CN113206393B - 反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线及控制方法，选取四种不同金属图形大小的基本单元，在600GHz的时候反射相位响应相同，在710GHz的时候不同反射单元之间相位响应相差90°，在910GHz的时候不同反射单元之间相位响应相差180°，且这段频率范围内，不同单元结构之间的相位差相差值成线性增长变化。这样，通过对不同金属图形单元结构的编码组合方式可以在不同频率获得不同的波束偏转，实现波束扫描。

Description

反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线及控制方法

技术领域

本发明应用于卫星通信领域，所公开的实例总体上涉及平板相控阵天线，并且更具体地涉及反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线。

背景技术

在传统相控天线阵列中，来自发射机的功率通过由处理器控制的移相器馈送到天线，移相器通过电子方式改变相位，从而将无线电波束转向不同的方向。传统的相控阵天线结构由天线孔径板，收发器模块以及信号组合器/分配器和分配网络组成。

超材料是由周期或非周期亚波长单元组成的具有负折射率特性的人工电磁介质。在上实现了一些反常的物理现象，如偏振转换、超透镜成像、电磁隐身、全息成像、异常反射。随着工艺技术的发展，基于的器件成为研究热点，包括吸收器、偏振转换器、调制器、滤波器、天线等。编码被提出作为一种控制微波的结构，其中二进制代码被用来描述的特性。这样就可以利用预先设计的不同编码表面的序列实现各种物理现象。

然而，传统的编码在确定编码序列时具有一个固定的相位差，所以如果编码方式确定，传统的编码对电磁波的操控也就确定，在工作频率范围内的功能也被固定。因此，为了得到包含多个几何结构不同的单元的具有不同反射相位响应的编码，这需要在多比特编码设计中进行复杂的优化处理。

发明内容

本发明提出了一种反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，由X×Y个基本单元组成平板阵列天线，其特征在于：基本单元包括金属底板1、设置于金属底板上的介质基板2、具有正交十字形槽的四叶型金属贴片3、设置于四叶型金属贴片周边的4根第一层矩形金属条4和4根第二层矩形金属条5，四叶型金属贴片3为中心对称，4根第一层矩形金属条4和4根第二层矩形金属条5的中点位于正交十字形槽的两个对称轴上。所述基本单元的大小为D×D，D＝90um；所述介质基板2厚度为h＝20um，材料为聚酰亚胺；所述四叶型金属贴片3整体边长为a，四个扇叶的边长为b＝0.375a，每个边的中点处挖槽大小为c×k，其中槽深c＝0.2a、槽宽k＝0.25a，中心的正交十字形槽尺寸为长度m和宽度n，其中长度m＝0.4a、宽度n＝0.05a；所述设置于四叶型金属贴片3周边的4根第一层矩形金属条4的长度a、宽度s＝2um，距离四叶型金属贴片3的距离为g1＝1um；所述设置于四叶型金属贴片周边的4根第二层矩形金属条5的长度a、宽度s＝2um，距离第一层矩形金属条4的距离为g2＝g1＝1um；所述四叶型金属贴片3加上第一层矩形金属条4和第二层矩形金属条5整体宽度为L，其中第11基本单元的宽度L₁₁＝25um，第12基本单元的宽度L₁₂＝62um，第13基本单元的宽度L₁₃＝67um，第14基本单元的宽度L₁₄＝71um。

本发明的优势在于：

(1)反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线为平面阵列结构，基本单元结构的反射相位响应随着金属图形大小的改变而发生改变，我们选取的四种不同金属图形大小的基本单元在600GHz的时候反射相位响应相同，在710GHz的时候不同反射单元之间相位响应相差90°，在910GHz的时候不同反射单元之间相位响应相差180°，且这段频率范围内，不同单元结构之间的相位差相差值成线性增长变化。这样，通过对不同金属图形单元结构的编码组合方式可以在不同频率获得不同的波束偏转，实现波束扫描；

(2)反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线为平面阵列结构，而不是像传统相控阵天线那样依靠加载在天线背后的移相器实现相位移的改变，这样大大减少了阵列天线结构的尺寸，重量，占地面积要求；

(3)反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线为平面阵列结构，该结构不仅可以实现反射波束扫描，而且对任意方向入射的电磁波均可实现降低雷达反射截面功能。

附图说明

图1(a)反射式多功能波束扫描卫星通信基本单元的正面结构；

图1(b)反射式多功能波束扫描卫星通信基本单元的侧面结构；

图1(c)反射式多功能波束扫描卫星通信基本单元的底面结构；

图2反射式多功能波束扫描卫星通信基本单元的参数标注；

图3选取的不同尺寸的基本单元；

图4不同尺寸基本单元的反射相位特性对比；

图5(a)列向编码波束扫描卫星通信平板阵列天线示意图；

图5(b)斜向编码波束扫描卫星通信平板阵列天线示意图；

图5(c)雷达反射截面缩减编码卫星通信平板阵列天线示意图；

图6一种列向编码平板阵列天线远场波束在不同频率变化图；

图7两种斜向编码平板阵列天线远场波束在不同频率变化图；

图8一种雷达反射截面缩减编码平板阵列天线远场波束在不同频率变化图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明的特征作更进一步描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限制本发明的范围，凡在本发明精神范围内所做的任何等同修改和变换，都在本发明保护范围之内。

本发明中，反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，由X×Y个基本单元组成平板阵列天线，如图1(a)-1(c)，基本单元包括金属底板1、设置于金属底板上的介质基板2、具有正交十字形槽的四叶型金属贴片3、设置于四叶型金属贴片周边的4根第一层矩形金属条4和4根第二层矩形金属条5，四叶型金属贴片3为中心对称，4根第一层矩形金属条4和4根第二层矩形金属条5的中点位于正交十字形槽的两个对称轴上。如图2，所述基本单元的大小为D×D，D＝90um；所述介质基板2的厚度h＝20um，材料为聚酰亚胺；所述四叶型金属贴片3整体边长为a，四个扇叶的边长为b＝0.375a，每个边的中点处挖槽大小为c×k，其中槽深c＝0.2a、槽宽k＝0.25a，中心的正交十字形槽尺寸为长度m和宽度n，其中长度m＝0.4a、宽度n＝0.05a；所述设置于四叶型金属贴片3周边的4根第一层矩形金属条4的长度a、宽度s＝2um，距离四叶型金属贴片3的距离为g1＝1um；所述设置于四叶型金属贴片3周边的4根第二层矩形金属条5的长度a、宽度s＝2um，距离第一层矩形金属条4的距离为g2＝g1＝1um；所述四叶型金属贴片3加上第一层矩形金属条4和第二层矩形金属条5整体宽度为L。如图3，其中第11基本单元的宽度L₁₁＝25um，第12基本单元的宽度L₁₂＝62um，第13基本单元的宽度L₁₃＝67um，第14基本单元的宽度L₁₄＝71um。

本发明中，反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，与传统的编码元表面不同，所提出的空间编码元表面相邻单元间的相位差不是恒定的，而是随电磁波频率而变化的。在不重新设计编码元表面结构的情况下，通过改变工作频率来控制电磁波能量辐射方向。

与传统的空间编码相比，反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线具有两个关键特征：初始相位响应和相位灵敏度。单元在初始频率上有相似的相位值，但在整个工作频率带宽上有不同的相位灵敏度。可以用泰勒级数展开为：

其中

是频率为f时的相位响应，α₀是初始频率时的相位值，α₁是频域参数，就是工作频率范围内的相位灵敏度，α_n是第n阶相位响应。式(1)可以简化为：

根据式(2)，相邻单元的相位差不仅和初始频率下的相位值α₀有关，并且和相位灵敏度α₁有关。这提供了一种对进行编码的方法，从而产生一个空间频率编码，使得初始频率下的相位值和相位灵敏度可以被同时编码。

本文提出的四叶与金属棒状结构由于具有良好的线性关系，并且具有较宽的相移范围，所以可以实现在同一编码上实现更多样的操控。经大量的分析计算，选出四个不同尺寸的单元，分别为L＝25μm、65μm、70μm和74μm，记作11，12，13，14，如图3。

由图4可知，这四个不同尺寸的基础单元在频率为600GHz时具有相似的初始相位值α₀＝π/12，把此时的状态编码为“00”。在频率为710GHz时，相邻两个单元之间的相位差为π/2，，此时把这四个单元的状态分别编码为“00”，“01”，“10”，“11”。在频率为910GHz时，相邻两个单元之间的相位差为π，那么此时11，13相位差为2π，即它们的状态相同；12，14的相位差为2π，它们的状态也相同，则把该时刻这四个单元的状态分别编码为“00”，“01”，“00”，“01”。最终得到这样的结果：当频率从600GHz-710GHz-910GHz时，对应的编码状态为“00-00-00”，“00-01-01”，“00-10-00”和“00-11-01”。这样的操作与传统的数字编码超材料编码方式相比，将原有编码在工作频率范围内只有一种编码状态，扩大到三种编码状态，实现了三次的编码变换。成功地实现了编码方式的创新，提供了一种更大自由度、更灵活的电磁波的操控方式。

分别计算四个单元的相位灵敏度，可以清楚地发现相邻基本单元之间的相位差随频率而变化。同时在一定的频率范围之内，相邻两个基本单元之间的相位差变化是近似相等的。因此，利用上述的四个基本单元构成的空间频率编码结构，仅仅改变频率就可以实现电磁波的多种操控，增加了编码的功能多样性。

本发明确定的大小分别为L＝25μm、62μm、67μm和71μm的四个基本单元，按列向排布形成阵列，每列单元相同，不同的列与列之间形成相位梯度，其中某种列向编码波束扫描卫星通信平板阵列天线示意图如图5(a)所示。

观察远场结果图6可以发现，600GHz的时候所有单元相位响应相同阵列形成镜面反射而且效率接近百分之百；710GHz的时候，所有单元相位响应由相同变成了不同单元之间相差π/2,四种单元响应状态形成2-bit编码，在17°形成一个反射波主波束，效率幅值达到了0.65以上，镜面反射也很小，波束偏转效果很明显；910GHz的时候，所有单元相位响应由初始频率的相同变成了710GHz时不同单元之间相差π/2在继续变成了910GHz时不同单元相位响应相差π,此时同样四种单元构成的空间频率形成了编码，实现反射角度为为13°的波束偏转，效率达到了0.78以上，对杂波的抑制效果也非常好，波束偏转效果明显。

综上所述，我们将获得的结果进行整理，可以得到表1：

表1不同列向编码方式得到的波束角偏转和编码状态

其中，编码方式1代表“00-01-10-11-00-01-10-11”的周期排布，编码方式2代表“00-01-10-11-00-00-01-01-10-10-11-11-00-01-10-11”的周期排布，编码方式3代表“00-01-10-11-00-00-01-01-10-10-11-11-00-01-10-11-00-00-01-01-10-10-11-11”的周期排布，编码方式4代表“00-00-01-01-10-10-11-11-00-00-01-01-10-10-11-11”的周期排布，编码方式5代表“00-00-00-01-01-01-10-10-10-11-11-11”的周期排布，编码方式6代表“00-00-00-00-01-01-01-01-10-10-10-10-11-11-11-11”的周期排布。

通过这个表格我们可以发现，通过这几种编码我们就可以实现从13°到66°的波束偏转扫描。而且每种编码，都可以在600GHz、710GHz和910GHz随频率变化形成三种不同的编码状态，使阵列获得了更加丰富的电磁操控能力，应用更加多样化。

本发明中，反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线还可以使用四种不同的基本单元利用斜向编码组成二维的电磁波空间扫描，如图5(b)。图7展示了两种典型的斜向编码方式下的远场波束变化。观察斜编码1的远场结果图，600GHz的时候所有单元相位响应相同阵列形成镜面反射而且效率接近百分之百；710HHz的时候，所有单元相位响应由相同变成了不同单元之间相差π/2,四种单元响应状态形成2-bit编码，在φ＝45°、θ＝53°形成一个反射波主波束，效率幅值达到了0.5，波束偏转效果很明显；910GHz的时候，所有单元相位响应由初始频率的相同变成了710GHz时不同单元之间相差π/2在继续变成了910GHz时不同单元相位响应相差π,此时同样四种单元构成的空间频率形成了编码，实现反射角度为为φ＝45°、θ＝40°的波束偏转，效率达到了0.65以上，对杂波的抑制也比较好，实现了波束的三维偏转扫描变化。观察斜编码2的远场结果图，600GHz的时候所有单元相位响应相同阵列形成镜面反射而且效率接近百分之百；观察710GHz的结果图可以发现，所有单元相位响应由相同变成了不同单元之间相差π/2,四种单元响应状态形成编码，在φ＝45°、θ＝24°形成一个反射波主波束，效率幅值达到了0.6，波束偏转效果很明显；观察910GHz的远场波束图，所有单元相位响应由初始频率的相同变成了710GHz时不同单元之间相差π/2在继续变成了910GHz时不同单元相位响应相差π，此时同样四种单元构成的空间频率形成了编码，实现反射角度为为φ＝45°、θ＝19°的波束偏转，效率达到了0.7以上，对杂波的抑制也比较好，实现了波束的三维偏转扫描变化。

本发明中，反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线使用四种不同的基本单元任意排布，该结构不仅可以实现反射波束扫描，而且对任意方向入射的电磁波均可实现降低雷达反射截面功能，如图5(c)。图8展示了一种典型的缩减雷达反射截面编码方式下的远场波束变化。观察600GHz、710GHz和910GHz这三个频率下的雷达反射截面结果图，710GHz和910GHz时，基本单元分布随机散乱有效减少了整个的雷达反射截面，整个几乎没有特别突出明显的波束，三维空间内各个方向的雷达反射截面相比于600GHz时的完全镜面反射产生的雷达反射截面大大减小。经过验证，通过构建基本单元分布随机散乱的，可以有效减小工作频率下的雷达反射截面，并同时可以保证在特定频率下的高效反射通信。该发明在雷达反射截面缩减领域可以有更多应用。

本申请虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本申请的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本申请技术方案的内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本申请技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，由X×Y个基本单元组成平板阵列天线，其特征在于：基本单元包括金属底板（1）、设置于金属底板上的介质基板（2）、具有正交十字形槽的四叶型金属贴片（3）、分别设置于四叶型金属贴片四周的4根第一层矩形金属条（4）和4根第二层矩形金属条（5），其中第二层矩形金属条（5）位于第一层矩形金属条（4）的外侧；所述四叶型金属贴片（3）由方形贴片在每边中点挖槽形成，四叶型金属贴片（3）为中心对称，4根第一层矩形金属条（4）和4根第二层矩形金属条（5）的中点位于正交十字形槽的两个对称轴上；包括四种不同尺寸的单元，在第一频率时，相邻两个单元之间的相位差为第一相位差，状态编码为“00”； 在第二频率时，相邻两个单元之间的相位差为第二相位差，把所述四种不同尺寸的单元的状态分别编码为“00-01-10-11”； 在第三频率时，相邻两个单元之间的相位差为第三相位差，把所述四种不同尺寸的单元的状态分别编码为“00-01-00-01”；最终得到这样的结果：当频率从第一频率--第二频率--第三频率时，四种不同尺寸的单元对应的编码状态为“00-00-00”，“00-01-01”，“00-10-00”和“00-11-01”。

2.根据权利要求1所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，其特征在于：所述基本单元的大小为D×D；所述介质基板（2）厚度为h；所述四叶型金属贴片（3）整体边长为a，每边中点挖槽大小为c×k，其中c=0.2a、k=0.25a，四个扇叶的边长为b=0.375a，中心的正交十字形槽尺寸为长度m和宽度n，其中长度m=0.4a、宽度n=0.05a；所述设置于四叶型金属贴片周边的4根第一层矩形金属条（4）的长度a、宽度s，距离四叶型金属贴片（3）的距离为g1；所述设置于四叶型金属贴片周边的4根第二层矩形金属条（5）的长度a、宽度s，距离第一层矩形金属条（4）的距离为g2=g1；所述四叶型金属贴片（3）加上第一层矩形金属条（4）和第二层矩形金属条（5）整体宽度为L。

3.根据权利要求1-2任一项所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，其特征在于，所述基本单元的尺寸为：D=90um，s=2um，h=20um，g1=g2=1um，其中，四种不同尺寸的单元中，第一基本单元的L=25um，第二基本单元的L=62um，第三基本单元的L=67um，第四基本单元的L=71um。

4.根据权利要求1-2任一项所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，其特征在于：介质基板（2）的材质为聚酰亚胺。

5.根据权利要求1-2任一项所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，其特征在于：在第一频率时，四种不同尺寸的基本单元具有相似的初始相位值；在第二频率时，相邻两个单元之间的相位差为π/2；在第三频率时，相邻两个单元之间的相位差为π。

6.根据权利要求1-2任一项所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，其特征在于：所述四种不同尺寸的基本单元，按列向排布形成阵列，每列单元相同，不同的列与列之间形成相位梯度。

7.根据权利要求1-2任一项所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线，其特征在于：所述四种不同尺寸的基本单元的分布是随机散乱的。

8.根据权利要求1所述的反射式多功能波束扫描卫星通信平板阵列天线的控制方法，其特征在于：在第一频率时，四个不同尺寸的基础单元具有相似的初始相位值；在第二频率时，相邻两个单元之间的相位差为π/2；在第三频率时，相邻两个单元之间的相位差为π。

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