CN111628285A - 相位梯度超表面天线单元及天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种相位梯度超表面天线单元及天线，所述单元包括位于基板上的第一半环形SPP传输线和第二半环形SPP传输线，所述第一半环形SPP传输线以及第二半环形SPP传输线上形成有若干个辐射状设置的凸起部，所述第一半环形SPP传输线与第二半环形SPP传输线的两个自由端之间通过变容二极管进行连接，所述第一半环形SPP传输线与第二半环形SPP传输线通过两个变容二极管连接后形成环状结构，所述环状结构内的基板上设置有蝶形天线单元，所述第一金属化梯形部与第二金属化梯形部之间通过一个PIN二极管连接，所述第二金属化梯形部与第一金属化三角部之间通过PIN二极管连接。所述天线能够实现对电磁波的聚焦并提高天线增益。

Description

相位梯度超表面天线单元及天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种相位梯度超表面天线单元及天线。
背景技术
超表面由于可在亚波长维度上实现对电磁波幅度、相位、极化等特性的灵活控制，因此可以应用于波束调控、极化调制、低RCS天线等领域。相位梯度超表面设计的关键是设计满足相移要求的单元。反射相位的调控是通过调节贴片的长度来实现的，在仿真软件中，通常在x和y方向上分别设置unit cell 边界条件以模拟无限边界条件。根据广义Snell 反射定律，相位梯度超表面可在其表面形成额外的平行波矢分量，从而对电磁波的反射进行调控。如果构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布，那么就可以实现对垂直入射电磁波的聚焦；相反，在超表面焦点处放置辐射球面波的馈源，球面波经超表面反射可以得到平面波，从而提高馈源增益。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够实现对电磁波的聚焦并提高天线增益的相位梯度超表面天线单元及天线。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种相位梯度超表面天线单元，其特征在于：包括位于基板上的第一半环形SPP传输线和第二半环形SPP传输线，所述第一半环形SPP传输线以及第二半环形SPP传输线上形成有若干个辐射状设置的凸起部，所述第一半环形SPP传输线与第二半环形SPP传输线的两个自由端之间通过变容二极管进行连接，所述第一半环形SPP传输线与第二半环形SPP传输线通过两个变容二极管连接后形成环状结构，所述环状结构内的基板上设置有蝶形天线单元，所述蝶形天线单元包括对称设置的左蝶形天线单元和右蝶形天线单元，所述左蝶形天线单元包括第一金属化梯形部、第二金属化梯形部以及第一金属化三角部，所述第一金属化梯形部的上底边的长度大于所述第二金属化梯形部下底边的长度，所述第二金属化梯形部的上底边的长度大于所述第一金属化三角部的底边的长度，且第一金属化梯形部、第二金属化梯形部以及第一金属化三角部位于同侧的腰边位于同一条直线上，所述第一金属化梯形部与第二金属化梯形部之间通过一个PIN二极管连接，所述第二金属化梯形部与第一金属化三角部之间通过PIN二极管连接。
进一步的技术方案在于：所述凸起部的长度相等或者不等。
进一步的技术方案在于：所述凸起部之间的间距相等或不等。
本发明还公开了一种相位梯度超表面天线，其特征在于：包括基板，所述基板的背面设置有金属层，所述基板的正面设置有若干个所述的相位梯度超表面天线单元，所述天线单元可以与背面金属板耦合产生磁谐振，通过改变所述天线单元的工作尺寸实现对反射波相位的改变，当相位覆盖2p 范围时，设计合理的相位梯度，将单元排列成阵，得到可以对电磁波反射方向进行调控的二维反射相位梯度超表面。
进一步的技术方案在于：所述天线还包括PIN二极管偏置电路以及变容二极管偏置电路，所述PIN二极管偏置电路用于控制所述PIN二极管导通或截止，所述变容二极管偏置电路用于控制所述变容二极管导通或截止，通过偏置变容二极管的电压使变容二极管的电容值Cv发生改变，从而使所述单元的反射相位发生改变，进而实现波束在空间的扫描；通过PIN二极管偏置电路控制所述PIN二极管的通断切换，进行不同工作频段的选择，通过这种可重构的方式实现多频工作。
进一步的技术方案在于：所述天线还包括馈源，利用所述超表面天线单元实现对反射波反射方向进行调控，将构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布，实现对垂直入射电磁波的聚焦；反过来，在焦点处放置的馈源辐射的球面波经反射后即可得到平面波，进而提高馈源增益。
优选的，所述超表面天线单元设置有16×16个。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本申请利用相位梯度超表面天线单元可以控制反射波反射方向的奇异特性，实现对电磁波的聚焦；通过偏馈的喇叭，将其辐射的球面波经超表面反射得到了平面波，很大程度上提高了天线的增益。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中所述相位梯度超表面天线单元的结构示意图；
图2是本发明实施例中所述天线的结构示意图；
图3是本发明实施例中可重构电磁表面的单元仿真设计图；
图4a-图4e是本发明实施例中可重构阵列的阵面相位分布仿真图；
图5是本发明实施例中加载的SPP色散曲线特性仿真图；
图6a-图6b是本发明实施例中加载的SPP单元特性仿真图；
其中：1、基板；2、第一半环形SPP传输线；3、第二半环形SPP传输线；4、凸起部；5、变容二极管；6、第一金属化梯形部；7、第二金属化梯形部；8、第一金属化三角部；9、PIN二极管；10、馈源。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
如图1所示，本发明实施例公开了一种相位梯度超表面天线单元，包括位于基板1上的第一半环形SPP传输线2和第二半环形SPP传输线3，所述第一半环形SPP传输线2以及第二半环形SPP传输线3上形成有若干个辐射状设置的凸起部4，所述凸起部4的长度可以相等或者不等，且所述凸起部4之间的间距可以相等或不等。所述第一半环形SPP传输线2与第二半环形SPP传输线3的两个自由端之间通过变容二极管5进行连接，所述第一半环形SPP传输线2与第二半环形SPP传输线3通过两个变容二极管5连接后形成环状结构。所述环状结构内的基板1上设置有蝶形天线单元，所述蝶形天线单元包括对称设置的左蝶形天线单元和右蝶形天线单元，所述左蝶形天线单元包括第一金属化梯形部6、第二金属化梯形部7以及第一金属化三角部8，所述第一金属化梯形部6的上底边的长度大于所述第二金属化梯形部7下底边的长度，所述第二金属化梯形部7的上底边的长度大于所述第一金属化三角部8的底边的长度，且第一金属化梯形部6、第二金属化梯形部7以及第一金属化三角部8位于同侧的腰边位于同一条直线上，所述第一金属化梯形部6与第二金属化梯形部7之间通过一个PIN二极管连接9，所述第二金属化梯形部7与第一金属化三角部8之间通过PIN二极管9连接。
如图2所示，本发明还公开了一种相位梯度超表面天线，包括基板，所述基板1的背面设置有金属层，所述基板1的正面设置有若干个所述的相位梯度超表面天线单元，所述天线单元可以与背面金属板耦合产生磁谐振，通过改变所述天线单元的工作尺寸实现对反射波相位的改变，当相位覆盖2p 范围时，设计合理的相位梯度，将单元排列成阵，得到可以对电磁波反射方向进行调控的二维反射相位梯度超表面。
进一步的，所述天线还包括PIN二极管偏置电路以及变容二极管偏置电路，所述PIN二极管偏置电路用于控制所述PIN二极管导通或截止，所述变容二极管偏置电路用于控制所述变容二极管导通或截止，通过偏置变容二极管的电压使变容二极管的电容值Cv发生改变，从而使所述单元的反射相位发生改变，进而实现波束在空间的扫描；通过PIN二极管偏置电路控制所述PIN二极管的通断切换，进行不同工作频段的选择，通过这种可重构的方式实现多频工作。
进一步的，如图2所示，所述天线还包括馈源10，利用所述超表面天线单元实现对反射波反射方向进行调控，将构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布，实现对垂直入射电磁波的聚焦；反过来，在焦点处放置的馈源辐射的球面波经反射后即可得到平面波，进而提高馈源增益。
所述天线，在天线单元中加载PIN二极管、变容二极管等有源器件，并采用表面等离激元（SPP）来扩展反射相位的相移范围。相位梯度超表面天线单元上加载二极管，其可以组成多个模态，来实现宽频带的工作频率；相位梯度超表面天线单元上加载变容二极管，通过偏置变容二极管的电压使变容二极管的电容值Cv发生改变，从而使单元的反射相位发生改变，进而实现波束在空间的扫描。 管子通过双电源或者单电源的方式进行馈电。
利用梯度超表面可以控制反射波反射方向的奇异特性，设计了二维反射相位梯度超表面，实现对电磁波的聚焦。通过偏馈的喇叭，将其辐射的球面波经超表面反射得到了平面波，很大程度上提高了天线的增益。
SPP传输线就是基于SPP理论，在微波或者太赫兹频段实现的一种传输线类型。好比微带传输线和SIW一样，用来传输电磁能量。SPP是表面等离激元的一种，表面等离激元分为两种，一种是在金属和介质交界面上传播的表面等离极化激元（SPP），另一种是局域在金属颗粒附近的局域表面等离激元（LSP）。SPP表面等离激元是金属表面的自由电子和入射光波相互作用后形成的一种电磁模式，是在光学领域被研究的现象，是一种表面波，SPP的电磁波能量被束缚在交界面附近的亚波长范围内，在垂直于传播方向的范围内迅速衰减。在阵列天线单元结构中加入SPP，时延增大，进而使反射相位增大。通过切换或者开关蝶形天线单元和环状结构上面加载的二极管，可以实现多频段的切换。
本设计基于有相位梯度的单元，设计了由16×16个单元构成的二维反射相位梯度超表面，并使用圆锥喇叭作为馈源，偏馈方式，构成反射面天线。梯度超表面是基于相位突变和极化控制思想设计的、由人工微结构单元构成的遵守广义Snell折射/反射定律的二维新型人工结构表面。由于其可对电磁波的激发和传输进行灵活的控制，并且剖面低，易于加工，分别实现了反射聚焦、传播波向表面波的转换、极化转换、极化分离、频率选择、相位调控、波前控制等特异功能。
利用梯度超表面可以实现对反射波反射方向进行调控的特性，将构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布，就可以实现对垂直入射电磁波的聚焦；反过来，在焦点处放置的馈源辐射的球面波经反射后即可得到平面波，进而提高馈源增益。设计单元时可以采用给薄的介质基板背面涂覆一层金属，正面加载可以与背面金属板耦合产生磁谐振的金属贴片，通过改变贴片的尺寸实现对反射波相位的改变，当相位覆盖2p 范围时，设计合理的相位梯度，将单元排列成阵，即可得到可以对电磁波反射方向进行调控的二维反射相位梯度超表面。
利用梯度超表面可以控制反射波反射方向的奇异特性，设计了二维反射相位梯度超表面，实现对电磁波的聚焦。通过偏馈的喇叭，将其辐射的球面波经超表面反射得到了平面波，很大程度上提高了天线的增益。
如图3所示，通过FLOQUENT端口和周期边界对单元进行仿真设计，可以对电磁波正入射和斜入射的不同情况进行分析。通过混合介质基板的实现方式有利于展宽带宽。
如图4a- 4e所示，根据馈源是正馈还是偏馈，依据出射波束编程计算出阵面所需要的相位分布，依据每个单元的相位，即阵面上某一时刻的编码状态，对二极管的状态进行配置，确定出某一时刻单元上的二极管是通还是断。
如图5所示，加载SPP的单元增大了延时，扩展了反射相位。 由图6a-6b可见，加载SPP的单元反射相位增大了几十度，对二极管的要求降低了，有利于实际工程设计。

Claims (7)

1.一种相位梯度超表面天线单元，其特征在于：包括位于基板（1）上的第一半环形SPP传输线（2）和第二半环形SPP传输线（3），所述第一半环形SPP传输线（2）以及第二半环形SPP传输线（3）上形成有若干个辐射状设置的凸起部（4），所述第一半环形SPP传输线（2）与第二半环形SPP传输线（3）的两个自由端之间通过变容二极管（5）进行连接，所述第一半环形SPP传输线（2）与第二半环形SPP传输线（3）通过两个变容二极管（5）连接后形成环状结构，所述环状结构内的基板（1）上设置有蝶形天线单元，所述蝶形天线单元包括对称设置的左蝶形天线单元和右蝶形天线单元，所述左蝶形天线单元包括第一金属化梯形部（6）、第二金属化梯形部（7）以及第一金属化三角部（8），所述第一金属化梯形部（6）的上底边的长度大于所述第二金属化梯形部（7）下底边的长度，所述第二金属化梯形部（7）的上底边的长度大于所述第一金属化三角部（8）的底边的长度，且第一金属化梯形部（6）、第二金属化梯形部（7）以及第一金属化三角部（8）位于同侧的腰边位于同一条直线上，所述第一金属化梯形部（6）与第二金属化梯形部（7）之间通过一个PIN二极管连接（9），所述第二金属化梯形部（7）与第一金属化三角部（8）之间通过PIN二极管（9）连接。
2.如权利要求1所述的相位梯度超表面天线单元，其特征在于：所述凸起部（4）的长度相等或者不等。
3.如权利要求1所述的相位梯度超表面天线单元，其特征在于：所述凸起部（4）之间的间距相等或不等。
4.一种相位梯度超表面天线，其特征在于：包括基板，所述基板（1）的背面设置有金属层，所述基板（1）的正面设置有若干个如权利要求1所述的相位梯度超表面天线单元，所述天线单元可以与背面金属板耦合产生磁谐振，通过改变所述天线单元的工作尺寸实现对反射波相位的改变，当相位覆盖2p 范围时，设计合理的相位梯度，将单元排列成阵，得到可以对电磁波反射方向进行调控的二维反射相位梯度超表面。
5.如权利要求1所述的相位梯度超表面天线，其特征在于：所述天线还包括PIN二极管偏置电路以及变容二极管偏置电路，所述PIN二极管偏置电路用于控制所述PIN二极管导通或截止，所述变容二极管偏置电路用于控制所述变容二极管导通或截止，通过偏置变容二极管的电压使变容二极管的电容值Cv发生改变，从而使所述单元的反射相位发生改变，进而实现波束在空间的扫描；通过PIN二极管偏置电路控制所述PIN二极管的通断切换，进行不同工作频段的选择，通过这种可重构的方式实现多频工作。
6.如权利要求5所述的相位梯度超表面天线，其特征在于：所述天线还包括馈源（10），利用所述超表面天线单元实现对反射波反射方向进行调控，将构成反射超表面单元的相位差按照抛物面分布，实现对垂直入射电磁波的聚焦；反过来，在焦点处放置的馈源辐射的球面波经反射后即可得到平面波，进而提高馈源增益。
7.如权利要求5所述的相位梯度超表面天线，其特征在于：所述超表面天线单元设置有16×16个。
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