CN112310654A - 基于液态金属的方向图可重构反射阵天线 - Google Patents

基于液态金属的方向图可重构反射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，可用于在有限空间内实现不同波束指向的远距离通信，其结构包括馈源和反射超表面，反射超表面包括M×N个周期性排布的反射超表面单元，反射超表面单元包括形状为矩形且上下层叠的第一介质板和第二介质板，第一介质板的下表面印制有金属反射板，上表面印制有双开口环形金属贴片，第二介质板的内部沿Y轴方向设置有两条液态金属流道，每个液态金属流道通过两个金属化过孔分别与位于其上方的双开口环形金属贴片中的一个开口的两侧连接；通过在液态金属流道中注入或排出液态金属使反射阵的一列单元产生不同的反射相位，对多列反射单元进行独立调控实现天线方向图一维动态扫描。

Description

基于液态金属的方向图可重构反射阵天线
技术领域
本发明属于通信技术领域，涉及一种方向图可重构反射阵天线，具体涉及一种电磁场与微波技术中的基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，可用于在有限空间内实现不同波束指向的远距离通信。
背景技术
在卫星通信、太空探索和雷达探测等领域中，为了应对通信距离远、空间环境相对复杂等问题，天线需要足够高的增益和方向性。传统的高增益天线主要有抛物面天线和平面阵列天线。抛物面天线馈电结构简单，但其体积大，在高频工作时要求抛物面曲线的精度高，加工难度大；平面阵列天线可以实现灵活的波束扫描，但在阵列中引入复杂的馈电网络会带来不可避免的匹配损耗。反射阵天线是将平面阵列天线和抛物面天线的特点相结合的一种新型高增益天线。反射阵天线由一个反射平面和放置于焦点处的馈源天线组成，利用平面结构代替了抛物面天线中复杂的曲面结构，有效降低了反射面的设计难度，且采用空气介质耦合馈电形式，避免了复杂的馈电网络带来的损耗；传统反射阵天线需要多个天线偏转不同角度实现多个辐射方向指向，而方向图可重构反射阵天线只需一个天线就可以实现多种工作状态，方向图可重构反射阵天线是指在反射平面的单元上加载可控的开关或旋转单元角度实现不同角度的反射相位补偿，无需加载复杂的馈电网络，就可以实现所期望的波束指向。
现有技术中的方向图可重构天线主要包括机械调控和电调控两大类，其中，机械调控是通过机械旋转反射面或移动馈源，机械调控便于实现波束控制，但也有不可避免的缺点：第一，机械调控装置易损坏，维修成本高。第二，机械调控精度低，响应时间长；电调控是在反射超表面单元上添加PIN二极管、变容二极管或MEMS开关等电控元件，通过调节开关状态调整反射超表面上单元的相位分布，相比之下，通过液态金属作为开关控制方向图扫描与现有技术中的电调控更为相似。
2019年的一篇论文“A Wideband 1bit 12×12Reconfigurable Beam-ScanningReflectarray:Design,Fabrication,and Measurement”(IEEE Antennas and WirelessPropagation Letters,2019)中提出一种12×12单元排布的电可控反射阵天线。其中，反射单元为简单的矩形金属贴片，并通过添加PIN二极管调节反射单元的补偿相位，从而控制整个反射阵面的相位分布，实现不同的波束指向。同时，利用遗传算法对馈源天线的放置位置和不同波束指向下的反射阵面的相位分布状态进行了综合优化，通过控制PIN二极管的通断状态设计相应反射单元相位分布，使其在±50°范围内实现波束扫描。但这种天线也存在以下缺点：第一，添加PIN二极管调节单元的反射状态要在反射面上焊接多个二极管，且偏转角度越大要求二极管越多，大量排列的PIN二极管需要密集的偏置电压供电网络，使得加工难度大，成本高。第二，PIN二极管的功率容量小，容易出现击穿烧毁的现象且不易被发现，使得维修难度大。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，利用液态金属的流动特性，在通有流道的介质板中注入或排出液态金属使反射阵的一列单元产生不同的反射相位，通过对多列反射单元进行独立调控，使反射阵天线方向图实现一维动态扫描；天线整体结构简单，无复杂的电控元件和电控线路，易于加工和维护，成本大幅降低。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，包括馈源1和反射超表面2，所述馈源1固定在反射超表面2的焦点位置；所述反射超表面2包括M×N个周期性排布的反射超表面单元21，M≥8，N≥8，所述反射超表面单元21包括形状为矩形且上下层叠的第一介质板211和第二介质板212，所述第一介质板211的下表面印制有金属反射板213，上表面印制有双开口环形金属贴片214，该双开口环形金属贴片214上的两个开口与以第一介质板211的上表面为XOY面，以第一介质板211的中心法线为Z轴的三维坐标系的Y轴成±45°角；所述第二介质板212的内部沿Y轴方向设置有两条液态金属流道，每个液态金属流道通过两个金属化过孔215分别与位于其上方的双开口环形金属贴片214中的一个开口的两侧连接，且金属化过孔215与金属反射板213不接触；
当反射超表面2中沿Y轴方向的一列反射超表面单元21的第一条液态金属流道注入液态金属，第二条液态金属流道未注入时，第一条液态金属流道上方的双开口环形金属贴片214的第一个开口导通，此时该列反射超表面单元21呈现状态“0”，当第一条液态金属流道未注入，第二条液态金属流道注入液态金属时，第二条液态金属流道上方的双开口环形金属贴片214的第二个开口导通，此时该列反射超表面单元21呈现状态“1”；馈源1发射的电磁波照射反射超表面2，上述反射超表面单元21的两种状态可实现相位相差180°的反射波，对N列反射超表面单元21进行1bit编码排列，可使方向图指向特定方向，更改编码序列可以改变反射波的反射相位，从而实现天线方向图的可重构特性。
上述基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，所述馈源1，采用对数周期天线、喇叭天线、八木天线或Vivaldi天线结构。
上述基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，所述双开口环形金属贴片214,其几何中心位于第一介质板211的中心法线。
上述基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，所述第二介质板212，其内部沿Y轴方向设置的两条液态金属流道，关于该第二介质板212沿Y轴方向的中心线对称。
上述基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，所述第二介质板212内部沿Y轴方向设置的两条液态金属流道内注入的液态金属，采用液态镓铟合金或镓铟锡合金。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明通过在介质板中的多个液态金属流道注入和排出液态金属就可以实现天线方向图的可重构特性，而现有技术中的电调控，需要焊接大量价格高昂的PIN二极管、变容二极管或MEMS开关，并且在介质板下层添加复杂的偏置电压线路，相比之下，本发明结构更为简单，加工成本和加工难度都大大降低。
2.本发明利用液态金属注入和排出液态金属流道控制天线方向图指向，不需要考虑控制器件的功率容量问题，天线损坏概率低，而现有技术中PIN二极管存在功率容量小的问题，容易被击穿烧毁，且在大量PIN二极管中难以被检测，相比之下，本发明的维修难度和维修成本都大幅降低。
3.本发明将调控波束指向的液态金属流道设置在反射超表面的背面，相比于现有技术中将控制器件添加在反射超表面正面，整体结构更为简单，便于加工且方向图的增益损失小。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明反射超表面的单元结构示意图；
图3是本发明中反射超表面单元第一介质板上表面结构示意图；
图4是本发明中反射超表面单元第二介质板结构示意图；
图5是本发明中反射超表面单元的两种不同工作状态示意图；
图6是本发明中反射超表面单元反射系数和反射相位仿真结果图；
图7是本发明反射阵天线方向图仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括馈源1和反射超表面2。
所述馈源1固定在反射超表面2的焦点位置，可采用对数周期天线、喇叭天线、八木天线或Vivaldi天线这类定向高增益天线结构，鉴于对数周期天线具有带宽宽且对反射超表面2遮挡面积小的优点，本实例中馈源天线1采用对数周期天线，馈源天线1的最大辐射方向与反射超表面2垂直。
所述反射超表面2包括M×N个周期性排布的反射超表面单元21，本实例中M取10，N取20；
参照图2，所述反射超表面单元21包括形状为矩形且上下层叠的第一介质板211和第二介质板212以及印制在第一介质板211的下表面的金属反射板213，第一介质板211和第二介质板212的厚度分别为H1和H2，本实例取但不限于H1＝H2＝3mm，第二介质板内部沿Y轴设置有两条液态金属流道，每个液态金属流道通过两个金属化过孔215分别与位于其上方的双开口环形金属贴片214中的一个开口的两侧连接，且金属化过孔215与金属反射板213不接触；
参照图3，所述第一介质板211的边长为p，本实例取但不限于p＝12mm，其上表面印制有双开口环形金属贴片214，该双开口环形金属贴片214上的两个开口与以第一介质板211的上表面为XOY面，以第一介质板211的中心法线为Z轴的三维坐标系的Y轴成±45°角，双开口环形金属贴片214的几何中心位于第一介质板211的中心法线，双开口环形金属贴片214的外径为R1，外径为R2，本实例取但不限于R1＝5.5mm，R2＝3.5mm，双开口环形金属贴片214上的两个开口的宽度为b，本实例取但不限于b＝1mm；
参照图4，所述第二介质板212的内部沿Y轴方向设置有两条液态金属流道且这两条液态金属流道关于该第二介质板212沿Y轴方向的中心线对称，两条液态金属流道之间距离为a，本实例取但不限于a＝3mm，液态金属流道与第二介质板212下表面的距离为H3，本实例取但不限于H3＝1.3mm，液态金属流道宽为w，高为d，本实例取但不限于w＝2.2mm，d＝0.5mm，两条液态金属流道内注入的液态金属可采用液态镓铟合金或镓铟锡合金，本实例中使用镓铟合金。
参照图5，对本发明中液态金属的开关作用做进一步描述：
参照图5a，当反射超表面2中沿Y轴方向的一列反射超表面单元21的第一条液态金属流道注入液态金属，第二条液态金属流道未注入时，第一条液态金属流道上方的双开口环形金属贴片214的第一个开口导通，形成一个开口在U轴方向上的开口谐振环，此时该列反射超表面单元21呈现状态“0”，参照图5b，当第一条液态金属流道未注入，第二条液态金属流道注入液态金属时，第二条液态金属流道上方的双开口环形金属贴片214的第二个开口导通，形成一个开口在V轴方向上的开口谐振环，此时该列反射超表面单元21呈现状态“1”；当反射单元上的开口谐振环的开口旋转90°时，其表面反射波的极化会发生旋转，伴随着反射波产生180°的反射相位差，因此，当馈源1发射的电磁波照射反射超表面2，上述反射超表面单元21的两种状态可实现相位相差180°的反射波；
反射超表面上每列反射超表面单元21所需的反射相位由补偿相位和所需出射相位两部分组成：
ΦRP(xi)＝ΦCP(xi)+ΦDP(xi)
将馈源到反射超表面2中心的焦距F作为参考距离，则补偿相位可以根据馈源到反射超表面上任一列单元的距离Ri计算得到：
Figure BDA0002720961160000051
其中，k为波常数，λ为中心频点的波长，xi为第i列单元在X轴上的坐标；
所需的出射相位则可以根据波束指向角度计算，当反射单个波束时，所需的出射相位为：
ΦDP(xi)＝-jkxi sinθm
其中，θm为反射波辐射方向与反射超表面2上表面中心法线的夹角；
当反射波的辐射方向θm确定，就可以得到第i列反射超表面单元所需的反射相位ΦRP(xi)，当-90°≤ΦRP(xi)＜90°，则将第i列调整为状态“0”，否则将第i列调整为状态“1”，根据上述原理，对N列反射超表面单元(21)进行1bit编码排列，可使方向图指向特定方向，更改编码序列就可以实现天线方向图的可重构特性。
以下结合仿真结果，对本发明的技术效果作进一步描述：
1.仿真条件
CST，三维电磁场仿真软件。CST工作室套装是面向3D电磁、电路、温度和结构应力设计工程师的一款全面、精确、集成度极高的专业仿真软件包。包含八个工作室子软件，集成在同一用户界面内，为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真优化。软件覆盖整个电磁频段，提供完备的时域和频域全波电磁算法和高频算法。本发明实例利用CST微波仿真功能对天线的反射系数、反射相位以及方向图进行仿真分析。
2.仿真内容
图6是本发明中反射超表面单元在8.5GHz～11.5GHz的仿真结果图，图6a是反射超表面单元的反射系数曲线，反应图3中单元两种工作状态的反射系数，可以看出该单元具有极化旋转的能力，在9.35GHz～9.8GHz范围内，两种工作状态下y极化转化为x极化Rxy反射波反射系数最大，接近于0dB；同样在9.35GHz～9.8GHz范围内，两种工作状态下未发生极化旋转的y极化Ryy反射波反射系数小于-10dB；图6b是反射超表面单元在两种工作状态下，y极化转化为x极化反射波的反射相位，可以看出两种工作态下的相位差为180°；结合图6a、b可得，反射超表面单元在两种状态下的反射波在9.35GHz～9.8GHz反射系数最大，并且具有极化旋转的效果，反射波的相位在该频段内相差180°。
图7是本发明在9.7GHz的增益方向图。对反射超表面中的液态金属流道进行编码，对反射面的二十组液态金属流道的工作状态从左到右进行编码，当编码为11001110000001110011时，波束不偏转；当编码为10010011000000000111时，波束指向15°；当编码为10010100110000000000时，波束指向30°；当编码为10101010010001111111时，波束指向45°，当上述0编码顺序颠倒时，就可实现反向偏转。图5给出了偏转0°、±15°、±30°以及±45°时的增益方向图曲线，可以看出天线可以实现多种波束指向状态且增益均高于15dB，满足反射阵天线的增益要求，但该天线波束指向不限于以上这几种状态，对以上编码进行更改可实现其他不同的波束指向。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，其特征在于，包括馈源(1)和反射超表面(2)，所述馈源(1)固定在反射超表面(2)的焦点位置；所述反射超表面(2)包括M×N个周期性排布的反射超表面单元(21)，M≥8，N≥8，所述反射超表面单元(21)包括形状为矩形且上下层叠的第一介质板(211)和第二介质板(212)，所述第一介质板(211)的下表面印制有金属反射板(213)，上表面印制有双开口环形金属贴片(214)，该双开口环形金属贴片(214)上的两个开口与以第一介质板(211)的上表面为XOY面，以第一介质板(211)的中心法线为Z轴的三维坐标系的Y轴成±45°角；所述第二介质板(212)的内部沿Y轴方向设置有两条液态金属流道，每个液态金属流道通过两个金属化过孔(215)分别与位于其上方的双开口环形金属贴片(214)中的一个开口的两侧连接，且金属化过孔(215)与金属反射板(213)不接触；
当反射超表面(2)中沿Y轴方向的一列反射超表面单元(21)的第一条液态金属流道注入液态金属，第二条液态金属流道未注入时，第一条液态金属流道上方的双开口环形金属贴片(214)的第一个开口导通，此时该列反射超表面单元(21)呈现状态“0”，当第一条液态金属流道未注入，第二条液态金属流道注入液态金属时，第二条液态金属流道上方的双开口环形金属贴片(214)的第二个开口导通，此时该列反射超表面单元(21)呈现状态“1”；馈源(1)发射的电磁波照射反射超表面(2)，上述反射超表面单元(21)的两种状态可实现相位相差180°的反射波，对N列反射超表面单元(21)进行1bit编码排列，可使方向图指向特定方向，更改编码序列可以改变反射波的反射相位，从而实现天线方向图的可重构特性。
2.根据权利要求1所述的基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，其特征在于，所述馈源(1)，采用对数周期天线、喇叭天线、八木天线或Vivaldi天线结构。
3.根据权利要求1所述的基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，其特征在于，所述双开口环形金属贴片(214),其几何中心位于第一介质板(211)的中心法线。
4.根据权利要求1所述的基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，其特征在于，所述第二介质板(212)，其内部沿Y轴方向设置的两条液态金属流道，关于该第二介质板(212)沿Y轴方向的中心线对称。
5.根据权利要求1所述的基于液态金属的方向图可重构反射阵天线，其特征在于，所述第二介质板(212)内部沿Y轴方向设置的两条液态金属流道内注入的液态金属，采用液态镓铟合金或镓铟锡合金。
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