一种1-比特数字编码超材料天线单元
技术领域
本发明涉及天线技术领域,具体涉及一种1-比特数字编码超材料天线单元,可用于通信与雷达系统。
背景技术
数字编码超材料天线单元具有成本低、易加工、设计简单等优点,在多功能天线,缩减雷达截面积等方面都有重要的应用前景,因而被广泛的应用到通信、雷达成像等领域。此外,数字编码超材料天线单元是单通道模拟阵列,可以在极大节约成本的前提下,等效为多通道数字阵列,进行空间波束合成、波形调制等等功能。但是作为一种特殊的超材料天线单元,本身具有色散特性,对不同频率的电磁波传播速度、折射系数等都不同,导致数字编码超材料天线单元在电控开关切换时,两个状态之间的相位差在不同频率下产生较大差异。以1bit数字编码超材料天线单元为例,由于电磁波色散,反射相位不能严格的0/180度切换。
微波系统中,带宽通常指的是满足指标需求的幅频响应频带宽度。常用的带宽展宽方法有:电磁耦合、开槽技术等等,基本原理是将等效谐振电路的品质因素降低,来实现一定带宽内的平均幅频响应,采用上述方法在一定程度上可以实现带宽展宽,但是同时导致超材料天线单元反射效率的降低、并增加设计难度,不适合数字编码超材料天线单元。
发明内容
针对现有技术中存在的问题,本发明的目的在于提供一种1-比特数字编码超材料天线单元,在斯涅尔定理及传输线理论上,通过设计非均匀传输件和多条支节传输件来改变电磁波传播路径,从而实现超材料天线单元相位的调控,然后通过超材料天线单元的结构参数优化,保证天线其他性能的前提下,实现展宽相频响应带宽的功能。
为了达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现。
(一)一种1-比特数字编码超材料天线单元,包括:第一基板和第二基板,所述第一基板的上表面设置有金属层,所述第一基板的下表面与第二基板的上表面之间设置有接地层,所述第二基板的下表面设置有偏置电路层;所述接地层和第一基板上分别对应开设有过孔,所述金属层通过导电部件穿过过孔与所述偏置电路层连接,所述金属层与接地层之间通过PIN二极管连接;所述接地层接地;
所述导电部件包含水平设置的非均匀传输件和竖直设置的导电杆,所述非均匀传输件为一个等腰三角形金属板,其以导电杆的上端点为顶点,以金属层的一个侧边为底边形成,且等腰三角形金属板的底边两个端点距离金属层侧边对应端点的距离为x,x≥0。
进一步地,所述等腰三角形金属板的两条腰上分别对应设置有多条支节传输件,每条支节传输件的最外端与金属层的侧边延长线之间的水平距离为y,y≥0。
更进一步地,每条支节传输件为一个传输杆,且多条支节传输件的最外端平齐。
进一步地,0mm≤x≤2mm。
更进一步地,0mm≤y≤0.78mm。
更进一步地,x=0mm,y=0.39mm。
进一步地,所述金属层、接地层和偏置电路层分别为铜板,且金属层的面积小于接地层的面积,偏置电路层为扇形。
进一步地,所述天线单元的横截面为正方形。
进一步地,所述第一基板与第二基板的厚度之比为(3~4)∶1。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明在斯涅尔定理及传输线理论上,通过设计非均匀传输件和多条支节传输件来改变电磁波传播路径,从而实现超材料天线单元相位的调控,然后通过超材料天线单元的结构参数优化,在保持辐射效益的同时,扩展了超材料天线单元的相频响应、幅频响应的调谐范围,还能满足不同相位调制一致性下的带宽设计要求。
(2)本发明通过对比参考超材料天线单元(现有超材料天线单元)与本发明展宽后超材料天线单元δ-相位带宽之间的差异,为不同领域对带宽的需求提供参考意义。
附图说明
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为斯涅尔反射定理图;
图2为本发明的整体结构示意图;
图3为本发明的金属层、接地层和偏置电路层之间的连接示意图;
图4为现有超材料天线单元的相频图;
图5为现有超材料天线单元的幅频图;
图6为现有超材料天线单元的“0”状态金属层下表面的电流分布图;
图7为现有超材料天线单元的“1”状态金属层下表面的电流分布图;
图8为本发明超材料天线单元一种实施例的俯视图;
图9为本发明实施例中不同结构参数x与现有超材料天线单元的相频对比图;
图10为图8对应的超材料天线单元在“0”状态金属层下表面的电流分布图;
图11为图8对应的超材料天线单元在“1”状态金属层下表面的电流分布图;
图12为本发明超材料天线单元另一种实施例的俯视图;
图13为本发明实施例中不同结构参数y与现有超材料天线单元的相频对比图;
图14为图12对应的超材料天线单元在“0”状态金属层下表面的电流分布图;
图15为图12对应的超材料天线单元在“1”状态金属层下表面的电流分布图;
图16为图14和图15对应的幅频图;
图17为本发明实施例与现有超材料天线单元在不同δ下对应的相位带宽对比图;
以上图中,1第一基板;2第二基板;3金属层;4接地层;5偏置电路层;6二极管;7等腰三角形金属板;8支节传输件。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述,但是本领域的技术人员将会理解,下列实施例仅用于说明本发明,而不应视为限制本发明的范围。
由于电磁波色散,反射相位不能严格的在0/180度切换,所以为了表征相位调制一致性,本发明引入δ-相位带宽的概念,将其定义为开关切换时,不同频率相位差在180±δ范围内的带宽范围。
参考图1,斯涅尔定理是指:入射波从A点出发到B点,当经过数字编码超材料天线单元金属层3和介质层(基板)交界处时,将会在不同位置处发生相位突变。若只考虑光程引起的相位差,可得:
[kn1sin(α)dx+(φ+dφ)]-[kn2sin(β)dx+φ]=0
化简上述式子可得:
其中,α是入射角,β是反射角,n1是金属层3折射率,n2是介质层折射率,dx是交叉点之间的距离,φ和dφ+φ分别对应两条反射路径通过界面时发生的相位突变,λ是真空波长,k=2π/λ,化简后的式子表明可以通过改变金属层3结构、二极管6通断等方式来改变相位梯度dφ/dx,即改变电磁波的传播路径,从而实现对相位的控制。
本发明基于以上原料进行设计,具体如下:
参考图2-图3,本发明提供的一种1-比特数字编码超材料天线单元,包括:第一基板1和第二基板2,所述第一基板1的上表面设置有金属层3,所述第一基板1的下表面与第二基板2的上表面之间设置有接地层4,所述第二基板2的下表面设置有偏置电路层5;所述接地层4和第一基板1上分别对应开设有过孔,所述金属层3通过导电部件穿过过孔与所述偏置电路层5连接,所述金属层3与接地层4之间通过PIN二极管6连接;所述接地层4接地;所述导电部件包含水平设置的非均匀传输件和竖直设置的导电杆,所述非均匀传输件为一个等腰三角形金属板7,其以导电杆的上端点为顶点,以金属层3的一个侧边为底边形成,且等腰三角形金属板7的底边两个端点距离金属层3侧边对应端点的距离为x,x≥0。
本实施例中,金属层3、接地层4和偏置电路层5分别为铜板,且金属层3的面积小于接地层4的面积,偏置电路层为扇形。1bit数字编码超材料天线单元的横截面为正方形,其边长为12mm;在数字编码超材料天线单元基板中,第一基板1使用Taconic板,其厚度为1.58mm,第二基板2使用FR-4板,其厚度为0.5mm。当直流偏置电压打开或关闭时,连接到接地线的PIN二极管6会改变谐振特性,产生两种状态,在理想状态下,两个状态其反射相位差是180度,分别用两个数字单元“0”状态和“1”状态表示。
本发明将现有超材料天线单元结构中金属层3与偏置电路层5之间的均匀传输杆设计为非均匀传输件,即一个等腰三角形金属板7,其以导电杆的上端点为顶点,以金属层3的一个侧边为底边形成,且等腰三角形金属板7的底边两个端点距离金属层3侧边对应端点的距离为x,x≥0,也就是说等腰三角形金属板7的底边边长不大于金属层3的侧边边长,这样在金属层3与接地层4的水平段传输线就是一个面积逐渐减小的传输面,也就形成了一段非均匀传输线,从而改变了电磁波的传播路径,实现对超材料天线单元相位的控制。
进一步地,所述等腰三角形金属板7的两条腰上分别对应设置有多条支节传输件8,每条支节传输件8的最外端与金属层3的侧边延长线之间的水平距离为y,y≥0。每条支节传输件8为一个金属传输杆,且多条支节传输件8的最外端平齐。
本实施例中,x可以在0-2mm之间进行选取,y可以在0-0.78mm之间选取。当x为0时,即为等腰三角形金属板7的底边边长等于金属层3的侧边边长;当y为0时,即为每个支节传输杆的最外端与金属层3的侧边延长线平齐。
经过仿真优化得到两个结构参数的最佳值分别为x=0mm,y=0.39mm。
本发明的另一种实施例,由多条上述1-比特数字编码超材料天线单元连接可以形成天线阵列。
仿真实验
(1)使用电磁仿真软件CST对现有参考超材料天线单元结构,即金属层与偏置电路层之间为均匀传输杆的结构,分别进行相频和幅频仿真,结果如图4和图5所示,从图4可知,δ取5度时,其在(180±5)度方位内的δ-相位带宽为0.11GHz。从图5可知,天线反射效率参数S11最低是-1.3dB,说明现有参考超材料天线单元具有优良的反射能力,形成阵列后有较高的辐射效率。
对现有参考超材料天线单元进行二极管不同状态下的仿真,得到电流在金属层下表面的分布图,分别如6和图7所示。从图6-7可知,当二极管导通时,电流从金属传输线经过PIN二极管、金属杆流到对应的接地层上,和二极管截止相比增加了电流路径,引起相位变化。
(2)仿真非均匀传输线为等腰三角形金属板的超材料天线单元结构,如图8所示,通过改变非均匀传输线的线宽,即仿真软件CST对结构参数x在0mm-2mm之间变化,改变相频响应,寻找最优非均匀传输线线宽x。仿真结果相频图如图9所示,从图9可知,随着参数x变小,相位随频率变化逐渐变缓,δ-相位带宽逐渐增大,x=0时,带宽最大;同时,从曲线可以看出,在接近相位峰值时,曲线相位变化最为平滑,若将峰值降为180度附近时,δ-相位带宽将会变为最大值。
对等腰三角形金属板的超材料天线单元结构进行二极管不同状态下的仿真,得到电流在金属层下表面的分布图,分别如10和图11所示。从图10-11可知,当二极管导通时,电流从金属臂经过PIN二极管和非均匀传输线流到了对应的方形贴片上,与图6-7电流分布相比增加了电流路径,也就是说通过使用非均匀传输线,改变了电磁波传播途径,展宽了δ-相位带宽。
(3)在(2)的最优非均匀传输线线宽x的超材料天线单元结构下,增加三对支节传输线来调控相位响应,该超材料天线单元金属层表面结构如图12所示。然后用CST软件对参数y从0mm到0.78mm进行改变,得到对应的相频图如图13所示,从图13可知,结构参数y从0mm到0.39mm变化时,相位峰值拉低至180度附近,使δ-相位带宽逐渐增大,y从0.39mm到0.78mm变化时,相位峰值又逐渐远离180度,δ-相位带宽逐渐减少;y=0.39时δ-相位带宽达到最大值。
采用电磁仿真软件仿真二极管不同状态下,电流在金属层下表面的分布结果如图14和图15所示,对比图14、15与图10、11可知,电磁波经过长短不一的支节传输线,会得到相位均衡,相位峰值被拉低,展宽了δ-相位带宽。
由x、y为最佳参数下的超材料天线单元按阵列排列形成天线后进行反射参数S11测试,结果如图16,从图16可以看出,天线反射效率S11最低是-0.85dB,与图5中现有参考超材料天线单元反射系数S11相比,超材料天线单元在展宽δ-相位带宽的同时,仍然保持较高的辐射效率(反射95%以上的电磁波)。
对比本发明和现有参考超材料天线单元不同δ对应的δ-相位带宽,如图17所示,图17给出δ-相位带宽为不同领域对相位带宽的需求提供参考意义。通常在进行阵面高增益设计时,采用45度相位带宽。但是,对于雷达、通信、数字阵、相控阵等应用中,存在不同的相位误差需求,单元误差设计应低于5度。
本发明的数字编码超材料天线单元能够扩展相频响应。在斯涅尔定理及传输线理论上,通过使用非均匀传输件,并增加数条支节传输线方法,改变电磁波传播路径,从而实现超材料天线单元相位的调控,然后通过优化超材料天线单元相应的结构参数进行优化,保证天线其他性能的前提下,实现展宽相频响应带宽的功能。
虽然,本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。