CN112864595B - 一种透射式电磁表面单元及层叠式阵列结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透射式电磁表面单元，包括：介质板，所述介质板包括第一表面和远离所述第一表面的第二表面，所述介质板还包括第一端口和远离所述第一端口的第二端口，所述第一端口位于所述第一表面，所述第二端口位于所述第二表面；接收极，所述接收极布置于所述第一端口上；发射极，所述发射极布置于所述第二端口上；移相结构，所述移相结构布置于所述介质板的中心，分别与所述接收极、所述发射极连接。一种层叠式阵列结构，其特征在于，所述层叠式阵列结构包括至少两个所述透射式电磁表面单元。本发明相较于现有方案具有单元损耗小、结构简单、带宽更宽及波束扫描范围更大等优点。

Description

一种透射式电磁表面单元及层叠式阵列结构
技术领域
本发明涉及天线领域，尤其涉及一种透射式电磁表面单元及层叠式阵列结构。
背景技术
电磁表面是一种新型的二维周期或准周期人工电磁结构，通过在电磁表面单元上引入电调器件构建的新型可重构电磁表面可以通过控制电调器件实现对电磁波的实时调控，从而可以实现波束扫描、波束捷变等多种功能。基于可重构电磁表面单元的数字相控电磁表面天线便是其中最典型的一个技术点。理论和工程实践已表明，与传统相控阵相比，基于电控可重构电磁表面单元的相控电磁表面天线虽然在发射功率上有所下降，但天线增益、波束宽度等关键指标与传统相控阵相当，而系统成本和复杂度则显著降低，具有广阔的应用空间。
根据馈源位置的不同，数字相控电磁表面天线可分为反射型和透射型两类。其中透射型可重构阵列的馈源和出射波束分置于阵面两侧，这种结构解决了反射型结构中馈源遮挡问题且更易于与安装平台进行共形设计和一体集成，是目前最有发展潜力的应用形式之一。
目前，透射型可重构阵列主要分为两类：采用变容二极管、电控机械器件、功能材料等连续电调器件实现模拟相控电磁表面设计；采用PIN二极管和射频MEMS开关等开关型器件，实现数字相控电磁表面天线设计。其中，基于开关型器件的数字相控电磁表面天线比连续电调的方案具有技术先进性，但仍存在着诸如：单元损耗大、结构复杂，单元和阵列带宽窄、扫描范围小等弊端。
发明内容
为至少解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种透射式电磁表面单元及层叠式阵列结构。
根据本发明实施例的第一方面，一种透射式电磁表面单元，包括：
介质板，所述介质板包括第一表面和远离所述第一表面的第二表面，所述介质板还包括第一端口和远离所述第一端口的第二端口，所述第一端口位于所述第一表面，所述第二端口位于所述第二表面；
接收极，所述接收极布置于所述第一端口；
发射极，所述发射极布置于所述第二端口；
移相结构，所述移相结构布置于所述介质板的中心，所述移相结构与所述接收极连接，所述移相结构与所述发射极连接。
进一步，所述接收极通过微带线与所述移相结构连接，所述微带线布置于所述第一表面。
进一步，所述发射极通过槽线与所述移相结构连接，所述槽线布置于所述第二表面。
进一步，所述移相结构包括二极管和接地孔，所述接地孔的一端连接所述第一表面，所述接地孔的另一端连接所述第二表面，所述二极管布置在所述槽线中。
进一步，所述二极管至少存在两个。
进一步，所述二极管为PIN二极管。
根据本发明实施例的第二方面，一种层叠式阵列结构，所述层叠式阵列结构包括至少两个如第一方面所述的透射式电磁表面单元。
进一步，所述层叠式阵列结构包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列包括N个所述透射式电磁表面单元，所述第二阵列包括M个所述透射式电磁表面单元，M和N均为正整数。
本发明的有益效果：利用移相结构在同一介质板上连接发射极与接收极的设计形成的透射式电磁表面单元，结构简单且数控相移能力优秀，基于该射式电磁表面单元形成的层叠式阵列结构的可扩展性、可组合性更优，可根据应用环境的需求组合形成适用的规模阵列，同时减少了加工成本和传输损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本方明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例提供的透射式电磁表面单元示意图；
图2是本发明实施例提供的介质板连接示意图；
图3是本发明实施例提供的一种透射式电磁表面单元结构示意图；
图4是本发明实施例提供的移相结构工作示意图；
图5是本发明实施例提供的幅频特性曲线示意图；
图6是本发明实施例提供的层叠式阵列结构二维示意图；
图7是本发明实施例提供的层叠式阵列结构三维示意图；
图8是本发明实施例提供的基于不同扫描角时的工作状态示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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一部分的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。
本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
参照图1和图2，图1所示为透射式电磁表面单元示意图，图2所示为介质板201连接示意图，包括：
介质板201，介质板201包括第一表面和远离第一表面的第二表面，介质板201还包括第一端口202和远离第一端口202的第二端口203，第一端口202位于第一表面，第二端口203位于第二表面；
接收极101，接收极101布置于第一端口202；接收极101通过微带线204与移相结构102连接，微带线204布置于第一表面。
发射极103，发射极103布置于第二端口203；发射极103通过槽线205与移相结构102连接，槽线205布置于第二表面。
移相结构102，移相结构102布置于介质板201的中心，移相结构102与接收极101连接，移相结构102与发射极103连接；移相结构102包括二极管和接地孔1022，接地孔1022的一端连接第一表面，接地孔1022的另一端连接第二表面，二极管布置在槽线205中；二极管至少存在两个；且在部分实施例中，一般采用PIN二极管；图2中关于移相结构102的部分展示的是当存在两个PIN二极管，且两个PIN二极管分列于槽线205中环形槽部分两侧时的结构。
参照图3，图3所示为一种透射式电磁表面单元结构示意图，在一些优选的实施例中，我们采用微带Yagi辐射器301作为接收极101，微带Vivaldi辐射器303作为发射极103，微带Yagi辐射器301位于介质板201一端的上表面并与微带线204相连，介质板201另一端的背面刻蚀有微带Vivaldi辐射器303并采用槽线205作为馈线。利用微带-槽线电流翻转式的1比特移相结构302作为移相结构102，在微带-槽线电流翻转式1比特移相结构302的两端分别连接了微带馈电的微带Yagi辐射器301和槽线馈电的微带Vivaldi辐射器303，使得1比特移相结构302在实现180°移相功能的同时也实现了与收发辐射器的互联，避免了额外的互联损耗。
参照图4，图4所示为移相结构102工作示意图，需要特别说明的是，该示意图展示的是当二极管数量为两个，且分列于槽线205中环形槽部分两侧时的工作状态。
当从端口1输入的电磁波信号在槽线205中传播至节点J1时，槽线205分为左右两路形成一个环形槽，并由横跨在槽线205上的二极管PIN1和二极管PIN2控制两路的通断；这两个PIN二极管反向接在槽线205上，当其中一个PIN二极管处于导通状态时(ON状态，等效为槽线205在该点短路)，另一个处于截止状态(OFF状态，等效为在槽线205两臂加载一个电容)。此时电磁波只能沿着二极管呈现截止状态的一侧继续传播，当电磁波到达节点J2处时耦合至微带线204。
以二极管PIN1导通，二极管PIN2截止时为例(如图中所示的State I)，此时电磁波只能沿着PIN2一侧继续传播，在J2点耦合至微带线204；同理，当二极管PIN1截止，二极管PIN2导通时(如图中所示的State II)，电磁波只能沿着PIN1一侧继续传播，在J2点耦合至微带线204；由于两种状态下，电磁波的传播路径镜像对称，因此在J2点处，槽线205内传播的电场的方向相反，当端口1输入的信号相位相同时，在槽线205中传播的电场会从相反的方向耦合至微带线204，使得微带线204上感应的电场方向相反，即在该微带-槽线电流翻转式移相结构102中，两种状态具有180°的相位差。
参照图5，图5所示为幅频特性曲线示意图，采用如图1中优选实施例时，即微带Yagi辐射器301作为接收极101，微带Vivaldi辐射器303作为发射极103，由图中所示可见，该透射式电磁表面单元具有较宽的频率特性且对入射角不敏感，其-1dB带宽大于2.8GHz(优于20％)，带宽特性优于已公开方案。
参照图6和图7，图6所示为层叠式阵列结构的二维示意图，图7所示为层叠式阵列结构的三维示意图，层叠式阵列结构由至少两个透射式电磁表面单元602组成；层叠式阵列结构包括第一阵列和第二阵列，第一阵列包括N个透射式电磁表面单元602，第二阵列包括M个透射式电磁表面单元602，M、N均为正整数。如图6和图7所示，展示的是16*16的阵列结构，即X轴横向布置了16个透射式电磁表面单元602，Y轴纵向布置了16个透射式电磁表面单元602，左右各布置有支撑框架601，馈源701则布置于阵列结构的背面，因不涉及馈源701结构，图中不做展示；一般地，X轴和Y轴上布置的透射式电磁表面单元602数量不做限制，可以相等也可以不相等，视实际应用环境的需求进行相应的调整。
将面阵设计改为线阵列设计，可以有N个包含M个单元的一维线阵通过堆叠的方式构成M*N的大阵列，因此扩展性、可组合性更强；当存在单元失效时，直接替换相应的子阵即可，具备可维修及可替代性的特性；而与大面阵列相比，线阵列的加工和装配成本更低，即将单个的大面阵化为N个小的线阵列，总体加工成本更低。
除此以外，还便于设计直流偏置网络。传统的平面阵列单元通常是多层结构，每个单元的投影面积是有限的，设定为dx×dy，其沿z轴从上到下通常可以分为发射天线层、偏置网络层、地层、接收天线层；在阵列布局中，当有M×N个单元布局时，最外侧的单元的偏置网络层通常要能够在dx×dy的面积内容纳N根或者M根控制线。随着频率的升高，dx、dy(通常是半波长)变小，使得布线密度增加，必须通过增加偏置网络的层数来解决这个问题，偏置线密度和层数的增加对单元整体的性能也有显著的影响，均需要开展重新的设计和优化，另外增加层数也增加了加工成本、也增加的单元的传输损耗。而采用本专利设计的结构，偏置网络设计在金属地板的背面，参照图7，其与接收天线和发射天线均隔离。因此偏置网络的设计对电磁表面收发单元及移相结构的设计均无影响。当单元数增加时，一方面可以通过延长地板沿z方向的长度从而在一层内布局更多的偏置线，另一方面也可以直接使用多层电路板设计，两种路线对单元整体的性能均无明显影响，不需重新设计。
因此，基于层叠结构的准三维布局方式具有如下优点：可扩展性强，将传统的面阵设计改变成了线阵的设计，通过线阵的组合可以比较容易的构成规模不同的面阵；可维修及可替代性强，当存在单元失效时，直接替换相应的子阵即可；加工和装配成本更低，与平面布局的方式相比，本申请中的应用的PCB层数能够显著较少；偏置网络不再局限于平面阵列中宽度为dy或dx的空间内，而可以在z向扩展，灵活度较大，降低了直流偏置网络的设计复杂度和调试难度，也有利于散热。
参照图8，图8所示为基于不同扫描角时的工作状态示意图，共包括(a)、(b)、(c)、(d)四幅子图，分别代表波束指向出射角度为0°、20°、40°、60°时，电磁表面上各单元优化后的设置状态；在确定馈源的相位中心距电磁表面中心点的垂直距离(焦距f)后，电磁表面上各单元的相位分布可通过射线追踪法求得。通过控制PIN二极管偏置电压，改变PIN二极管开关状态，可以改变口径面的实际相位分布，实现波束扫描性能。此外，由于可重构电磁表面具备天然的离散特点，在射线追踪法的基础上，还可以通过引入粒子群算法(PSO)和遗传算法等现代优化算法，通过构造合适的代价函数，从全局空间对每个单元的相位分布进行迭代优化，从而实现对大扫描角下增益和副瓣的优化，提升阵列的波束扫描性能。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (5)

1.一种透射式电磁表面单元，其特征在于，包括：
介质板，所述介质板包括第一表面和远离所述第一表面的第二表面，所述介质板还包括第一端口和远离所述第一端口的第二端口，所述第一端口位于所述第一表面，所述第二端口位于所述第二表面；
接收极，所述接收极布置于所述第一端口，所述接收极通过微带线与移相结构连接，所述微带线布置于所述第一表面；
发射极，所述发射极布置于所述第二端口，所述发射极通过槽线与所述移相结构连接，所述槽线布置于所述第二表面；所述发射极为Vivaldi辐射器；
所述移相结构，所述移相结构布置于所述介质板的中心，所述移相结构与所述接收极连接，所述移相结构与所述发射极连接；所述移相结构还包括二极管和接地孔，所述接地孔的一端连接所述第一表面，所述接地孔的另一端连接所述第二表面；所述二极管布置在所述槽线中。
2.根据权利要求1所述的透射式电磁表面单元，其特征在于，所述二极管至少存在两个。
3.根据权利要求1所述的透射式电磁表面单元，其特征在于，所述二极管为PIN二极管。
4.一种层叠式阵列结构，其特征在于，所述层叠式阵列结构包括至少两个如权利要求1所述的透射式电磁表面单元。
5.根据权利要求4所述的层叠式阵列结构，其特征在于，所述层叠式阵列结构包括第一阵列和第二阵列，所述第一阵列包括N个所述透射式电磁表面单元，所述第二阵列包括M个所述透射式电磁表面单元，M和N均为正整数。
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