CN110783705A - 一种电磁超表面单元及相应天线 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种电磁超表面单元及相应天线，其中，电磁超表面单元包括位于上部的辐射金属层、中间的介质基板和下部的金属地；所述辐射金属层具有以下结构：中心处为具有一定宽度的圆环，在所述圆环外沿相接4个半径R的圆盘，所述圆盘均匀分布在圆环四周；在圆环和圆盘所形成的结构周围围绕一条环带，所述环带内侧与其内部的圆环或圆盘的外侧间距相同。本发明通过控制电磁超表面单元大小，在10GHz工作频率情况下实现了450°反射相移。利用遗传算法自动优化出仅相位加权的平顶宽波束的相位分布，并通过本电磁超表面单元实现相位补偿，最终达到增大半功率波束宽度的目的。

Description

一种电磁超表面单元及相应天线
技术领域
本发明涉及电磁表面领域，特别是一种电磁超表面单元及由此电磁超表面单元制成的天线。
背景技术
人工电磁超表面天线是一类由工作状态不同的贴片或者孔径单元，按照二维矩形栅格排列形成的准周期结构，它对入射的平面电磁波起到空间移相的作用。
近几年电磁表面（metasurfce，MS）持续不断在电磁领域引起了极大的关注。 MS通常由具有亚波长的周期性或局部非周期性结构的单元周期排列组成。在过去的五年中，MS迎来了在理论和实践研究的黄金时代。许多MS的应用已经出现在聚焦领域，异常折射/反射方向，表面等离子体激元耦合，减少雷达散射截面（RCS），以及极化操纵等。
最近，有一种新的MS重新分配沿MS的功率实现完美的异常反射和光束分裂。通常MS单元的基本特征是相移范围超过360°。通过改变单元结构大小或旋转基板上的辐射单元角度来实现相位移动。然后，通过在MS上固定适当的相位分布，可以灵活地控制电磁表面天线阵的波束方向，改善天线性能，转换天线极化，并减少天线的RCS。
随着5G通信时代的到来，国内通信覆盖率几乎达到百分之百。对于通信需求比较高的地区，通信公司一般会选择增加基站数量来满足用户需求，但是会承担高额的基站费用。假设选择一款高增益宽波束天线作为基站天线，通信公司在通信需求比较高的地区将不再需要增加基站数量了，因此，研究高增益宽波束天线相当重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种电磁超表面单元及相应天线，通过控制电磁超表面单元大小，在10GHz工作频率情况下实现了450°反射相移。利用遗传算法自动优化出仅相位加权的平顶宽波束的相位分布，并通过本电磁超表面单元实现相位补偿，最终达到增大半功率波束宽度的目的。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种电磁超表面单元，包括位于上部的辐射金属层、中间的介质基板和下部的金属地；所述辐射金属层具有以下结构：中心处为具有一定宽度的圆环，在所述圆环外沿相接4个半径R的圆盘，所述圆盘均匀分布在圆环四周；在圆环和圆盘所形成的结构周围围绕一条环带，所述环带内侧与其内部的圆环或圆盘的外侧间距相同。
进一步地，所述辐射金属层采用铜皮。
进一步地，所述介质基板采用聚四氟乙烯。
进一步地，所述介质基板的厚度为2mm。
进一步地，所述金属地采用铜皮。
一种由上述电磁超表面单元制成的天线，所述天线为准X波段矩形喇叭天线，电磁超表面单元按照二维矩形栅格排列形成的准周期结构，天线口径尺寸为41mm*37mm，喇叭长70mm，矩形波导口径为22.86 mm*10.16 mm，波导长20mm。
进一步地，在反射面大小为330mm* 330mm的情况下，选取焦径比为0.667。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过控制电磁超表面单元大小，在10GHz工作频率情况下实现了450°反射相移。利用遗传算法自动优化出仅相位加权的平顶宽波束的相位分布，并通过本电磁超表面单元实现相位补偿，最终达到增大半功率波束宽度的目的。若选用该种高增益宽波束天线作为基站天线，那么在增益满足要求的基础下，天线覆盖面积将会增加，因此通信公司在通信需求比较高的地区将不再需要增加基站数量了。
附图说明
图1是反射单元（电磁超表面单元）整体结构俯视图。
图2是反射单元（电磁超表面单元）整体结构侧视图。
图3是反射单元（电磁超表面单元）整体结构立体图。
图4是反射单元旋转0°时示意图。
图5是反射单元旋转25°时示意图。
图6是反射单元旋转45°时示意图。
图7 反射单元旋转0°、25°以及45°相位随直径变化图。
图8遗传算法优化平顶宽波束方向图。
图9 矩形喇叭天线结构图。
图10 聚焦波束H面方向图。
图11平顶宽波束H面方向图。
图中：辐射金属层1；介质基板2；金属地3；圆环4；圆盘5；环带6。
具体实施方式
下面通过具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明通过控制电磁超表面单元大小，在10GHz工作频率情况下实现了450°反射相移。利用遗传算法自动优化出仅相位加权的平顶宽波束的相位分布，并通过本电磁超表面单元实现相位补偿，最终提出了一款21x21的电磁表面平顶宽波束反射天线，增益达到21dBi，半功率波束宽度达到15°；同时设计了一款同等大小的聚焦波束电磁表面反射天线，波束宽度为5°，前者相比于后者，半功率波束宽度展宽了近10°。
一、电磁超表面单元
如图1至图3所示，单元结构分为三层，上部与最下部分别为辐射金属层1（可采用铜皮）与金属地3（可采用铜皮），两层之间由厚度2mm的聚四氟乙烯作为介质基板2隔开。所述辐射金属层1具有以下结构：中心处为具有一定宽度的圆环4，在所述圆环4外沿相接4个半径R的圆盘5，所述圆盘5均匀分布在圆环4四周；在圆环4和圆盘5所形成的结构周围围绕一条环带6，所述环带6内侧与其内部的圆环4或圆盘5的外侧间距相同。
圆盘5的圆半径为R，通过调节圆盘5的半径R，获取反射相位变化量。同时，电场与磁场方向不变的情况下，将辐射单元分别旋转0°、25°和45°，电磁超表面单元结构如图4至图6所示，相移结果如图7所示。
由图7可知三种旋转角度下，相移基本不发生改变，由此可得出此电磁超表面单元还具有极化不敏感特性，反射相位变化范围达到450°，同时由于该电磁超表面单元存在金属地3，所以反射幅度接近1，符合利用遗传算法实现仅相位加权的平顶宽波束设计要求。利用遗传算法，在构建初始种群时，设置相位范围为0~180°，激励幅度为1即可完成仅相位加权初始种群设计，目标方向图函数设计为矩形窗口形式。由遗传算法优化出的平顶宽波束方向图如图8所示。
二、由人工电磁表面设计的天线
电磁表面天线采用空馈形式，设计的标准X波段矩形喇叭天线结构如图9所示，电磁超表面单元按照二维矩形栅格排列形成的准周期结构，天线口径尺寸为41mm*37mm，喇叭长70mm；矩形波导口径为22.86 mm * 10.16 mm，波导长20mm。由于喇叭天线采用正馈方式，焦径比过小，波束增益提高，但副瓣明显增大；焦径比过大，增益将会降低。在反射面大小为330mm* 330mm的情况下，经多次比较，选取焦径比为0.667，效果最佳。
1、人工电磁表面聚焦波束设计
前面已完成馈源相位提取，当馈源天线波束照射到反射面上时，反射单元对其移相，使得反射单元辐射出去时相位为0。所以直接将提取的馈源相位取相反数就可以得到需要的补偿相位。利用仿真软件对其进行仿真求解，人工电磁表面聚焦波束天线聚焦波束H面方向图如图10所示，人工电磁表面聚焦波束天线增益为 27.9dBi，半功率波瓣宽度为4.7°。
2、人工电磁表面平顶宽波束设计
平顶宽波束相位补偿方法是在聚焦波束的补偿相位上在，再加上利用遗传算法优化出来的宽波束的相位分布。所以宽波束人工电磁表面反射阵单元所需补偿相位为：遗传优化出来的相位分布减去馈源相位分布。最终仿真平顶宽波束H面方向图如图11所示，人工电磁表面平顶宽波束天线增益为 21.1dBi，半功率波瓣宽度为16.4°。同比聚焦波束，增益下降6.8dBi，半功率波束宽度增加9.4 °。

Claims (7)

1.一种电磁超表面单元，其特征在于，包括位于上部的辐射金属层（1）、中间的介质基板（2）和下部的金属地（3）；所述辐射金属层（1）具有以下结构：中心处为具有一定宽度的圆环（4），在所述圆环（4）外沿相接4个半径R的圆盘（5），所述圆盘（5）均匀分布在圆环（4）四周；在圆环（4）和圆盘（5）所形成的结构周围围绕一条环带（6），所述环带（6）内侧与其内部的圆环（4）或圆盘（5）的外侧间距相同。
2.根据权利要求1所述的一种电磁超表面单元，其特征在于，所述辐射金属层（1）采用铜皮。
3.根据权利要求1所述的一种电磁超表面单元，其特征在于，所述介质基板（2）采用聚四氟乙烯。
4.根据权利要求3所述的一种电磁超表面单元，其特征在于，所述介质基板（2）的厚度为2mm。
5.根据权利要求1所述的一种电磁超表面单元，其特征在于，所述金属地（3）采用铜皮。
6.一种由权利要求1至5任一项的电磁超表面单元制成的天线，其特征在于，所述天线为准X波段矩形喇叭天线，电磁超表面单元按照二维矩形栅格排列形成的准周期结构，天线口径尺寸为41mm*37mm，喇叭长70mm，矩形波导口径为22.86 mm*10.16 mm，波导长20mm。
7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，在反射面大小为330mm* 330mm的情况下，选取焦径比为0.667。
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