CN112134020A - 基于相位梯度超表面阵列天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于相位梯度超表面阵列天线，该阵列天线由多个阵列相位板排列组成；所述阵列相位板包括按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列，每竖单元列由多个移相单元排列组成；所述移相单元包括层叠的第一介质层和第二介质层；所述第二介质层的后表面设有贴片底层；所述第一介质层和第二介质层之间以及第一介质层的前表面均设有贴片层；所述贴片层包括三条平行间隔设置的条形贴片，条形贴片的垂直方向之间设有竖条贴片；所述竖条贴片的宽度随相邻单元列之间的相位差在0.056‑0.804之间。本发明能够实现对反射波束进行一定角度的偏转，进而达到反射波束角度控制的效果，具有准确性好的特点。

Description

基于相位梯度超表面阵列天线

技术领域

本发明涉及一种基于相位梯度超表面阵列天线，属于天线技术领域。

背景技术

自1886年德国的赫兹建立第一个天线系统以来，天线家族已有 130多年的发展历史，如今各种各样的天线层出不穷，满足人们不同的生活需求，不同种类的天线在各自的领域中发挥至关重要的作用。但在不同的通讯环境下，所设计的天线的性能要求也有所不同，如在手机无线通讯上，就要做到小而精，并且反射、投射效率高，较宽的带宽。比如在阵列天线设计上，利用超材料能够大大加强天线的效率、增益等性质。因此超材料天线设计和研究俨然成为该领域的一个重要研究方向，其独特的物理、化学性质打破传统自然材料的束缚，让天线的性能更上一层楼。

相位梯度超表面，其原理简单来说就是射向天线的电磁波能够与亚波长尺寸的超表面产生共振，从而在每个单元结构上产生不同的相位，利用相位突变原理，合理调整阵列单元的周期性排布，便能达到对波束的控制。

电磁波在传统的光学器件中传播时，大多遵循的是一般的斯涅耳反射定律与折射定律，因此所需的光学器件的体积都特别大，并且损耗也比较高。但若采用亚波长尺寸的相位梯度超表面，那么在传播过程中，会产生异常反射和折射，便可以很好的弥补以上缺点，并且设计难度也降低。这是由于电磁波在传播时遵循广义斯涅尔定律，其表面结构尺寸为亚波长，因此电磁波透过极小的厚度便能产生所需相位。但现有的阵列天线难以控制电磁波的反射波束角度，导致了天线波束增益的降低，对与无线通信极为不利。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于相位梯度超表面阵列天线。本发明能够实现对反射波束进行一定角度的偏转，进而达到反射波束角度控制的效果，具有准确性好的特点。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案如下：基于相位梯度超表面阵列天线，该阵列天线由多个阵列相位板排列组成；所述阵列相位板包括按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列，每竖单元列由多个移相单元排列组成；所述移相单元包括层叠的第一介质层和第二介质层；所述第二介质层的后表面设有贴片底层；所述第一介质层和第二介质层之间以及第一介质层(4)的前表面均设有贴片层；所述贴片层包括三条平行间隔设置的条形贴片，条形贴片的垂直方向之间设有竖条贴片；按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列中，所述移相单元(3)的竖条贴片的宽度从左至右依次为1.866mm、1.888mm、 1.926mm、1.704mm、1.484mm、0.836mm、0.392mm、0.616mm；所述第一介电层和第二介质层长宽均为2mm，厚度均为0.6mm；所述贴片底层的长宽均为2mm，厚度为0.1mm；所述条形贴片的长度为1.6mm，宽度为0.1mm，厚度为0.035mm，相邻条形贴片之间的间距为0.8mm，其中边缘的一条所述条形贴片与第一介质层的底边相齐平。

上述的基于相位梯度超表面阵列天线，所述第一介电层和第二介质层的材质为聚四氟乙烯，介电常数为2.5。

前述的基于相位梯度超表面阵列天线，所述单元列中的移相单元的数量为19个。

前述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，所述贴片底层的四条边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界。

前述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，所述贴片底层的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射孔点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅。

与现有技术相比，本发明对阵列相位板和移相单元作了创造性的改进，阵列相位板包括按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列，然后由多个阵列相位板排列组成该天线阵列，其中单元列中的移相单元包括层叠的第一介质层和第二介质层，在第二介质层的后表面设有贴片底层，在第一介质层和第二介质层之间以及第一介质层的前表面设置贴片层，贴片层中竖条贴片的宽度随相邻单元列之间的相位差进行变化，使得单元列按反射相位从大到小有序排列，以此本发明采用多层介质层的结构可以更好的实现相位360°覆盖以及较宽的反射频率，并通过控制竖条贴片的宽度实现对反射波束相位的控制，从而能够实现对反射波束进行一定角度的偏转，进而达到反射波束角度控制的效果，本发明能够实现21°左右的反射波束偏转，与理论值相符，具有准确性好的特点。此外，申请人还对移相单元的各部分在形状和尺寸上作了优选，优选后的结构进一步地提高反射波束角度控制的效果；进一步地，本发明通过在贴片底层四条边沿中部设置有波浪形的拓扑边界；该拓扑边界可以在太赫兹的频率范围内，以有限尺寸系统能带会出现无带隙边界态，这种无带隙边界态使得介质层表面若有杂质或者结构缺陷的干扰之下，使得该太赫吸收器还可以保持优良传输性能,既具有良好的鲁棒性。再进一步地，贴片底层的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射孔点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅；通过上述结用使得基于太赫兹波的同相和反相的两个偏振态相互叠加得到自旋态，能诱使贴片底层的结构中可以产生拓扑相变，结合拓扑边界从而得到具更优效果的鲁棒性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是移相单元的结构示意图；

图3是移相单元的爆炸结构示意图；

图4是移相单元的主视结构示意图；

图5为XOZ平面上反射波束的电场在45Ghz的效果图；

图6是反射波束的辐射方向图；

图7是XOZ面平面归一化方向图；

图8是反射波束出的电场辐射方向图；

图9是反射波束出的磁场辐射方向图；

图10是phi＝0，theta为变量的平面二维电场参数示意图；

图11是phi＝0，theta为变量的平面二维磁场参数示意图；

图12是43-46GHz下的反射波束的电场辐射方向图的远场图；

图13是47-50GHz下的反射波束的电场辐射方向图的远场图；

图14是图1的局部放大示意图；

图15是石墨烯层的结构示意图。

附图标记：1、阵列相位板；2、单元列；3、移相单元；4、第一介质层；5、第二介质层；6、贴片底层；7、贴片层；8、条形贴片； 9、竖条贴片；11、拓扑边界；12、透射孔点阵。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：基于相位梯度超表面阵列天线，如图1-4和图14所示，该阵列天线由3个阵列相位板1依次排列组成；所述阵列相位板 1包括按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列，每竖单元列2由多个移相单元3排列组成，所述移相单元3包括层叠的第一介质层4 和第二介质层5，所述第一介电层4和第二介质层5的材质为聚四氟乙烯，长宽均为2mm，厚度均为0.6mm，介电常数为2.5；所述第二介质层5的后表面设有贴片底层6，所述贴片底层6的长宽均为2mm，厚度为0.1mm；所述第一介质层4和第二介质层5之间以及第一介质层4的前表面均设有贴片层7；所述贴片层7包括三条平行间隔设置的条形贴片8，所述条形贴片8的长度为1.6mm，宽度为0.1mm，厚度为0.035mm，相邻条形贴片8之间的间距为0.8mm，其中边缘的一条所述条形贴片8与第一介质层4或第二介质层5的底边相齐平；所述条形贴片8的垂直方向之间设有竖条贴片9；申请人对第一介质层和第二介质层上设置贴片层的工艺进行了优选，具体是，对聚四氟乙烯进行氟化处理，用臭氧气体在密封环境下催化氧化，通过原子层沉积技术在表面形成隔绝介质，将处理后的聚四氟乙烯切至指定的形状，得到贴片层。将贴片层放置到第一介质层和第二介质层表面，贴片层的隔绝介质与第一介质层和第二介质层表面相贴合，在80％氮气和20％氧气的环境下对贴片层与第一介质层和第二介质层加热并退火处理，使得贴片层与第一介质层和第二介质层相结合。本发明通过上述工艺可以使得贴片层与第一介质层和第二介质层之间结合更为的紧密与稳定，减少了贴片层的翘曲，不仅大大降低了贴片层与第一介质层和第二介质层之间的贴片应力，还能保证阵列天线这类敏感器件的谐振性能。经申请人反复试验、筛选和总结，利用CST仿真，使得单元列按反射相位按45°相位差覆盖2π从大到小有序排列的8 竖单元列2，得到如表1所示的相位变化时的a值。表1中，所述移相单元3的竖条贴片9的宽度a依次分别为1.866mm、1.888mm、 1.926mm、1.704mm、1.484mm、0.836mm、0.392mm、0.616mm。上述的排列结构可以使反射相位变化覆盖2π。

a	1.866	1.888	1.926	1.704	1.484	0.836	0.392	0.616
									相位	169.32	125.96	81.58	34.16	-9.28	-56.34	-99.8	-145.51

表1

为了验证上述的阵列天线能否实现光束偏转角的理论计算，采用了CST模拟仿真。具体模拟如下：馈源端口设为平面波入射，平面波设为沿Y方向的电场，沿X方向的磁场并垂直入射阵列天线，观察反射波束的偏转方向。设置45Ghz电场监视器以及远场监视器RCS，其中边界条件，Xmax、Xmin、Ymax、Ymin设置为open，Z方向设置为 open add space。图5为XOZ平面上反射波束的电场在45Ghz的效果图，结果可以发现，本发明的整阵列天线可以实现反射波束的偏转，通过实际测量，偏转角度为21°。根据广义斯涅尔反射定律，若要实现一定角度波束偏转，就必须合理设置入射电磁波频率，介电常数 n以及相位梯度差。利用广义斯涅尔定律理论计算偏转角度为 21.6°，与本发明实际测量的偏转角相吻合。这说明本发明能够实现对反射波束进行一定角度的偏转，进而达到反射波束角度控制的效果，具有准确性好的特点。此外，由于设置了远场监视器，因此可以对反射波束在空间中的传播进行进一步的分析。如图6直观的显示了反射波束的辐射方向图，整个方向图呈现出反射主瓣宽度较窄，副瓣水平比较低的直线波束，如图7所示为XOZ面平面归一化方向图，3dB 角宽为20°，旁瓣电平为-2.1dB，旁瓣电平都在-20dB以上，说明单元列相位补偿以及相邻单元列间距选择比较合理。图8和图9分别给反射波束出的电场和磁场的辐射方向图。同时如图10和图11所示，设定Phi为0，变量为Theta，观察XOZ平面二维参数图，从图10 和图11中也能看出较为明显的波束偏转的效果。

为了探究输入不同频率的电磁波，波束偏转角度会如何变化，申请人在原有的基础上进一步仿真。通过加入43Ghz-50Ghz的远场监视器，步长设置1Ghz，其他条件不变，再次进行仿真。如图12-图13 分别代表了43GHz-50GHz下的反射波束的电场辐射方向图的远场图，从图12-图13可以明显看出，随着频率的变化，反射波束偏转角度也随之变化，经过测量可知其偏转角度在0-30°变化，由此该超表面也可以用作0-30°波束偏转扫描，只需输入不同的频率即可。

实施例2：在实施例1的基础上，如图15所示，所述贴片底层6 的四条边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界11；所述贴片底层6的四角处分别设有透射孔点阵12，每个角处的透射孔点阵12呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵12之间构成阵列栅。本发明通过在贴片底层6四条边沿中部设置有波浪形的拓扑边界；该拓扑边界可以在太赫兹的频率范围内，以有限尺寸系统能带会出现无带隙边界态，这种无带隙边界态使得介质层表面若有杂质或者结构缺陷的干扰之下，使得该太赫吸收器还可以保持优良传输性能,既具有良好的鲁棒性。再进一步地，贴片底层6的四角处分别设有透射孔点阵，每个角处的透射孔点阵呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵之间构成阵列栅；通过上述结用使得基于太赫兹波的同相和反相的两个偏振态相互叠加得到自旋态，能诱使贴片底层6的结构中可以产生拓扑相变，结合拓扑边界从而得到具更优效果的鲁棒性。申请人将实施例2的阵列天线和实施例1的阵列天线进行进了比对,用于测试阵列天线的增益效果,经过测试,实施例2的阵列天线在利用上述贴片层的结构可以得到增益。

综上所述，本发明采用多层介质层的结构可以更好的实现相位2 π覆盖以及较宽的反射频率，并通过控制竖条贴片的宽度实现对反射波束相位的控制，从而能够实现对反射波束进行一定角度的偏转，进而达到反射波束角度控制的效果，具有控制准确的特点。

Claims (5)

1.基于相位梯度超表面阵列天线，其特征在于：该阵列天线由多个阵列相位板(1)排列组成；所述阵列相位板(1)包括按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列(2)，每竖单元列(2)由多个移相单元(3)排列组成；所述移相单元(3)包括层叠的第一介质层(4)和第二介质层(5)；所述第二介质层(5)的后表面设有贴片底层(6)；所述第一介质层(4)和第二介质层(5)之间以及第一介质层(4)的前表面均设有贴片层(7)；所述贴片层(7)包括三条平行间隔设置的条形贴片(8)，条形贴片(8)的垂直方向之间设有竖条贴片(9)；按45°相位差覆盖2π排列的8竖单元列(2)中，所述移相单元(3)的竖条贴片(9)的宽度a从左至右依次为1.866mm、1.888mm、1.926mm、1.704mm、1.484mm、0.836mm、0.392mm、0.616mm；所述第一介电层(4)和第二介质层(5)长宽均为2mm，厚度均为0.6mm；所述贴片底层(6)的长宽均为2mm，厚度为0.1mm；所述条形贴片(8)的长度为1.6mm，宽度为0.1mm，厚度为0.035mm，相邻条形贴片(8)之间的间距为0.8mm，其中边缘的一条所述条形贴片(8)与第一介质层(4)的底边相齐平。

2.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面阵列天线，其特征在于：所述第一介电层(4)和第二介质层(5)的材质为聚四氟乙烯，介电常数为2.5。

3.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面阵列天线，其特征在于：所述单元列(2)中的移相单元(3)的数量为19个。

4.根据权利要求1所述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述贴片底层(6)的四条边沿中部分别设有波浪形的拓扑边界(11)。

5.根据权利要求8所述的基于超构材料的太赫兹电磁吸收器，其特征在于：所述贴片底层(6)的四角处分别设有透射孔点阵(12)，每个角处的透射孔点阵(12)呈正三角矩阵状；四个所述的透射孔点阵(12)之间构成阵列栅。

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