CN110718755B - 一种可集成低剖面数字编码天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可集成低剖面数字编码天线，该天线由多个编码天线单元阵列组成，其中，编码天线单元由上至下依次包括相位控制层、基础天线层和馈电网络层，馈电网络层为编码天线提供电磁辐射源，基础天线层用于产生电磁辐射波，相位控制层通过改变其超表面的结构大小用以控制编码天线的辐射相位，从而实现不同电磁波束的辐射。本发明在控制天线的电磁辐射方面有很大的突破，使得天线的电磁辐射与数字编码相融合，能够很好地将数字世界和物理世界进行结合；而且制造简单、操作方便，和以前的改进方式相比具有绝对优势，在实际中具有很高的应用前景。

Description

一种可集成低剖面数字编码天线
技术领域
本专利所属电磁学领域，涉及电磁波辐射调控以及电磁超材料，具体涉及一种可集成低剖面数字编码天线。
背景技术
随着无线技术在通信和传感器网络中的日益广泛应用，以及对小型终端和移动设备的要求，尺寸小于自由空间一个波长的电小天线近年来受到了广泛的关注。电小天线的潜在应用包括通信系统、RFIDs和生物医学系统。此外，军用、无人机、个人通信系统等对电小天线也有一定的要求。在天线的设计过程中，效率高、易于构建、易于与其他通信设备集成、所需带宽和增益等是天线设计过程所需考虑的重要特性。在某些特殊情况下，当需要波束扫描时，天线的设计会更加复杂，需要将天线阻抗与馈源电路很好地匹配。一般来说，阵列天线的馈电是电小天线的关键，通常的方法是采用馈电网络或数字电路的形式。然而，众所周知，馈电网络或数字电路体积大、复杂度高、成本高、使用不便。因此，研制新型的用于微波区域辐射波控制的电小天线馈电机构仍然是一个挑战。
发明内容
发明目的：为解决现有技术的不足，本发明提供一种结构新颖、高效的7.29GHz的2-bit可集成低剖面数字编码天线；对电磁辐射波进行处理，可以有效地调制辐射电磁波。改善电小天线的馈电形式具有体积大、复杂度高、成本高、使用不便的现状，使得编码天线具有实现波束偏转、多波束和对编码天线进行数学运算的能力。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种可集成低剖面数字编码天线，该天线由多个编码天线单元阵列组成，其中，编码天线单元由上至下依次包括相位控制层、基础天线层和馈电网络层，馈电网络层为编码天线提供电磁辐射源，基础天线层用于产生电磁辐射波，相位控制层通过改变其超表面的结构大小用以控制编码天线的辐射相位，从而实现不同电磁波束的辐射。
可选的，馈电网络层包括第一基板，以及印刷在第一基板上的馈电网络，第一基板没有设置馈电网络的一侧面与基础天线层贴合，并通过过孔与基础天线层的对称开环谐振器电连接。
可选的，第一基板为Rogers04350基板。
可选的，基础天线层包括第二基板、设置在第二基板一侧面的金属板以及设置在第二基板另一侧面的对称开环谐振器，其中，金属板与馈电网络层贴合，开环谐振器与相位控制层贴合。
可选的，相位控制层包括第一超表面、第二超表面、第三超表面、第三基板、第四基板和第五基板，其中第一超表面设置在第三基板一侧面，第二超表面设置在第四基板一侧面，第三超表面设置在第五基板的一侧面；且第三基板没有设置第一超表面的一侧面与第四基板设置第二超表面的一侧面贴合，第四基板没有设置第二超表面的一侧面与第五基板设置第三超表面的一侧面贴合，第五基板没有设置第三超表面的一侧面与基础天线层贴合。
可选的，通过改变第一超表面、第二超表面和第三超表面的尺寸能够使得谐振频率改变，实现极化转换对应的入射波的频段可调性。
可选的，第一基板、第二基板和第三基板均为F4B基板。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明的天线制作简单，加工方便。设计的2-bit编码超表面天线，能够通过同时改变相位控制部分的三层超表面结构尺寸大小产生ψ，ψ+π/2，ψ+π，以及ψ+3π/2的相位差(其中ψ为常数)，即产生2-bit相位差(对应编码“00”，“01”，“10”，和“11”)。因此，本专利所设计的编码超表面天线具有很好编码特性。
(2)所述的2-bit编码超表面天线通过不同的相位编码组合产生不同的电磁辐射波束；例如，编码序列“S1(00 00 00 00 00 00 00 00)”可产生正出射电磁辐射单波束；编码序列“S2(00 01 10 11 00 01 10 11…)”可产生单偏折电磁辐射波束；编码序列“S3(0000 10 10 00 00 10 10…)”可产生双偏折对称的电磁辐射波束；编码系列“S4(00 10 0010…)”可产生对称偏折的电磁辐射四波束；同时，可对2-bit编码超表面天线进行卷积等数字运算，从而更加灵活的调控电磁辐射波束，例如，对编码序列“S2(00 01 10 11 00 01 1011…)”和编码序列“S3(00 00 10 10 00 00 10 10…)”进行操作，等到编码序列“S5(00 0110 11…10 11 00 01…)”，S5所对应的电磁波束为对称双偏折波束。
(3)本发明所设计的2-bit编码超表面天线能够进行周期性扩展，使得结构灵活多变，易于实现应用量产。
附图说明
图1为编码天线单元结构示意图；
图2为编码单元相位幅值分布示意图；
图3为编码单元辐射幅值分布示意图；
图4为编码天线示意图；
图5为不同编码序列所对应的编码天线阵列远场图；
图6为编码天线的卷积运算操作；
图7为编码序列“S2(00 00 00 00 00 00 00…)”所对应的编码天线阵列示意图以及仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
根据现有的电小天线现状，提出一种新型的、结构新颖，高效的2-bit编码超表面的天线。它包括可集成低剖面数字编码天线单元，该编码天线单元由相位控制部分、基础天线部分、以及馈电网络部分组成。其中，基础天线部分由对称开环谐振器组成；相位控制部分由三层超表面结构组成以控制上述编码天线的辐射相位从而实现不同电磁波束的辐射。
第一部分，基础天线部分由对称开环谐振器印刷在F4B基板上，产生电磁辐射波；第二部分，相位控制部分由三层超表面结构组成以控制上述编码天线的辐射相位从而实现不同电磁波束的辐射，其中三层超表面结构印刷分别在F4B基板上；第三部分，馈电网络部分为2-bit编码超表面的天线提供电磁辐射源，其中馈电网络部分印刷在RogersO4350基板上。
所述的一种用于7.29GHz的2-bit编码超表面天线，其特征在于该结构简单易加工，工作在7.29GHz可以任意控制编码超表面天线的辐射波束，具有实现波束偏转、多波束和对编码天线进行数学运算的能力。
本发明所设计的一种工作在7.29GHz的2-bit编码超表面天线，F4B基板尺寸大小为16mm×16mm×2mm，RogersO4350基板尺寸大小为16mm×16mm×1.524mm，电磁辐射增益理论能够达到20.86dBi。
图1为可集成低剖面数字编码天线单元结构示意图，依次包括相位控制层1、基础天线层2和馈电网络层3，其中，馈电网络层包括第一基板以及设置在第一基板一侧面的馈电网络，基础天线层包括第二基板23、设置在第二基板一侧面的对称开环谐振器21和设置在第二基板另一侧面的金属板22，基础天线层用于产生电磁波辐射；相位控制层包括第一超表面11、第二超表面12、第三超表面13、第三基板14、第四基板15和第五基板16，其中第一超表面11设置在第三基板14一侧面，第二超表面12设置在第四基板15一侧面，第三超表面13设置在第五基板16的一侧面；且第三基板14没有设置第一超表面的一侧面与第四基板15设置第二超表面的一侧面贴合，第四基板15没有设置第二超表面的一侧面与第五基板16设置第三超表面的一侧面贴合；第五基板没有设置第三超表面的一侧面与第二基板设置开环谐振器的一侧面贴合，第二基板设置金属板的一侧面与第一基板没有设置馈电网络的一侧面贴合。相位控制层由三层超表面结构组成，以控制上述编码天线的电磁波辐射相位，通过改变三层超表面结构的尺寸从而实现不同电磁波束的辐射。相位控制层和基础天线层，以及基础天线层和馈电网络层之间均通过压合工艺连接在一起。由图1中基础天线层放大图可知，基础天线层厚度为H1，开环谐振器一边长为L1，开环谐振器开环处开口为g，开环谐振器上设有via过孔，第二基板以及金属板相应位置也设有过孔，开环谐振器通过via过孔与馈电网络层的馈电网络电连接。
图2为编码天线单元相位幅值分布示意图，本发明设计了编码超表面的四个编码，分别表示代码“00”、“01”、“10”和“11”。四种编码粒子在工作频率7.29GHz下的辐射相位分别为145°、55°、-35°和-125°。
图3为编码天线单元辐射幅值分布示意图，四个编码天线单元的辐射幅值在7.29GHz时分别为0.87、0.91、0.75和0.55。
图4为编码天线示意图；(a)为8*8个图1所示的编码天线单元空间排列的编码天线阵列；(b)为1-bit和2-bit编码天线所对应的编码模块。其中a为基板尺寸，a＝16mm，p为超表面的边长，不同p对应不同的编码天线单元。通过排列不同bit的单元编码模块控制电磁波辐射。
图5为不同编码序列所对应的编码天线阵列远场图。(a)沿x轴方向的“S2(00 0110 11 00 01 10 11…)”产生沿x轴方向的单波束偏振；(b)沿y轴方向的“S2(00 01 10 1100 01 10 11…)”产生沿x轴方向的单波束偏振；(c)沿x轴方向的“S3(00 00 10 10 00 0010 10…)”产生沿x轴方向的双波束偏振；(d)沿y轴方向的“S3(00 00 10 10 00 00 1010…)”产生沿x轴方向的双波束偏振；(e)“S4(00 10 00 10…)”产生四波束偏振。
图6为编码天线的卷积运算操作。(a)编码序列“S2(00 01 10 11 00 01 10…)”对应的编码区域；(b)编码序列“S3(00 00 10 10 00 00 10 10…)”对应的编码区域；(c)S2和S3卷积操作得到的编码序列“S5(00 01 10 11…10 11 00 01…)”对应的编码区域；(d)编码序列S2所对应的电磁辐射方向图；(e)编码序列S2所对应的电磁辐射方向图；(f)编码序列S2所对应的电磁辐射方向图。
图7中(a)为编码天线上的电流分布；(b)为编码序列“S2(00 00 00 00 00 0000…)”所对应的编码天线在7.29GHz工作频率下的模拟三维电磁辐射远场图；(c)为编码序列S2所对应的编码天线反射系数；(d)编码序列S2所对应的编码天线的e面辐射图；(e)编码序列S2所对应的编码天线的h面辐射图。本发明通过调整结构及其对称结构的尺寸大小，能实现与极化转换以及调频特性。通过改变单元尺寸大小，能够使得谐振频率改变，实现了极化转换对应的入射波的频段可调性。
以上例子主要说明了电磁波极化转换器的优点。尽管只对其中一些本专利的实施方式进行了描述，但是本行业的技术人员应该了解，本专利不受上述实施例的限制，可以在不偏离其主旨与范围内许多其他的形式实施，这些变化和改进都落入要求保护的本专利范围内。
本发明在控制天线的电磁辐射方面有很大的突破，使得天线的电磁辐射与数字编码相融合，能够很好地将数字世界和物理世界进行结合。改善目前控制天线电磁辐射机制单一化的现状，开辟了控制天线电磁辐射的新方式。而且制造简单、操作方便，和以前的改进方式相比具有绝对优势，在实际中具有很高的应用前景。
本发明提出了一种基于2-bit编码超表面的天线，该天线由适当的空间编码单元构成，对电磁辐射波进行处理，并对编码阵列天线进行卷积运算，可以有效地调制辐射电磁波，实现不同的远场波束。与传统相控阵相比，超表面单元格作为移相器的功能更加模块化和简单。通过设计2-bit编码序列，可以任意控制编码超表面天线的辐射波束。编码天线的中心工作频率设计为7.29GHz。本发明研制了一种编码天线样机，实验结果与仿真结果吻合较好。所提出的2位编码天线具有实现波束偏转、多波束和对编码天线进行数学运算的能力。

Claims (3)

1.一种可集成低剖面数字编码天线，其特征在于，该天线由多个编码天线单元阵列组成，其中，编码天线单元由上至下依次包括相位控制层、基础天线层和馈电网络层，馈电网络层为编码天线提供电磁辐射源，基础天线层用于产生电磁辐射波，相位控制层通过改变其超表面的结构大小用以控制编码天线的辐射相位，从而实现不同电磁波束的辐射；
馈电网络层包括第一基板，以及印刷在第一基板上的馈电网络，第一基板没有设置馈电网络的一侧面与基础天线层贴合，并通过过孔与基础天线层的对称开环谐振器电连接；
基础天线层包括第二基板、设置在第二基板一侧面的金属板以及设置在第二基板另一侧面的对称开环谐振器，其中，金属板与馈电网络层贴合，开环谐振器与相位控制层贴合；
相位控制层包括第一超表面、第二超表面、第三超表面、第三基板、第四基板和第五基板，其中第一超表面设置在第三基板一侧面，第二超表面设置在第四基板一侧面，第三超表面设置在第五基板的一侧面；且第三基板没有设置第一超表面的一侧面与第四基板设置第二超表面的一侧面贴合，第四基板没有设置第二超表面的一侧面与第五基板设置第三超表面的一侧面贴合，第五基板没有设置第三超表面的一侧面与基础天线层贴合；
通过改变第一超表面、第二超表面和第三超表面的尺寸能够使得谐振频率改变，实现极化转换对应的入射波的频段可调性；通过同时改变相位控制部分的三层超表面结构尺寸大小产生ψ，ψ+π/2，ψ+π，以及ψ+3π/2的相位差，其分别对应编码“00”，“01”，“10”，和“11”，即产生2-bit相位差，通过不同的编码组合产生不同的电磁辐射波束。
2.根据权利要求1所述的一种可集成低剖面数字编码天线，其特征在于：第一基板为Rogers04350基板。
3.根据权利要求1所述的一种可集成低剖面数字编码天线，其特征在于：第一基板、第二基板和第三基板均为F4B基板。
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