频带范围内具有高增益、高口径效率的优势。除上述优点外，本发明还具有结构简单、平面型、剖面低、易共性、成本低等特点，且具有广泛的应用价值。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1是本发明天线的整体示意图；
图2是本发明天线的侧视图；
图3是极化可重构交叉偶极子结构图；
图4为印制于上层基板上表面的极化不敏感全息超表面结构图；
图5为印制于上层基板下表面的极化不敏感全息超表面结构图；
图6为本发明在线极化状态下与左、右旋圆极化状态下，天线的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图；
图7为本发明天线的轴比曲线和增益曲线；
图8为本发明天线在15GHz频点的线极化与左、右旋圆极化的辐射方向图；
其中：1-金属地板、2-上层介质基板、3-下层介质基板、4-50欧姆同轴电缆。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
图1为本发明天线的整体示意图，如图1所示，本发明所述的一种高口径效率、笔锥形波束的极化可重构全息超表面天线，主要包括极化不敏感全息超表面、极化可重构馈电结构和金属地板三个部分。
其中，所述极化不敏感全息超表面是通过对极化不敏感超表面的亚波长单元等效折射率施以周期性正弦调制得到，用于使馈源激励的沿着径向传播的表面波经周期性正弦调制转化为漏波辐射出去，以形成具有旋转对称性的高指向性笔锥形辐射方向图；所述极化不敏感超表面是由大量周期性晶格排布的方形-环槽形复合贴片单元构成，它能够支持TE和TM模式以相同相速度传播；所述方形-环槽形复合贴片单元是由印制于上层基板上表面的亚波长方形贴片和印制于上层基板的下表面的亚波长环槽形贴片单元复合而成；
所述极化可重构馈电部分由加载4个PIN管(型号为MA4GP907，导通状态等效为4.2Ω的电阻，截止状态等效为0.025pF的电容)的交叉偶极子所组成，PIN管标号见图3，通过50欧姆同轴电缆直接馈电，所述交叉偶极子的四臂用两个金属圆弧结构连接起来形成一对金属枝节，所述50欧姆同轴线的内外导体分别接一对金属枝节的两端，该可重构馈电部分可以通过控制PIN管的通断状态分别产生线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态：
1)当四个PIN管同时处于截至状态时，天线产生45°线极化状态；
2)当PIN#1、PIN#2导通，同时PIN#3、PIN#4截止时天线产生左旋圆极化状态；
3)当PIN#1、PIN#2截止，同时PIN#3、PIN#4导通时天线产生右旋圆极化状态。
表1.PIN管状态与极化可重构状态之间的关系
PIN#1 PIN#2 PIN#3 PIN#4 极化状态
OFF OFF OFF OFF 线极化
ON ON OFF OFF 左旋圆极化
OFF OFF ON ON 右旋圆极化
下层介质基板下表面印制有半径与介质基板相同的金属地板，用于实现天线的定向辐射。
下面通过具体实施例来对本发明的具体方案进行说明。
参见图1-图5。图1为极化可重构全息超表面天线的整体示意图，图2为侧视图。其中，1-金属地板、2-上层介质基板、3-下层介质基板、4-50欧姆同轴电缆。图3为极化可重构交叉偶极子结构，图4为印制于上层基板2上表面的极化不敏感全息超表面结构，图5为印制于上层基板2下表面的极化不敏感全息超表面结构。所述极化不敏感全息超表面由方形-环槽形复合贴片单元组成，如图1所示。所述50欧姆同轴电缆4对极化可重构交叉偶极子馈电结构直接进行馈电。介质基板2、3均为圆形，直径均为l＝88mm，厚度均为1.575mm，两层介质基板均采用型号为Rogers RT/duroid5880的制作材料，其相对介电常数为2.2，相对磁导率为1.0，损耗角正切为0.0009。所述方形-环槽形复合贴片单元的周期为p＝3.5mm，由印制于上层基板2上表面的方形贴片单元和印制于上层基板2下表面的环槽形贴片单元组成，其中，环槽形贴片单元的贴片边长p2＝3.3mm且方环形缝隙大小为s＝0.2mm。所述极化可重构交叉偶极子单元印制于上层基板上表面，长度为l1＝4.7mm，宽度为w1＝2.5mm。所述的金属地板1印制于下层介质基板3的下表面，其形状和大小与下层基板完全一致。
完成上述的初始设计之后，使用高频电磁仿真软件HFSS18.0进行仿真分析，经过仿真优化之后得到各项参数尺寸如表1所示：
表1本发明各参数最佳尺寸表
依照上述参数，使用HFSS18.0对所设计的极化可重构全息超表面天线的S参数，辐射方向等特性参数进行仿真分析，其分析结果如下：
图6为本发明的反射系数(|S11|)随频率变化的曲线图，其中LP为线极化状态下的|S11|曲线，RHCP(LHCP)为左右旋圆极化状态下的|S11|曲线，根据结构的对称性可知左右旋圆极化的|S11|曲线相同。当天线|S11|<-10dB时，本天线线极化、左右旋圆极化重叠阻抗带宽为范围14.58-15.8GHz。
图7为本发明天线的轴比曲线和增益曲线，根据结构的对称性可知左右旋圆极化的轴比(AR)曲线和增益曲线均相同。仿真结果显示在可用频带范围内左、右旋圆极化轴比均小于3dB，左、右旋圆极化增益范围为16dBi～17.59dBi，频带内增益浮动小于1.6dB，线极化增益范围为16dBi～17.75dBi，频带内增益浮动小于1.8dB。
图8为本发明在15GHz频点处的线极化状态(图8(a))与左、右旋圆极化状态下的辐射方向图(图8(b))，根据结构的对称性可知左右旋圆极化的辐射方向图相同。天线在15GHz时呈现良好的旋转对称性的笔锥形侧射方向图。
综上所述，该天线首次提出利用极化不敏感全息超表面结合极化可重构馈电结构的方式实现全息超表面天线的极化可重构功能，具有线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态可重构的功能，除此之外还具有笔锥形方向图、高增益、高口径效率、结构简单、低成本的优势。该极化可重构天线凭借结构简单、成本低、高增益等特点能够广泛的应用到现代无线通信系统中。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.线极化、左旋圆极化和右旋圆极化三种极化状态可重构的全息超表面天线，其特征在于：该天线由极化不敏感全息超表面、极化可重构馈电结构以及金属地板三部分组成，其中，极化不敏感全息超表面用于漏波辐射，极化可重构馈电结构用于实现天线三种状态的极化可重构功能，金属地板用于实现天线的定向辐射。
2.根据权利要求1所述的极化可重构全息超表面天线，其特征在于：天线由两层介质基板组成，其中上层基板主要用于印制极化不敏感全息超表面结构和极化可重构馈电结构，下层基板主要用于印制天线的金属地板以实现定向辐射。所述金属地板位于下层介质基板下表面，用于实现天线的定向辐射。
3.根据权利要求1所述的极化可重构全息超表面天线，其特征在于：在所述极化不敏感全息超表面结构的中心处印制有加载4个PIN管的极化可重构交叉偶极子馈电结构，所述极化可重构交叉偶极子馈电结构通过控制所加载PIN管的通断状态实现线极化、左旋圆极化和右旋圆极化之间的快速切换。
4.根据权利要求1所述的极化可重构全息超表面天线，其特征在于：所述交叉偶极子的四臂用两个金属圆弧结构连接起来形成一对金属枝节，采用50欧姆同轴线直接对所述交叉偶极子进行馈电，所述50欧姆同轴线的内外导体分别连接一对金属枝节的两端。
5.根据权利要求1所述的极化可重构全息超表面天线，其特征在于：所述极化不敏感全息超表面的正弦调制满足：
n＝X+Mcos(Xk0ρ)
其中，n表示极化不敏感超表面的等效折射率，X表示平均折射率，M表示调制深度，k0表示自由空间波数，ρ表示圆柱形坐标系中到中心点的径向距离。
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