CN110112551B - 非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波天线领域，解决现有技术中无法有效在固定微波频率下实时调控Beseel波束方向的问题。本发明公开的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，包括径向波导、同轴馈线和可重构阻抗表面结构，还包括设置于可重构阻抗表面结构中的可调器件；所述可重构阻抗表面结构为周期性贴片结构，所述可重构阻抗表面结构分为四个重构象限；所述可调器件设置在重构象限里、非轴线上的贴片缝隙之间。本发明通过设计可重构阻抗表面结构和设置重构象限的不同偏置电压，改变可重构阻抗表面结构不同象限的可调器件开关的状态，实现波束方向的实时偏转，所述可重构阻抗表面结构简单，适用于近场的不同方向的非衍射波束传输；广泛应用于无线输能、近场探测、医疗成像、隐秘通信等领域中。

Description

非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线

技术领域

本发明涉及微波天线领域，特别是指一种非衍射波束方向可调的可重构 Bessel天线。

背景技术

电磁波在空间传播时，会发生衍射现象，波束将在空间扩散。若发射天线能发射一个非衍射的电磁波束，在传输范围内波束不扩散，大大提高微波的空间传输效率。非衍射波束的传播距离有限，其有效作用区域通常处于天线近场区。所以，采用非衍射波束用于近场微波输能，比如，对汽车，电子设备近距离无线充电等，备受人们的关注。非衍射波束有许多种，比如Bessel波，Mathieu 波，Vortex波，Caleidoscopic波等。Bessel非衍射波束具有较好的横向分辨率，主瓣尺寸小、定向性好等特性，较其他非衍射波束，更具有潜在的应用价值。毫米波和微波频段的Bessel天线研究已有一些成果，比如二维天线阵列、超表面透镜天线、径向线缝隙天线(Radial Line Slot Antenna(RLSA))和Bessel 漏波天线结构。其中，二维相控阵列可以通过改变馈电单元的相位和幅度来控制波束位置。但是，二维Bessel天线阵列本身尺寸大，且需要繁冗的馈电网络，再加上可调网络，这样使阵列更加复杂。基于漏波模式的Bessel天线和超表面透镜天线，通过改变频率从而改变天线的传输相位，实现波束非衍射传输距离的调控。但是，非衍射波束的指向始终只能沿着天线的中轴线方向。若目标天线的位置偏移了发射天线的中轴线，对于固定安装的发射天线，由于发射的非衍射波束传播方向固定，其空间传输能量将不能到达偏离的目标点。

然而，超表面(Metasurface)，可实现对电磁波相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。并且，采用可重构技术，它可通过控制开关的状态或改变器件的电容值来改变天线的波束特性，从而进一步实现波束实时调控。

Bessel非衍射波束是由波数矢量k以锥形方向传播的平面波叠加而成的，通过控制波数k的方向和大小，可实现Bessel非衍射波束方向的调控。B.Cheng,D. -W.Liu,J.-W.Wu,H.-L Li,Frequency scanning non-diffraction beam by metasurface, AppliedPhysics Letters,2017,110,3,031108.公开了一种基于人工导纳调制表面，超表面由不同间距大小的单元组成，在超表面上形成相位差。当一个发射天线发射一入射波束照射到超表面上，然后波束会反射形成非衍射波束。由于所设计的超表面提供了相位差，使两个发射波束形成的非衍射波束有一定的偏移，实现了波束方向的偏移。并且，超表面随着频率的不同，提供了不同的相位差，从而可通过频率的调节可以实现波束方向的调控。但其不但需要额外的辐射器照射到超表面结构，这样会增加发射天线的复杂性；还需要通过改变频率以实现波束方向偏移，但是对于固定频率波束不能实现实时调控。

Y.Juan,W.Q.Che,W.C.Yang,Z.N.Chen,Compact Pattern-ReconfigurableMonopole Antenna Using Parasitic Strips,IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,vol.16,2017.公开了一种方向图可重构天线，由主辐射天线和寄生天线组成。通过改变各个PIN二极管的导通与截止状态，从而改变寄生天线作为反射器或引向器的位置或数量，进而改变天线的辐射方向，使辐射方向图向不同的方向偏转，实现方位面八种模式的辐射波束。但其方向可重构天线致力于远场辐射，不能作用于近场波束传输；通过改变主辐射天线和寄生天线之间的耦合关系，从而改变天线的辐射方向，与近场天线的波束方向调控的原理不同。

申请号为201710146195.4，专利名称为一种半模基片集成波导漏波天线的发明专利公开了一种半模基片集成波导漏波天线，包括：介质基片、第一金属贴片、第二金属贴片和变容二极管；通过改变变容二极管的电容值，可以使固定频点处天线方向图随着变容二极管的电容值变化而变化，使天线在实现左右手圆极化、+/-45°线极化的同时，还可以实现模式可重构功能，进而实现极化、模式的复合可重构特性及频率扫描功能。在一个天线上实现多工作模式，但其同样应用于远场，通过改变缝隙的电容值，改变缝隙之间的耦合关系，从而改变金属贴片的电流分布，实现远场波束方向的调控，但该结构无法在波导中激励起不同波数的漏波，导致电磁波在波导中传输无法实现相位差，以至于无法实现近场波束方向调控；

亟待出现一种有效调控波束方向，解决近场应用的新型Bessel天线。

发明内容

本发明提出一种基于可重构超表面的非衍射波束方向可调的可重构Bessel 天线，解决了现有技术中无法有效实时调控近场非衍射Bessel波束方向的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，包括径向波导、同轴馈线和可重构阻抗表面结构，还包括设置于可重构阻抗表面结构中的可调器件；所述可重构阻抗表面结构为周期性贴片结构，所述可重构阻抗表面结构为四个重构象限；轴线上的贴片为四个重构象限的分界线；所述可调器件设置在重构象限里、非轴线上的贴片缝隙之间。

进一步地，还包括直流偏置电路；所述重构象限中间的贴片由同轴馈电；所述直流偏置电路具体的是：直流偏置电压的正电压作用于与中心贴片相邻的贴片上，其负电压直接与径向波导的地板相连；所述四个重构象限采用不同的偏置电压；每个重构象限中的所有可调器件状态保持一致。

进一步地，所述可重构阻抗表面结构包括介质层、上层金属贴片和下层金属贴片；所述可调器件设置于上层金属贴片之间。

优选地，所述可调器件的位置和布局可通过遗传优化算法、粒子群算法，神经网络算法、蚁群算法等，以提高波束能量，保持波束方向偏转为目标，进行合理地排列安置；所述可调器件的位置和布局在断开或闭合两种状态下保持不变。

优选地，所述可调器件，可采用PIN二极管、FET三极管开关、MEMS开关、或变容二极管。

优选地，所述可重构阻抗表面可以为感性阻抗表面或容性阻抗表面。

本发明提出的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线通过设计可重构阻抗表面结构和设置不同重构象限的偏置电压，改变重构象限中可调器件开关的状态，对不同象限实现波数矢量k方向和大小的实时调控，电磁波在阻抗表面中的传播形成相位差，从而实现近场波束方向的偏移。适用于近场非衍射波束不同方向的传输，广泛应用于无线输能、近场探测、医疗成像、隐秘通信等领域中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1：本发明的结构示意图；

图2：本发明的侧面轮廓图；

图3：可重构阻抗表面结构俯视图。(a)未优化可重构阻抗表面结构；(b)优化后的可重构阻抗表面结构；

图4：可重构阻抗表面结构的侧视图；

图5：非衍射波束偏转示意图。

其中：1—径向波导、2—同轴馈线、3—可重构阻抗表面结构、4—下层金属贴片、5—上层金属贴片、6—可调器件、7—介质层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据图1本发明的结构示意图和图2本发明的侧面轮廓图所示，非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，包括径向波导1、同轴馈线2和可重构阻抗表面结构3，还包括设置于可重构阻抗表面结构3中的可调器件6；所述可重构阻抗表面结构3为周期性贴片结构，所述可重构阻抗表面结构3为四个重构象限，即第Ⅰ重构象限、第Ⅱ重构象限、第Ⅲ重构象限和第Ⅳ重构象限；轴线上的贴片不安装可调器件6，成为四个重构象限的分界线；所述可调器件6设置在重构象限里、非轴线上的贴片缝隙之间。

进一步地，还包括直流偏置电路；所述重构象限中间的贴片由同轴馈线2 馈电；所述直流偏置电路具体的是：直流偏置电压的正电压作用于与中心贴片相邻的贴片上，其负电压直接与径向波导1的地板相连；所述四个重构象限采用不同的偏置电压；每个重构象限中的所有可调器件6状态保持一致。

进一步地，所述可重构阻抗表面结构3包括介质层7、上层金属贴片5和下层金属贴片4；所述可调器件6设置于上层金属贴片5之间；所述贴片之间分离式布置。

优选地，所述可调器件6的位置和布局可通过遗传优化算法、粒子群算法，神经网络算法、蚁群算法等，以提高波束能量，保持波束方向偏转为目标，进行合理地排列安置；所述可调器件6的位置和布局在断开或闭合的两种状态下保持不变。

优选地，所述可调器件6，可采用PIN二极管、FET三极管开关、MEMS 开关、或变容二极管。

优选地，所述可重构阻抗表面可以为感性阻抗表面或容性阻抗表面。

与传统的方向可重构天线调控原理不同，本发明所提出的天线可通过改变每个区域开关的状态，对每个区域进行不同方向和大小的波数矢量k的控制，电磁波在超表面形成了不同的相位差，激励起不同波数的漏波，从而实现近场波束方向的实时调控。

本发明由同轴馈线2馈入到径向波导1中，在波导腔中激励起Bessel 驻波，当Bessel波在径向波导里传播时，由于上层的可重构阻抗表面结构3， Bessel波会沿此径向波导1结构传播，并不断地从可重构阻抗表面结构3漏出，从而产生想要的漏波模式，实现波束的非衍射传输。通过遗传优化算法，优化可重构阻抗表面结构3中的可调器件6的位置和数量，通过控制不同区域可调器件6的通断状态，电磁波在超表面结构形成了不同的相位差(不同的波数矢量k)，天线可激励不同的漏波模式，实现非衍射Bessel波束的实时调控。

如图3优化后的可重构阻抗表面结构的俯视图和图4可重构阻抗表面结构的侧视图所示，可重构阻抗表面结构3为容性阻抗表面。其结构采用周期性贴片结构，由一介质层7，上层金属贴片5和下层金属贴片4构成。为了实现非衍射波束方向的实时调控，可调器件6安装到上层金属贴片5之间，由遗传算法优化可调器件的位置和数量。如果不采用优化算法，可调器件6会布满整个可重构阻抗表面结构3。由于可调器件6的引入，非衍射波束能量会大大降低。因此，以提高非衍射波束能量、保持波束方向偏转为目标，对可调器件6进行合理地排列安置，可调器件6的数量会大大减少，但在断开或闭合两个状态下优化后的结构与没有优化的结构激励起的波数矢量k基本保持一样。并且，优化后所述可调器件6的位置和布局在断开或闭合的两种状态下保持不变。

通过改变可调器件6的通断状态，实现不同波数的漏波。整个可重构阻抗表面结构3分为四个部分，分别为第Ⅰ重构象限、第Ⅱ重构象限、第Ⅲ重构象限和第Ⅳ重构象限，通过控制可重构阻抗表面结构3上的可调器件6的状态(当可调器件6断开，实现一种波数的漏波；当可调器件6闭合，实现另一种波数的漏波)，使可重构阻抗表面结构3产生两种不同波数的漏波，在可重构超表面上形成相位差，实现非衍射波束向不同方向的偏转。

具体的操作如下：

起初，可重构阻抗表面结构3上的可调器件6都是断开的，若Bessel天线产生的非衍射波束要实现向第Ⅰ重构象限(第Ⅱ重构象限、第Ⅲ重构象限和第Ⅳ重构象限)方向偏转，则闭合对应区域的可调器件6。此时，闭合可调器件6 的区域实现了另一个不同波数的漏波，而另外相邻的三个部分实现相同波数的漏波，使可重构阻抗表面结构3产生两种不同波数的漏波，从而实现了非衍射波束向不同方向的偏转。

为了使各个区域相互隔离，处于轴线上的贴片不安装可调器件。天线的中心贴片由同轴馈线2向天线馈电，而直流偏置电压的正电压作用于与中心贴片相邻的贴片上，其负电压直接与径向波导的地板相连，这样构成偏置回路。由于阻抗表面贴片之间有缝隙，所以免去了隔直电容和高阻抗线，微波能量和直流能量同样可相互隔离。

采用不同的偏置电压V_I、V_II、V_III、V_IV分别控制在四个区域中可重构阻抗表面结构上的可调器件状态。当偏置电压为0V时，可调器件处于断开状态；当偏置电压为1V时，开关处于闭合状态。

实施例一

对于TM模式Bessel天线，采用HFSS对天线进行了仿真。

将工作频率设定为10GHz；天线结构参数如下：半径为88.8mm,高度为1 mm；可重构阻抗表面结构上下层贴片尺寸为2.32mm,采用Rogers 6006介质基板，介点常数为6.15，高度为0.127mm；Bessel天线采用同轴馈电，在径向波导中激励起Bessel波，然后Bessel波在径向波导腔中传播时，通过可重构阻抗表面结构向自由空间中泄露出去，从而产生漏波。

可重构阻抗表面结构中的可调器件采用PIN开关，PIN开关布满整个可重构阻抗表面结构，如图3(a)所示。首先，PIN开关都处于断开状态，偏置电压为 0V。此时，Bessel天线产生k＝(0.85-j0.01)k₀的漏波。为了实现第I重构象限的非衍射波束的偏转，闭合第I重构象限可重构阻抗表面结构中的开关(I区的偏置电压V_I为1V)，此时，Bessel天线中I区域产生k＝(0.94-j0.012)k₀的漏波。其余三个区域(第Ⅱ重构象限、第Ⅲ重构象限和第Ⅳ重构象限)的PIN开关，仍保持断开状态(偏置电压V_II、V_III、V_IV保持0V不变)，产生k＝(0.85-j0.01)k₀的漏波。所以，此时可重构阻抗表面结构产生两种不同波数(k＝(0.94-j0.012)k₀和k＝(0.85-j0.01)k₀)的漏波，使Bessel天线产生的非衍射波束向I区方向偏转 17.4°。此时，波束的电场强度达到40.8dBV/m，在整个可重构超表面的开关数量为5124个。由于Bessel天线为对称结构，其他区域的非衍射波束方向偏转的实现，与第I重构象限闭合情况类同。

由于上千个开关会引入额外的损耗，本实施列通过采用遗传算法对PIN开关的布局进行优化，优化后的开关分布如图3(b)所示。当开关处于断开和闭合状态，可重构阻抗表面结构分别产生两种不同波数(k＝(0.93-j0.011)k₀和 k＝(0.86-j0.01)k₀)的漏波，与非优化可重构阻抗表面结构产生的波数基本保持不变。此时，Bessel天线产生的非衍射波束同样实现17.4°的偏转，如图5所示。整个可重构开关的数量为2112个。由于开关数量大大减少，Bessel天线产生的非衍射波束，其电场强度可达到45dBV/m，远远高于非优化超表面结构产生的电场强度。

本发明提出的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线结构通过设计可重构阻抗表面结构和设置不同重构象限的偏置电压，改变重构象限中可调器件开关的状态，对不同象限实现波数矢量k方向和大小的实时调控，电磁波在阻抗表面中的传播形成相位差，从而实现近场波束方向的偏移。适用于近场非衍射波束不同方向的传输，广泛应用于无线输能、近场探测、医疗成像、隐秘通信等领域中。

当然，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员应该可以根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，包括径向波导、同轴馈线和可重构阻抗表面结构，其特征在于：还包括设置于可重构阻抗表面结构中的可调器件；所述可重构阻抗表面结构为周期性贴片结构，所述可重构阻抗表面结构为四个重构象限；轴线上的贴片为四个重构象限的分界线；所述可调器件设置在重构象限里、非轴线上的贴片缝隙之间。

2.根据权利要求1所述的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，其特征在于：还包括直流偏置电路；所述重构象限中间的贴片由同轴馈电；所述直流偏置电路具体的是：直流偏置电压的正电压作用于与中心贴片相邻的贴片上，其负电压直接与径向波导的地板相连；所述四个重构象限采用不同的偏置电压；每个重构象限区域中的所有可调器件状态保持一致。

3.根据权利要求1所述的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，其特征在于：所述可重构阻抗表面结构包括介质层、上层金属贴片和下层金属贴片；所述可调器件设置于上层金属贴片之间。

4.根据权利要求2所述的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，其特征在于：采用直流电源控制可调器件的不同状态；直流电源通过直流偏置电路输入偏置电压，所述可调器件呈闭合状态；直流电源未馈入偏置电压，所述可调器件呈断开状态。

5.根据权利要求1所述的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，其特征在于：所述可调器件的位置和布局可采用遗传优化算法、粒子群算法，神经网络算法或蚁群算法。

6.根据权利要求1所述的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，其特征在于：所述可调器件，可采用PIN二极管、FET三极管开关、MEMS开关、或变容二极管。

7.根据权利要求1所述的非衍射波束方向可调的可重构Bessel天线，其特征在于：所述可重构阻抗表面可以为感性阻抗表面或容性阻抗表面。

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