CN111162374A - 基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于一比特时间调制数字编码超表面的超低旁瓣相控阵系统。本发明采用了集成有PIN二极管的一比特数字超表面单元，通过对PIN二极管施加不同的偏置电压，可使数字超表面单元呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应数码“0”和数码“1”。通过优化算法经信号处理板控制数字超表面上的单元编码分布及编码的周期性时序，可以在射频信号的第一次谐波分量上，实现对超表面单元的幅度和相位加权。馈源生成的入射波通过切比雪夫加权调制波束的旁瓣及波束指向，就可以实现具有超低旁瓣扫描波束的相控阵系统。从而，本发明提供了一种结构简、成本低的超低旁瓣相控阵系统。
Description
技术领域
本发明涉及微波超材料及相控阵天线技术领域，特别是通过基于一比特时间调制编码超表面的空域编码及时序周期性调制实现超低副瓣波束扫描的相控阵系统。
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，具有诸如旁瓣电平值偏高及扫描精度较差等问题，在实际应用中受到极大的限制。
发明内容
本发明提供了一种基于一比特时间调制编码超表面单元与超低旁瓣相控阵系统，采用了一比特数字编码超材料单元，该单元的特点是在其结构中集成了一个PIN二极管，通过对PIN二极管施加不同的偏置电压，可使数字超表面单元对入射电磁波呈现0度和180度两种不同的相位响应，分别对应于数码“0”和数码“1”。
本发明提供的一比特时间调制超材料相控阵系统，利用信号处理板对各超材料单元的两种相位状态进行周期性的时序调控。由周期函数的傅里叶级数展开特性可知，射频信号经过如前所述的周期性相位调制后，其能量将重新分配到基波分量与谐波分量上。在一个调制周期内，控制超材料天线，使其分别产生0度和180度的相位状态，这样，射频信号的能量将会搬移到一次谐波分量上。当一个调制周期内，相位为0°的时间与相位为180°的时间相同时，产生的第一次谐波分量取得最大值；当二者时间比例不同时，产生的第一次谐波分量会相应减少。因此，可通过分配一个调制周期内相位为0°与相位为180°的时间比例来实现幅度加权。相位加权则是通过调制控制信号的时延来得到。例如，若第m个单元上的控制信号为Sc(t)，第n个单元上的控制信号为Sc(t-u)，u为第n个单元上的控制信号相对于第m个单元上的控制信号的延迟。则第m个单元上与第n个单元上产生的第一次谐波分量的相位差为2πu/Tp，其中Tp为调制周期。
考虑一M×N单元的超表面，M、N为自然数。由于超表面的各单元到达馈源的距离不同，以及馈源天线和超表面单元均有空间方向性，各单元之间具有固定的幅相特征。记第(m,n)个单元的幅度和相位分别为αm,n和
为实现波束扫描和第副瓣，可采用等相位面方法与切比雪夫方法计算超表面各单元上应具有的相位φm,n与幅度γm,n。考虑到超表面单元固有的幅度特性，在第(m,n)个单元上，需要利用时间调制来补偿的幅度为：
βm,n＝γm,n/αm,n (1)
对于第(m,n)个超表面单元，在一个调制周期Tp内，设置(0,τm,n],τm,n为调制周期Tp内任意一个时间节点，时间内相位为0°，(τm,n,Tp]时间内的相位为180°，则产生的第一次谐波分量为：
其中，wp＝2πTp。这样，相位从0°切换到180°的时刻τm,n为：
这里β′m,n表示对βm,n进行归一化，使得β′m,n<2/π，以保证上式有解。注意到由于周期性调制引入了附加相移-Wpτm,n/2，在引入控制时序延时um,n以调整正一次谐波分量的相移时，需将其考虑在内，即满足下式：
其中，k为正整数。由上式即可计算第(m,n)个单元上的控制时序相对于参考时序的时延um,n。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明所涉及的一种一比特时间调制数字编码超材料单元，具有结构简洁，易偏置控制等优点；
2)本发明所涉及的一种一比特时间调制数字编码超材料，采用常规的PCB工艺，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；
3)本发明将空域编码及单元的时序周期性调制的结合，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；
4)本发明通过对单元幅度施加切比雪夫加权，以较少的代价实现了具有超低旁瓣扫描波束的相控阵系统。
附图说明
图1是本发明给出的一比特数字编码超材料系统结构示意图。
图2是本发明中新型一比特数字编码超材料单元之结构示意图。
图3是本发明中新型一比特数字编码超材料单元之结构尺寸标注图。
图4是本发明中新型一比特数字编码超材料单元在表征两种数码态“0”和“1”时散射参量的幅频特性曲线。
图5是本发明中新型两比特数字编码超材料单元在表征两种数码态“0”和“1”时散射参量的相频特性曲线。
图6为实施例2中的10×10一比特时间调制超材料相控阵的示意图。
图7为实施例2中无时间调制时波束指向(0°,0°)时形成的3D归一化方向图。
图8为实施例2中无时间调制时波束指向(0°,0°)时形成的2D归一化方向图。
图9为实施例2中时间调制下波束指向(0°,0°)时形成的3D归一化方向图。
图10为实施例2中时间调制下波束指向(0°,0°)时形成的2D归一化方向图。
图11为实施例2中无时间调制时波束指向(25°,0°)时形成的3D归一化方向图。
图12为实施例2中无时间调制时波束指向(25,0°)时形成的2D归一化方向图。
图13为实施例2中时间调制下波束指向(25°,0°)时形成的3D归一化方向图。
图14为实施例2中时间调制下波束指向(25°,0°)时形成的2D归一化方向图。
具体实施方式
本发明基于一比特数字编码超材料进行时间调制，在传统的超材料空域编码调制基础上，通过周期性的控制数字编码超材料各单元的相位状态，有效降低扫描波束的旁瓣电平。
由于周期性相位调制，透过超表面的电磁波会产生谐波分量。本发明通过将空域编码与周期性时间调制相结合，将射频信号的能量搬移至第一次谐波分量上，并同时实现了幅度和相位的联合加权，进而实现电子波束扫描、多波束辐射、电磁隐身以及方向图综合等多种性能的综合提升。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。图1给出了本发明超低旁瓣相控阵系统1结构示意图，基于一比特时间调制编码超表面单元2按照阵列进行排列，信号处理板3通过中心偏置控制线对基于一比特时间调制编码超表面单元周期性地施加不同的控制电压，从而对基于一比特时间调制编码超表面单元的相位进行周期性调制。馈源4发射射频信号，信号处理板在射频信号的第一次谐波分量上，实现对基于一比特时间调制编码超表面单元的幅度加权和相位加权。
实施例1：使用PIN二极管实现0度和180度的一比特相移
请同时参阅图2至图5。
图2和图3分别给出了一比特超材料单元的结构示意图及尺寸标注图，可以看到，其特征在于采用了集成有PIN二极管的基于一比特时间调制编码超表面单元2，单元构成依次为：反射金属贴片201、PIN二极管202、金属地板203、接地过孔204、中心偏置控制线205、终端开路的扇形枝节206。其中，中心偏置控制线205位于反射金属贴片201的中心弱场强区域(场强接近于零)，从而有效减小了偏置控制线对高频信号的干扰；中心偏置控制线205的前端上集成了终端开路的扇形枝节206，以进一步提高射频信号与偏置直流之间的隔离度。当对PIN二极管施加正向偏置电压+5V且正向偏置电流达到50mA时，PIN二极管处于导通状态；当对PIN二极管施加反向偏置电压-10V时，PIN二极管处于关闭状态；两种状态分别对应于单元的两种反射相位响应：0度和180度，从而形成数码“0”和数码“1”两种编码状态。
图4给出了一比特数字编码超材料单元在表征两种数码态“0”和“1”时散射参量的幅频特性曲线；单元在两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1.5dB。图5给出了一比特数字编码超材料单元在表征两种数码态时的相频特性曲线，在中心频率33GHz处单元在两种编码态的反射相差保持在180°。
结合所述的一比特编码超材料单元，进一步给出了一种一比特时间调制数字编码超材料的超低旁瓣相控阵系统的算法实现方案，需要说明的是，本算法并不局限于一比特反射式超材料单元，同样适用于一比特透射式超材料单元。
实施例2：利用时间调制实现低旁瓣波束扫描
请同时参阅图6至图14。
如图6所示的10×10矩形分布的一比特透射式超表面，设超表面单元分别为αmn(m,n＝1,2,…10)。假设馈源天线到超表面中心点的距离为2.5λ，其中λ为波长。
首先，控制一比特透射式超表面上的各单元产生的相移，利用等相位面综合方法，使得波束指向(θ,φ)为(0°,0°)。得到的3D波束方向图及其在
上的切面分别如图7和图8所示。
为进行对比，对超表面上的一比特移相单元进行周期性时间调制。设置调制频率为10MHz。如发明内容中所述，控制各单元上一比特移相器相位状态的分配比例以及切换时刻，实现幅度和相位加权，其中幅度加权方法选择切比雪夫加权，其目标是将副瓣电平控制在-30dB。在正一次谐波分量(33.01GHz)出，得到的3D波束方向图及其在
上的切面分别如图9和图10所示。
对比图8和图10可知，未采用时间调制时，阵列的副瓣电平大于-14dB；采用时间调制后，副瓣电平下降至-30dB。
为验证波束扫描后的效果，控制一比特透射式超表面上的各单元产生的相移，利用等相位面综合方法，使得波束指向(θ,φ)为(25°,0°)。得到的3D波束方向图及其在
上的切面分别如图11和图12所示。同样的，采用一比特移相器时间调制方法，可使得波束指向(25,0°)，实现低副瓣幅度和相位加权，得到的3D波束方向图及其在
上的切面分别如图13和图14所示。
对比图12和图14可知，未采用时间调制时，阵列的副瓣电平约为-15dB；采用时间调制后，副瓣电平下降至-30dB。
因此，时间调制方法可明显抑制一比特透射式超表面的旁瓣，并实现高精度的波束扫描。
需要说明的是，上文只是对本发明进行示意性说明和阐述，本领域的技术人员应当明白，对本发明的任意修改和替换都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于一比特时间调制编码超表面单元，其特征在于，所述基于一比特时间调制编码超表面单元包括反射金属贴片、PIN二极管、金属地板、接地过孔、中心偏置控制线和终端开路的扇形枝节；中心偏置控制线位于反射金属贴片的中心弱场强区域；中心偏置控制线的前端上集成有终端开路的扇形枝节；反射金属贴片凸出端集成有PIN二极管；反射金属贴片通过接地过孔与金属地板相连接。
2.如权利要求1所述的一种基于一比特时间调制编码超表面单元，其特征在于，通过中心偏置控制线对PIN二极管施加两种不同的偏置电压，使基于一比特时间调制编码超表面单元呈现0度和180度两种相位响应，分别对应数码“0”和数码“1”两种编码状态。
3.如权利要求2所述的一种基于一比特时间调制编码超表面单元，其特征在于，所述基于一比特时间调制编码超表面单元包括反射式数字编码超表面单元或者透射式数字编码超表面单元。
4.一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，包括如权利要求1～3中任一权利要求所述的基于一比特时间调制编码超表面单元，所述基于一比特时间调制编码超表面单元按照阵列进行排列。
5.如权利要求4所述的一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，信号处理板通过中心偏置控制线对基于一比特时间调制编码超表面单元周期性地施加不同的控制电压，从而对基于一比特时间调制编码超表面单元的相位进行周期性调制。
6.如权利要求5所述的一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，馈源发射射频信号，信号处理板在射频信号的第一次谐波分量上，实现对基于一比特时间调制编码超表面单元的幅度加权和相位加权。
7.如权利要求6所述的一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，采用等相位面方法计算基于一比特时间调制编码超表面单元的相位，采用切比雪夫方法计算基于一比特时间调制编码超表面单元的幅度。
8.如权利要求6所述的一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，通过分配一个调制周期内相位为0度与相位为180度的时间比例来实现幅度加权。
9.如权利要求8所述的一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，通过调制控制信号的时延来实现相位加权。
10.如权利要求9所述的一种基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统，其特征在于，通过信号处理板控制施加在基于一比特时间调制编码超表面单元上的空间编码分布和周期性时间调制，实现波束扫描和多波束辐射。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |