CN111129726A - 低剖面基片集成波导可编程超材料天线 - Google Patents

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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体为一种低剖面基片集成波导可编程超材料天线。本发明天线结构包括上层介质、底层介质，还包括：超材料天线单元，二极管，扇形偏置线；天线单元刻蚀于上层介质表面，扇形直流偏置线印刷在底层介质的下表面，天线单元和扇形偏置线通过金属通孔相连；二极管加载在超材料天线单元上；上层介质与底层介质之间通过粘接层相连接。本发明可编程超表面天线，通过FPGA输入特定的数字编码序列，能动态产生窄扫描波束、宽扫描波束或多波束。本发明基于基片集成波导技术，具备低泄露损耗，易集成、易加工，高功率容量的优势。

Description

低剖面基片集成波导可编程超材料天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体地涉及一种基片集成波导可编程超材料天线。
背景技术
超表面是二维形式的超材料，通过人为设计亚波长尺度单元结构及其阵列布局来操纵电磁波，实现某些特定用途如异常反射、散射或辐射电磁波。由于具有灵活度高和易于制造的优点，超表面已被广泛应用于各种场合，包括安检、微波成像和RCS缩减。传统的超表面由一组具有不同相位因子的单元组成，人们可以按照阵列式原理设计其编码，来达到操控电磁波的目的。但是，静态超表面在制作完成后，功能固化不可改变。新兴的应用要求实时多功能控制电磁波。可编程超表面是静态超表面的动态版本，其中每个单元都可以动态调节，通常通过在设计中加入可切换的开关二极管，变容二极管或MEMS来实现。可编程超表面在许多新的场合中得到了应用，包括合成孔径雷达系统、成像和通信。可编程超表面在一定程度上将传统一维电路域的时间信号处理和相关信息理论引入了前端三维电磁场域。因此，可编程超材料（超表面）也被称为“信息超材料（超表面）”。
通过对现有的文献和技术检索发现，H. Yang等人在IEEE Transactions onAntenna and Propagation (天线传播)期刊上发表了“A 1-Bit 10×10 ReconfigurableReflectarray Antenna: Design, Optimization, and Experiment”（一个一比特10×10可重构反射阵天线：设计，优化，和实验）所提出的一比特超表面展示了多用途的波束操纵能力，超表面使用空间喇叭天线馈电，由于馈源天线通常需要一定的自由空间距离照射，因此该超表面天线剖面高。另一个缺点是由于反射损耗导致效率低。杜克大学T. Sleasman等人在IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters (天线和无线传播)期刊上发表了“Waveguide-fed tunable metamaterial element for dynamic apertures”（用于动态孔径的波导馈电可调超材料单元），该超表面使用微带线侧馈的方式，剖面较低，可以产生扫描波束，但微带线的固有缺陷，如高泄露损耗，低功率容量限制了其应用。另外，该超表面的偏置电路对导行波的反射较大，导致辐射效率降低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足和缺陷，提供一种低泄露损耗、高功率容量的低剖面基片集成波导可编程超表面天线。
本发明提供的低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其结构如图1、图2、图3所示，包括上层介质、底层介质，还包括：超材料天线单元，二极管，扇形偏置线；其中，超材料天线单元刻蚀在上层介质（即基片集成波导）的上表面，用以隔离射频信号的扇形直流偏置线印刷在底层介质的下表面，天线单元和扇形偏置线通过金属通孔相连；二极管加载在超材料天线单元上；上层介质与底层介质之间通过粘接层相连接。
本发明中，接地板位于上层介质和粘接层之间，SMA接头的外导体与接地板相连，SMA接头的内芯与上层金属连接。
本发明中，所述的天线单元由一个矩形环状缝隙和一对T形缝隙组成；缝隙宽度均在0.1-0.4mm范围内；环状缝隙外环长宽分别在4mm-6mm和2mm-4mm范围内，内环长宽分别在4mm-5mm和2mm-3mm范围内；T形缝隙沿SIW横向缝隙长度在0.3mm-1mm范围内，沿SIW纵向缝隙长度在1-2mm范围内。
本发明中，上层介质两端各有一个梯形巴伦结构，沿SIW纵向巴伦长度在9mm-11mm范围内，沿SIW横向巴伦长边和短边长度分别在2mm-4mm和6mm-8mm范围内。
本发明中，接地板位于天线正下方，并有一个圆形缝隙，该圆形缝隙直径在0.5mm-1mm范围内。
本发明中，天线单元与一个直径在0.2mm-0.6mm的金属通孔相连，金属通孔穿过地板上的圆形缝隙与背面的扇形偏置线连接。
本发明中，所述的扇形偏置线印刷在底层介质的下表面，由矩形微带线和扇形结构组成。矩形微带线宽度在0.4mm-0.8mm范围内，扇形结构的直径在3mm-4mm范围内。
通过FPGA输入不同的数字编码序列，该超表面能动态产生窄扫描波束，宽扫描波束和多波束。
本发明中，天线单元偏于离SIW中心，减小了对导行波的反射，利用金属通孔穿过地板实现对二极管的偏置，将馈源和天线集成设计，充分降低了天线的剖面。另外，本发明基于基片集成波导技术，具备低泄露损耗，易于集成，易于加工，高功率容量的优势。仿真结果表明：输入不同编码时，天线可以产生窄扫描波束，宽扫描波束，多波束。天线的散射参数显示，在谐振频率处具备良好的阻抗匹配效果，具有较高的增益。天线整体尺寸为160×25×2.1mm3 (长×宽×高)。
附图说明
图1为本发明基片集成波导可编程超表面天线正面结构示意图。
图2为本发明基片集成波导可编程超表面天线背面结构示意图。
图3为本发明基片集成波导可编程超表面天线侧视图。
图4为本发明基片集成波导可编程超表面天线产生的窄扫描波束和宽扫描波束方向图。（a）和（b）表示两种不同指向不同波束宽度的扫描波束。
图5为本发明基片集成波导可编程超表面天线产生的多波束方向图。
图中标号：1为SMA接头，2为上层介质层，3为梯形巴伦结构，4为金属通孔，5为天线单元，6为二极管，7为底层介质层，8为扇形偏置线，9为中间粘接层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1-3所示，本发明提供了一种新型低剖面基片集成波导可编程超表面天线，工作频率为12GHz，整体尺寸160×25×2.1mm3（长×宽×高），本实施例包括：SMA接头1，上层介质层2，梯形巴伦结构3，金属通孔4，天线单元5，二极管6，底层介质层7，扇形偏置线8，中间粘接层9。
如图1所示，本实施例所述的超材料天线单元5刻蚀在介质基板2的上表面；所述的SMA接头1和梯形巴伦结构3相连。
如图1和2所示，本实施例所述的基片集成波导可编程超表面天线经过全波仿真软件ANSYS HFSS优化，得到沿SIW横向巴伦长边和短边长度分别为3mm和7mm时，散射参数结果较好。
如图1所示，天线单元的间距为6mm。
如图3所示，本实施例所述的介质基板2为Rogers 4003, 介电常数3.55，介质厚度1.524mm，底层介质基板7为Rogers 4003, 介电常数3.55，介质厚度0.508mm，粘接层为RO4450F，介电常数为3.52，厚度为0.101mm。
本实施例所述的基片集成波导可编程超表面天线在输入表格1所示编码时可产生不同波束宽度的扫描波束。
本实施例所述的基片集成波导可编程超表面天线在输入表格2所示编码时可产生多波束。
本实施例所述的基片集成波导可编程超表面天线在输入表格1所示编码序列时，产生了不同指向不同波束宽度的扫描波束，如图4(a)和图4(b)所示。图4(a) 中方点（黑色）、圆点红色、三角形点（蓝色）曲线分别为输入编码1、编码2、编码3时，超表面天线的方向图，波束指向分别为-25°，14°和33°，波束宽度分别为15.7°，13.0°，10.9°。图4（b）中方点（黑色）、圆点红色、三角形点（蓝色）曲线分别为输入编码4、编码5、编码6时，超表面天线的方向图，波束指向分别为-25°，15°和33°，波束宽度分别为24.8°，19.0°，18.8°。
本实施例所述的基片集成波导可编程超表面天线在输入表格2所示编码序列时，产生了多波束，如图5所示，方点（黑色）、圆点红色、三角形点（蓝色）曲线分别为输入编码7、编码8、编码9时，超表面天线的方向图，超表面分别产生了双波束、三波束、四波束。
本发明的技术方案不限于上述具体事实例的限制，如本发明为基片集成波导可编程超表面天线，改变尺寸可适用于微波、毫米波波段，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。
表格1 ，不同宽度扫描波束编码
Figure DEST_PATH_IMAGE002
表格2， 多波束编码
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。

Claims (7)

1.一种低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，结构包括上层介质、底层介质，还包括：超材料天线单元，二极管，扇形偏置线；其中，天线单元刻蚀于上层介质表面，用以隔离射频信号的扇形直流偏置线印刷在底层介质的下表面，天线单元和扇形偏置线通过金属通孔相连；二极管加载在超材料天线单元上；上层介质与底层介质之间通过粘接层相连接；
接地板位于上层介质和粘接层之间，SMA接头的外导体与接地板相连，SMA接头的内芯与上层金属连接。
2.根据权利要求1所述的低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，所述的天线单元由一个矩形环状缝隙和一对T形缝隙组成；环状缝隙外环长宽分别在4mm-6mm和2mm-4mm范围内，内环长宽分别在4mm-5mm和2mm-3mm范围内；T形缝隙沿SIW横向缝隙长度在0.3mm-1mm范围内，沿SIW纵向缝隙长度在1-2mm范围内。
3.根据权利要求1所述的低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，所述上层介质两端各有一个梯形巴伦结构，沿SIW纵向巴伦长度在9mm-11mm范围内，沿SIW横向巴伦长边和短边长度分别在2mm-4mm和6mm-8mm范围内。
4.根据权利要求1所述的低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，接地板位于天线正下方，并有一个圆形缝隙，该圆形缝隙直径在0.5mm-1mm范围内。
5.根据权利要求4所述的基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，所述金属通孔直径在0.2-0.4mm范围内，金属通孔穿过地板上的圆形缝隙与背面的扇形偏置线连接。
6.根据权利要求4所述的低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，所述的扇形偏置线印刷在底层介质的下表面，由矩形微带线和扇形结构组成；矩形微带线宽度为0.5-1mm范围内，扇形结构的直径在2-4mm范围内。
7.根据权利要求1-6之一所述的低剖面基片集成波导可编程超表面天线，其特征在于，通过FPGA输入不同的数字编码序列，该超表面能动态产生窄扫描波束、宽扫描波束和多波束。
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