CN112701479B - 一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，包括相移超表面和馈电喇叭天线，所述馈电喇叭天线位于相移超表面的一侧，且正对相移超表面阵列一端端面的中心；所述相移超表面阵列由不同旋转角度的，呈周期性排列的多个相移超表面单元构成，其具有电磁波相位改变功能。本发明基于相移超表面原理和几何光学聚焦基本原理，非衍射主波束可以根据需求朝不同方向偏转，与普通非衍射天线相比，本发明具有衍射距离远、低旁瓣、尺寸小、剖面低等特点，本发明采用单层介质板，并在单层介质基板双侧进行金属贴片结构设计，采用普通PCB印刷技术，用喇叭天线代替馈电网络，具有易于加工、结构简单的特点。

Description

一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线

技术领域

本发明涉及微波天线技术领域，具体涉及一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线。

背景技术

理想的非衍射光束可以被认为是平面波在纵轴传播方向上的叠加，它可以是持续传播或瞬间消逝的，具有在非衍射范围内电场保持基本不变的特点。在微波和毫米波频率范围内产生非衍射光束常用的方法有轴锥体、全息图、光栅状结构、径向漏波导、径向线槽阵列等。

在微波无损检测方面，深衍射距离贝塞尔波束具有不可替代的优点。当待测物放置于非衍射范围内时，其各处电场大小基本一致，即电磁波与衍射范围内的待测物之间的相互作用基本一致。当待测物中出现凹陷、缝隙或其他缺陷时会引起所在位置的电场、电磁波的变化，具体反映在天线的S参数的幅值或者谐振点频率偏移等参数上。

相较于现有的其他非金属微波无损检测方式，如谐振环、喇叭天线等，长衍射距离的非衍射波束具有几倍至十几倍的检测深度，使其可以应用具有一定厚度的待测物上进行无损检测，不仅可以检测待测物表面缺陷，还可以检测待测物内部缺陷，弥补了其他检测方式在深度检测这一方面的不足。但当待测物体积较大而无法一次性全部置于主波束非衍射区域内时，需要手动或者机械移动待测物，或者移动探测装置的位置对整个待测物体进行扫描检测，而加载机械调节装置会使天线整体体积变大，造成操作不便。同时，也会带来测量精度的下降以及造成一定的操作误差，导致检测结果不准确。在某些特定情况下，波束发射器或待测物甚至可能无法移动。因此，长衍射距离且方向可偏非衍射近场天线对于微波无损检测有较大应用场景，同时也可以广泛应用于多目标微波成像和无线功率传输等应用。

传统的非衍射波束透镜发生器存在结构笨重、成本高等问题。为了解决改进上述缺陷，公开号为CN209640610U，名称为《一种用于产生远距离稳定传输贝塞尔光束的装置》的中国专利，提出相互胶合的正轴锥镜和负轴锥镜，实现了远距离非衍射波束的生成，但该专利提出的非衍射透镜工艺要求高；公开号为CN110361864A，名称为《基于惠更斯超颖表面产生贝塞尔光束阵列的方法》的中国专利中，提出的利用惠更斯超表面来产生非衍射波束，具有结构轻便、工艺简单等优点。但是，这些非衍射波束/光束发生器产生的非衍射波束方向都垂直于天线表面，波束方向不能偏转。

为了实现非衍射波束的方向可偏转，公开号为CN110011063A，名称为《基于时间反演产生任意方向贝塞尔波束的超材料透镜及方法》的中国专利，提出了一种基于时间反演法产生任意方向非衍射波束超材料透镜，该透镜中的超材料单元由六层金属层、四层介质基板和三层空气层组成，基于时间反演算法，实现波束可偏。该透镜具有多层结构组成，结构复杂。同时，非衍射波束存在高能量旁瓣；而ZhongY C,ChengY J.Wideband Quasi-Nondiffraction BeamWith Accurately Controllable Propagating Angle and Depth-of-Field.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2017:1-1中提出的任意指向的非衍射天线发射装置，是由三层金属贴片及两层介质基板交替重叠而成的正六边形结构。但该结构具有多层基板，增加了透镜剖面高度，并在实现不同角度偏折时会出现高能量旁瓣；Wu Y F,Cheng Y J.Proactive Conformal Antenna Array for Near-Field BeamFocusing and Steering Based on Curved Substrate Integrated Waveguide.IEEETransactions on Antennas and Propagation,2019:2354-2363.提出的结构为曲面漏波天线结构，实现了非衍射波束方向的偏折，但由于该结构是非平面的曲面结构，对加工工艺要求高。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,该天线具有结构简单、尺寸小、剖面低、波束指向可偏等特点。

本发明采用下述的技术方案：

一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，包括相移超表面和馈电喇叭天线，所述馈电喇叭天线位于相移超表面阵列的一侧，且正对相移超表面阵列一端端面的中心；

所述相移超表面阵列由不同旋转角度，呈周期性排列的多个相移超表面单元构成，其具有电磁波相位改变功能。

优选的，所述相移超表面单元从下至上依次包括印刷电路下层、高频介质基板和印刷电路上层，所述印刷电路下层与印刷电路上层结构相同，并关于高频介质基板对称。

优选的，所述印刷电路下层与印刷电路上层均由金属贴片构成，所述金属贴片为中心对称结构。

优选的，所述金属贴片包括圆环形金属贴片和经过圆环形贴片圆心处与圆环形金属贴片连接为一体的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片上设有工字型金属贴片。

优选的，所述金属贴片为铜片或或镍金镀层。

优选的，所述馈电喇叭天线为线极化、圆极化或多极化喇叭天线中的一种。

优选的，相移超表面单元的中心在相移超表面阵列上的坐标位置的出射电磁波，在x,y,z三个方向上对应的理想相位为：

其中

式中，x_i,y_j分别为相移超表面单元中心在相移超表面阵列上的横、纵坐标，无量纲；i，j,分别为相移超表面阵列中相移超表面单元的行和列，无量纲；P为相移超表面单元的边长尺寸，mm；k为整数，无量纲；f为中心工作频率，GHz；c为真空中光速，c＝3×10⁸，m/s；L为目标非衍射距离，mm；F为标准增益喇叭天线与相移超表面阵列天线口径的距离，其取值需大于馈电喇叭天线近场范围且小于馈电喇叭天线的远场范围，以使馈电喇叭辐射的电磁波以平面波形式垂直照射到相移超表面阵列,mm；α为偏折角，为非衍射波束传播方向与Y轴负向夹角，°；

为理想相位φ沿x方向上的分量，°；

为理想相位φ沿y方向上的分量，°；

为理想相位φ沿z方向上的分量，°。

优选的，通过改变相移超表面单元中心自身旋转角度θ(x_i,y_j)可改变所传输的电磁波的相位φ(x_i,y_j)，且二者满足φ(x_i,y_j)＝2θ(x_i,y_j)。

本发明的有益效果是：

1、本发明基于相移超表面原理和几何光学聚焦基本原理，非衍射主波束可以根据需求朝不同方向偏转，与普通非衍射天线相比，本发明具有衍射距离远、低旁瓣、尺寸小、剖面低等特点。

2、本发明采用单层介质板，并在单层介质基板双侧进行金属贴片结构设计，采用普通PCB印刷技术，用喇叭天线代替馈电网络，具有易于加工、结构简单的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，而非对本发明的限制。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明相位计算原理示意图；

图3为本发明相移超表面单元的立体结构示意图；

图4为本发明相移超表面单元的俯视结构示意图；

图5为本发明相移超表面阵列的俯视结构示意图；

图6为本发明应用实例天线反射系数示意图；

图7为本发明应用实例非衍射相移表面天线结果图(YOZ面内电场分布图)；

图8为本发明应用实例非衍射相移表面天线结果图(z＝70mm时，XOY面内电场分布图)；

图中所示

1—相移超表面阵列，2—馈电喇叭天线，3—印刷电路下层，4—高频介质基板，5—印刷电路上层。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的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。

除非另外定义，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图8所示，一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，包括相移超表面阵列1和馈电喇叭天线2，所述馈电喇叭天线2位于相移超表面阵列1下端，且正对相移超表面阵列1下端面的中心；所述馈电喇叭天线2为线极化、圆极化或多极化喇叭天线中的一种。

所述相移超表面阵列1由不同旋转角度的，呈周期性排列的多个相移超表面单元构成，其具有电磁波相位改变功能。

所述相移超表面单元从下至上依次包括印刷电路下层3、高频介质基板4和印刷电路上层5，所述印刷电路下层3与印刷电路上层5结构相同，并关于高频介质基板4对称。

所述印刷电路下层3与印刷电路上层5均由一体结构的金属贴片构成，所述金属贴片包括圆环形金属贴片和经过圆环形贴片圆心处与圆环形金属贴片连接为一体的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片上设有工字型金属贴片。

所述金属贴片为中心对称结构，基于旋转相位梯度原理，在基本不改变电磁波幅度的条件下，通过改变相移超表面单元自身旋转角度θ(x_i,y_j)即可改变所传输的电磁波的相位φ(x_i,y_j)，且二者关系式为φ(x_i,y_j)＝2θ(x_i,y_j)。

即，通过改变相移超表面单元上金属贴片的旋转角度实现对入射电磁波的相位从0～360°的相位调制。然后根据几何光学光程差基本原理，将天线孔径划分为正方形网格，将每个相移超表面单元中心的位置置于所划分的网格处，通过调整每个位置上的相移超表面单元旋转角度使其满足每个位置和相位之间的关系式：公式(1)-(2)；在标准增益喇叭天线的波束照射条件下，天线出射面形成满足非衍射波束特征的相位分布，以实现非衍射波束方向的偏折。

设定(x_i,y_j)为相移超表面单元中心在天线孔径上的坐标位置，利用几何光学聚焦理论，将天线孔径上的任意位置(x_i,y_j)的出射电磁波在x,y,z三个方向上分别计算相位分量之后，对其合成计算以求出位置(x_i,y_j)处对应的理想相位：

其中

式中，x_i,y_j分别为相移超表面单元中心在相移超表面阵列1上的横、纵坐标，无量纲；i，j分别为相移超表面阵列中相移超表面单元的行和列，无量纲；P为相移超表面单元的边长尺寸，mm；k为整数，无量纲；f为中心工作频率，GHz；c为真空中光速，c＝3×10⁸，m/s；L为目标非衍射距离，mm；F为标准增益喇叭天线与相移超表面阵列天线口径的距离，其取值需大于馈电喇叭天线近场范围且小于馈电喇叭天线的远场范围，以使馈电喇叭辐射的电磁波以平面波形式垂直照射到相移超表面阵列,mm；α为偏折角，为非衍射波束传播方向与Y轴负向夹角，°；

为理想相位φ沿x方向上的分量，°；

为理想相位φ沿y方向上的分量，°；

为理想相位φ沿z方向上的分量，°。

主波束方向由公式(2)中的α决定，通过改变α和L的值来改变中心频率下的主波束偏转方向和非衍射距离。若只需要改变非衍射距离，则不需要对天线相移超表面进行重新设计，只需在原超表面天线的基础上改变天线孔径尺寸即可。

通过改变单元自身旋转角度θ(x_i,y_j)即可改变所传输的电磁波的相位φ(x_i,y_j)且二者关系式为φ(x_i,y_j)＝2θ(x_i,y_j)。即，通过将天线口径表面上任意位置(x_i,y_j)处的相移超表面单元计算出来所对应的相位φ(x_i,y_j)，然后将单元以自身中心点旋转θ(x_i,y_j)后，完成相移超表面的布阵。

实例计算

标准增益喇叭天线工作中心频率设置为f＝10GHz，目标非衍射距离L＝100mm,偏折角度α＝50°。非衍射相移超表面天线整体结构如图1所示，标准增益线极化喇叭天线与相移超表面天线口径的距离F＝200mm，根据图2所示的计算原理图，计算相移超表面天线口径上任意位置(x_i,y_i)的相移超表面单元所需提供的相位φ(x_i,y_j)之后，计算出对应位置相移表面单元所需旋转角度θ(x_i,y_j)，用仿真软件对所设计的结构进行仿真，仿真部分单元旋转角度的结果如表1所示：

表1部分相移超表面单元对应的旋转角度表

(x<sub>i</sub>,y<sub>j</sub>)	(0.5×P，0.5×P)	(1.5×P，1.5×P)	(2.5×P，2.5×P)
				θ(°)	27.18	83.48	139.28
(x<sub>i</sub>,y<sub>j</sub>)	(3.5×P，3.5×P)	(4.5×P，4.5×P)	(5.5×P，5.5×P)
				θ(°)	15.28	71.57	128.21
(x<sub>i</sub>,y<sub>j</sub>)	(0.5×P，-0.5×P)	(1.5×P，-1.5×P)	(2.5×P，-2.5×P)
				θ(°)	4.78	14.59	25.1
(x<sub>i</sub>,y<sub>j</sub>)	(3.5×P，-3.5×P)	(4.5×P，-4.5×P)	(5.5×P，-5.5×P)
				θ(°)	36.72	49.77	64.47

超表面单元结构如图3至图4所示，其结构为介质基板双侧加载对称金属贴片结构：金属贴片包括圆环形金属贴片和经过圆环形贴片圆心处与圆环形金属贴片连接为一体的矩形金属贴片并在矩形金属贴片上设有工字型金属贴片；所述金属贴片的尺寸为：r＝3.64mm,L1＝1.62mm，L2＝4.1mm，P＝7.68mm，材料为铜片或使用PCB沉金工艺印制的可焊性良好的镍金镀层；基板厚度h＝1.5mm，采用F4B介质，其介电常数ε_r＝2.65,tanθ＝0.001；

根据图2所示原理，即公式(1)-(2)，将图3至图4所示相移超表面单元进行布阵后形成的相移超表面阵列结构如图5所示，尺寸为92.16mm×92.16mm；随后使用标准增益线极化喇叭天线进行系统搭建，如图1所示。

本发明具有良好的匹配，S₁₁在工作频段9.5-10.5GHz内全部小于-15dB，如图6所示；同时非衍射波束在YOZ平面内具有良好的偏折特性，如图7所示，波束偏折角约α＝50°，而非衍射距离约L＝100mm，仿真结果与理论值基本吻合；在XOY平面内z＝70mm处，主波束偏移明显、没有发生衍射，如图8所示。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，包括相移超表面阵列(1)和馈电喇叭天线(2)，所述馈电喇叭天线(2)位于相移超表面阵列(1)的一侧，且正对相移超表面阵列(1)一端端面的中心；

所述相移超表面阵列(1)由不同旋转角度，呈周期性排列的多个相移超表面单元构成，其具有电磁波相位改变功能；

所述相移超表面单元从下至上依次包括印刷电路下层(3)、高频介质基板(4)和印刷电路上层(5)，所述印刷电路下层(3)与印刷电路上层(5)结构相同，并关于高频介质基板(4)对称。

2.根据权利要求1所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，所述印刷电路下层(3)与印刷电路上层(5)均由金属贴片构成，且均为中心对称结构。

3.根据权利要求2所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，所述金属贴片包括圆环形金属贴片和经过圆环形贴片圆心处与圆环形金属贴片连接为一体的矩形金属贴片，所述矩形金属贴片上设有工字型金属贴片。

4.根据权利要求3所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，所述金属贴片为铜片或镍金镀层。

5.根据权利要求1所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，所述馈电喇叭天线(2)为线极化、圆极化或多极化喇叭天线中的一种。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，相移超表面单元的中心在相移超表面阵列(1)上的坐标位置的出射电磁波，在x,y,z三个方向上对应的理想相位为：

其中

式中，x_i,y_j分别为相移超表面单元中心在相移超表面阵列(1)上的横、纵坐标，无量纲；i，j,分别为相移超表面阵列中相移超表面单元的行和列，无量纲；P为相移超表面单元的边长尺寸，mm；k为整数，无量纲；f为中心工作频率，GHz；c为真空中光速，c＝3×10⁸，m/s；L为目标非衍射距离，mm；F为标准增益喇叭天线与相移超表面阵列天线口径的距离，其取值需大于馈电喇叭天线近场范围且小于馈电喇叭天线的远场范围，以使馈电喇叭辐射的电磁波以平面波形式垂直照射到相移超表面阵列,mm；α为偏折角，为非衍射波束传播方向与Y轴负向夹角，°；

为理想相位φ沿x方向上的分量，°；

为理想相位φ沿y方向上的分量，°；

为理想相位φ沿z方向上的分量，°。

7.根据权利要求6所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线，其特征在于，通过改变相移超表面单元中心自身旋转角度θ(x_i,y_j)可改变所传输的电磁波的相位φ(x_i,y_j)，且二者满足φ(x_i,y_j)＝2θ(x_i,y_j)。

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