CN110768016A - 两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线 - Google Patents

两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线，对每个两比特数字编码超材料单元进行周期性时序调制，通过控制一个调制周期内各单元通道上允许通过的射频信号的时间比例，实现对该两比特数字编码超材料单元的幅度加权；通过控制一个调制周期各单元通道上通过的射频信号的起始时刻，实现对该两比特数字编码超材料单元的相位加权。两比特数字编码超材料单元包括压控变容二极管，对压控变容二极管施加不同的偏置电压，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出不同的相位响应。该两比特数字编码超材料可作为一种低成本相控阵天线，具有电子波束扫描、电磁隐身以及方向图综合能力，本发明尤其适用于需要低复杂度、结构简洁、低成本的具有波束扫描和跟踪能力的雷达、通信、导航以及电子战系统。

Description

两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线
技术领域
本发明涉及天线工程技术领域，具体涉及一种两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线。
背景技术
电磁超材料是一类周期性或非周期性亚波长结构阵列，通过设计超材料的人造散射体(超原子)结构以及其排列方式,可以对外加电磁场产生相对应的响应，可以获得天然材料所不具备的超常物理性质，从而具有一系列新颖的电磁调控能力，在雷达天线等系统中有着极大的应用前景。
现有文献中关于电可控超材料与超表面的研究都是通过控制超材料上单元的空域编码分布来实现电子波束扫描、多波束辐射等功能，常用的单元也多为一比特，从而产生诸如相位量化精度低、扫描增益偏低、旁瓣电平值高及扫描精度差等问题，在实际应用中受到极大的限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线，将空域编码与周期性时序调制相结合，提高天线性能。
为了达到上述的目的，本发明提供一种两比特数字编码超材料周期性时序调制方法，对每个两比特数字编码超材料单元进行周期性时序调制，通过控制一个调制周期内各两比特数字编码超材料单元上允许通过的射频信号的时间比例，实现对该两比特数字编码超材料单元的幅度加权；通过控制一个调制周期内各两比特数字编码超材料单元上通过的射频信号的起始时刻，实现对该两比特数字编码超材料单元的相位加权。
上述两比特数字编码超材料周期性时序调制方法，其中，在给定的波束指向及旁瓣电平的约束条件下，通过波束方向图综合方法得到各两比特数字编码超材料单元上应施加的归一化幅度权值和相位权值，设第i个两比特数字编码超材料单元上应施加的幅度权值为Ai，应施加的相位权值为φi；在一个调制周期Tp内，允许射频信号通过的时间为AiTp；将一个调制周期Tp内允许射频信号通过的时间AiTp等分成四份，分别产生0度、90度、180度和270度的相位状态，即设定0度相位状态为初始相位状态，则在一个调制周期Tp内，第i个两比特数字编码超材料单元的初始相位状态的调制时间延时为
Figure BDA0002094500170000021
上述两比特数字编码超材料周期性时序调制方法，其中，两比特数字编码超材料单元反射或透射过的电磁波的主要能量搬移到第一次谐波分量上。
本发明提供的另一技术方案是一种两比特数字编码超材料，为多个两比特数字编码超材料单元排列成的阵列结构，所述两比特数字编码超材料单元包括压控变容二极管，对压控变容二极管施加不同的偏置电压，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出不同的相位响应；所述两比特数字编码超材料采用上述两比特数字编码超材料周期性时序调制方法。
上述两比特数字编码超材料，其中，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出四种相位响应：0度、90度、180度和270度，分别对应于数码“00”、数码“01”、数码“10”和数码“11”四种编码状态。
本发明提供的又一技术方案是一种两比特数字编码超材料相控阵天线，天线阵列为两比特数字编码超材料，采用上述两比特数字编码超材料周期性时序调制方法实现波束扫描和多波束辐射。
上述两比特数字编码超材料相控阵天线，其中，所述两比特数字编码超材料为多个两比特数字编码超材料单元排列成的阵列结构，所述两比特数字编码超材料单元包括压控变容二极管，对压控变容二极管施加不同的偏置电压，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出不同的相位响应。
上述两比特数字编码超材料相控阵天线，其中，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出四种相位响应：0度、90度、180度和270度，分别对应于数码“00”、数码“01”、数码“10”和数码“11”四种编码状态。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
1)本发明将空域编码调制和单元的周期性时序调制结合，可以将射频信号的能量搬移至第一次谐波分量上，实现了相位和幅度的同时加权，有效解决了传统调谐超材料具有的扫描增益偏低、旁瓣电平值高及扫描精度差等问题；
2)相比传统采用双PIN二极管的两比特超材料单元，本发明的两比特数字编码超材料单元通过引入压控变容二极管，极大地简化了单元结构，有效缩减了偏置控制线的数目；
3)本发明的两比特数字编码超材料可采用常规的PCB工艺制作，易于加工，便于量产，并具有厚度小、成本低和集成度高等优点；
4)本发明提供了一种结构简单、损耗低的具有电子波束扫描、电磁隐身以及方向图综合能力的多功能新型相控阵天线系统，本发明尤其适用于需要低复杂度、低成本的具有波束扫描和跟踪能力的雷达、通信、导航以及电子战系统。
附图说明
本发明的两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线由以下的实施例及附图给出。
图1为本发明较佳实施例的两比特数字编码超材料的结构示意图。
图2为本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料单元的结构示意图。
图3为本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料单元的结构尺寸标注图。
图4为本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料单元在表征四种数码态“00”、“01”、“10”和“11”时散射参量的幅频特性曲线。
图5本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料单元在表征四种数码态“00”、“01”、“10”和“11”时散射参量的相频特性曲线。
图6为本发明较佳实施例中8×8两比特数字编码超材料的示意图。
图7为本发明较佳实施例中单元αmn的相位调制时序与参考单元的相位调制时序的相对关系示意图。
图8为本发明较佳实施例中经过周期性相位调制后的射频信号的归一化频谱。
图9为本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料的波束方向图。
具体实施方式
以下将结合图1～图9对本发明的两比特超材料周期性时序调制方法、超材料及相控阵天线作进一步的详细描述。
图1所示为本发明较佳实施例的两比特数字编码超材料的结构示意图；图2所示为本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料单元的结构示意图；图3所示为本发明较佳实施例中两比特数字编码超材料单元的结构尺寸标注图。
参见图1至图3，本实施例的两比特数字编码超材料包括两比特数字编码超材料单元和信号处理板2，多个所述两比特数字编码超材料单元排列成阵列结构。所述两比特数字编码超材料单元包括第一介质基板11、金属地板12、第二介质基板13、反射贴片14、压控变容二极管15和偏置控制线16；所述第一介质基板11、所述金属地板12和所述第二介质基板13依次层叠形成三明治结构；所述反射贴片14贴于所述第一介质基板11上；所述偏置控制线16置于所述第一介质基板11和第二介质基板13表面之间；所述压控变容二极管15一端接地，另一端与所述反射贴片14连接；所述偏置控制线16一端连接所述反射贴片14中心的电压零点处，另一端与所述信号处理板2连接；所述偏置控制线16连接反射贴片的一端设计了终端开路的扇形枝节17，以减少对高频信号的影响。
本实施例的数字编码超材料单元的特点是在其结构中集成一个压控变容二极管15，通过对压控变容二极管15施加不同的偏置电压，使得数字编码超材料单元对入射波呈现出四种相位响应：0度、90度、180度和270度，分别对应于数码“00”、数码“01”、数码“10”和数码“11”四种编码状态，即本实施例的数字编码超材料单元为两比特数字编码超材料单元。
对每个两比特数字编码超材料单元，所述信号处理板2均通过两比特数码指令控制施加在该两比特数字编码超材料单元中压控变容二极管15上的偏置电压，使该两比特数字编码超材料单元对入射波呈现相应不同相位响应。
本发明在传统数字编码超材料空域编码调制基础上，创新性地加入对每个两比特数字编码超材料单元的周期性时序调制。无论是空域编码调制，还是每个两比特数字编码超材料单元的周期性时序调制，都利用信号处理板2实现。
对于一个两比特数字编码超材料单元，所述周期性时序调制包括：
通过控制一个调制周期内各两比特数字编码超材料单元上允许通过的射频信号的时间比例，实现对该两比特数字编码超材料单元的幅度加权；
通过控制一个调制周期内各两比特数字编码超材料单元上通过的射频信号的起始时刻，实现对该两比特数字编码超材料单元的相位加权。
对于两比特数字编码超材料，采用下述周期性时序调制方法实现波束扫描：
在给定的波束指向及旁瓣电平的约束条件下，通过波束方向图综合方法得到各两比特数字编码超材料单元上应施加的归一化幅度权值和相位权值；设第i个两比特数字编码超材料单元上应施加的幅度权值为Ai，应施加的相位权值为φi；
在一个调制周期Tp内，利用信号处理板2对第i个两比特数字编码超材料单元中的压控变容二极管15施加控制电压(即偏置电压)，允许射频信号通过的时间为AiTp；
将一个调制周期Tp内允许射频信号通过的时间AiTp等分成四份，分别产生0度、90度、180度和270度的相位状态，即设定0度相位状态为初始相位状态，则在一个调制周期Tp内，第i个两比特数字编码超材料单元的初始相位状态的调制时间延时为
Figure BDA0002094500170000061
需要说明的是，本发明的周期性时序调制方法并不局限于对本实施例的两比特数字编码超材料单元适用，同样适用于传统采用双PIN二极管的两比特超材料单元。
本实施例中，在压控变容二极管15上施加不同偏置电压，压控变容二极管15呈现出四种不同的电容值C＝60fF,23fF,17.5fF,10fF，分别对应于两比特数字编码超材料单元的四种反射相位响应：0度、90度、180度和270度，从而形成数码“00”、数码“01”、数码“10”和数码“11”四种编码状态。
图4给出了本实施例的两比特数字编码超材料单元在表征四种数码态“00”、“01”、“10”和“11”时散射参量的幅频特性曲线；两比特数字编码超材料单元在四种数码态下都保持了较好的传输特性，在中心频点33GHz处的单元损耗均小于2dB。图5给出了本实施例的两比特数字编码超材料单元在表征四种数码态时的相频特性曲线，在中心频率33GHz处两比特数字编码超材料单元在四种数码态下的反射相差保持在90°。
如图6所示的8×8矩形分布的两比特数字编码超材料，设两比特数字编码超材料单元为αmn(m,n＝1,2,...,8)。假设馈源天线到单元αmn的距离为lmn，要使该两比特数字编码超材料形成的发射波束指向(30°，60°)，采用等相位面方向图综合方法可得各单元上的相位权值为φmn。为得到最高的阵列增益，采用等幅度加权，即各两比特数字编码超材料单元上的归一化幅度权值均为1。
考虑到馈源天线与两比特数字编码超材料之间的相位差，单元αmn上应产生的相位
Figure BDA0002094500170000062
应满足以下关系式：
Figure BDA0002094500170000063
其中λ为发射信号的波长，由上式可求得
Figure BDA0002094500170000064
为：
Figure BDA0002094500170000065
图7给出了加载在各两比特数字编码超材料单元上的移相状态的示意图，其中0度，90度，180度和270度的相移由信号处理板控制两比特数字编码超材料单元中压控变容二极管的偏置电压而产生。图7中的第一行表示了相位为0时的相移状态，可知两比特数字编码超材料单元上的相移状态在0度，90度，180度和270度之间切换，并且重复周期为Tp。相应的，单元αmn上的相位权为
Figure BDA0002094500170000071
则加载在单元αmn。
αmn上的调制时间相对于相位为0时的调制时间的时移量为：
Figure BDA0002094500170000072
假设发射信号的载波频率为1GHz，调制周期为1us。在周期性时序调制下，经过调制后产生的信号的归一化频谱如图8所示，从图8中可以看出，单频信号(1GHz)经过周期性时序调制后，其主要能量已搬移至第一次谐波分量(1.001GHz)处。
对两比特数字编码超材料的各单元完成如前所示的周期性时序调制后，得到的第一次谐波分量(1.001GHz处)的波束方向图如图9所示，可以看到旁瓣电平值较最大增益下降25dB以上。
依据前述的幅度和相位控制方法，本实施例还提供一种相控阵天线，该相控阵天线采用所述两比特数字编码超材料作为天线阵列，该相控阵天线结合空域编码调制和周期性时序调制实现波束扫描、多波束辐射。
本实施例以反射式两比特数字编码超材料为例介绍了本发明的两比特数字编码超材料周期性时序调制方法及两比特数字编码超材料，但该创新思路同样适用于透射式两比特数字编码超材料。
本发明的相控阵天线尤其适用于需要低复杂度、低成本的具有波束扫描和跟踪能力的雷达、通信、导航以及电子战系统。

Claims (8)

1.两比特数字编码超材料周期性时序调制方法，其特征在于，对每个两比特数字编码超材料单元进行周期性时序调制，通过控制一个调制周期内各两比特数字编码超材料单元上允许通过的射频信号的时间比例，实现对该两比特数字编码超材料单元的幅度加权；通过控制一个调制周期内各两比特数字编码超材料单元上通过的射频信号的起始时刻，实现对该两比特数字编码超材料单元的相位加权。
2.如权利要求1所述的两比特数字编码超材料周期性时序调制方法，其特征在于，在给定的波束指向及旁瓣电平的约束条件下，通过波束方向图综合方法得到各两比特数字编码超材料单元上应施加的归一化幅度权值和相位权值，设第i个两比特数字编码超材料单元上应施加的幅度权值为Ai，应施加的相位权值为φi；
在一个调制周期Tp内，允许射频信号通过的时间为AiTp；
将一个调制周期Tp内允许射频信号通过的时间AiTp等分成四份，分别产生0度、90度、180度和270度的相位状态，即设定0度相位状态为初始相位状态，则在一个调制周期Tp内，第i个两比特数字编码超材料单元的初始相位状态的调制时间延时为
Figure FDA0002094500160000011
3.如权利要求1所述的两比特数字编码超材料周期性时序调制方法，其特征在于，两比特数字编码超材料单元反射或透射过的电磁波的主要能量搬移到第一次谐波分量上。
4.两比特数字编码超材料，是多个两比特数字编码超材料单元构成的阵列结构，其特征在于，所述两比特数字编码超材料单元包括压控变容二极管，对压控变容二极管施加不同的偏置电压，两比特数字编码超材料单元会对入射波呈现出不同的相位响应；所述两比特数字编码超材料采用如权利要求1至3中任一权利要求所述的两比特数字编码超材料周期性时序调制方法。
5.如权利要求4所述的两比特数字编码超材料，其特征在于，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出四种相位响应：0度、90度、180度和270度，分别对应于数码“00”、数码“01”、数码“10”和数码“11”四种编码状态。
6.两比特数字编码超材料相控阵天线，其特征在于，天线阵列为两比特数字编码超材料，采用如权利要求1至3中任一权利要求所述的两比特数字编码超材料周期性时序调制方法实现波束扫描和多波束辐射。
7.如权利要求6所述的两比特数字编码超材料相控阵天线，其特征在于，所述两比特数字编码超材料为多个两比特数字编码超材料单元排列成的阵列结构，所述两比特数字编码超材料单元包括压控变容二极管，对压控变容二极管施加不同的偏置电压，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出不同的相位响应。
8.如权利要求7所述的两比特数字编码超材料相控阵天线，其特征在于，两比特数字编码超材料单元对入射波呈现出四种相位响应：0度、90度、180度和270度，分别对应于数码“00”、数码“01”、数码“10”和数码“11”四种编码状态。
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