CN113258296A - 双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备 - Google Patents

双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备，包括馈源及实现反射/透射功能的辐射结构，所述馈源设置在辐射结构的上方，所述辐射结构包括N×M个呈阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括两层贴合设置的介质基板，两层介质基板的顶层、中间层及底层分别设置有结构相同的金属贴片，所述金属贴片设置正交的X轴枝节及Y轴枝节，三层金属贴片中Y轴枝节尺寸完全一致，顶层及中间层的X轴枝节尺寸完全一致，底层的X轴枝节与顶层及中间层的X轴枝节尺寸不同。本发明提供的平面透射和反射型超表面天线，具有平面化、设计灵活、双极化、多波束、口径效率和聚焦效率高的特点。

Description

双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备。
背景技术
高增益和多波束天线由于其在通信应用和雷达系统中的实用价值而引起了研究人员的关注，近年来，出现了许多基于超表面的高增益和多波束天线。同时，聚焦天线在近场通信，以及无线输能等点对点，点对多点的应用中也发挥着重要的作用，各种类型的聚焦天线快速发展。而超表面由于其在电磁波的传播过程中引入相位突变，来代替传统器件中的馈电引入相位差，还具有体积小，损耗低，制作简单，以及可以灵活的控制波前等优点得到广泛关注，已被广泛应用于聚焦，异常折射/反射，RCS缩减，多频和多功能天线等等。
而现在大多数超表面天线只能实现透射或反射模式的其中一种，且对于极化的利用不高，工作频率单一，大多数单元对极化不敏感，进而只能实现单一的功能。而对于能在透射和反射模式下工作的超表面出现的极少，且已出现的结构相对复杂，使用四层及以上的金属层来实现360°相位覆盖。现阶段用工作在透射和反射模式的天线还不多，且介质层数多。
发明内容
为了克服现有技术存在的不足，本发明提供一种双频双极化多功能透射和反射型超表面天线及通信设备，其能够在透射和反射模式下分别实现不同的功能，能够在其中一个极化入射波照射下实现反射单波束或多波束天线，在另一个极化入射波入射时实现透射聚焦。
本发明采用的技术方案如下：
一种双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，包括馈源及实现反射/透射功能的辐射结构，所述馈源设置在辐射结构的上方，所述辐射结构包括N×M个呈阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括两层贴合设置的介质基板，两层介质基板的顶层、中间层及底层分别设置有结构相同的金属贴片，所述金属贴片设置正交的X轴枝节及Y轴枝节，三层金属贴片中Y轴枝节尺寸完全一致，顶层及中间层的X轴枝节尺寸完全一致，底层的X轴枝节与顶层及中间层的X轴枝节尺寸不同。
进一步，所述X轴枝节包括结构相同的X轴正向枝节及X轴反向枝节，均由依次垂直连接的X轴首端枝节、X轴中间枝节及X轴末端枝节构成，底层金属贴片的X轴末端枝节的长度及宽度为固定值。
进一步，三层金属贴片的X轴首端枝节及X轴中间枝节的尺寸相同，底层金属贴片的X轴末端枝节尺寸大于顶层金属贴片及中间层金属贴片的X轴末端枝节尺寸。
进一步，所述Y轴枝节包括结构相同的Y轴正向枝节及Y轴反向枝节，均由依次垂直连接的Y轴首端枝节、Y轴中间枝节及Y轴末端枝节构成。
进一步，所述X轴枝节及Y轴枝节均关于介质基板中心点对称。
进一步，当入射波极化为X方向时，对应为反射模式，通过调整顶层及中间层的X轴枝节对反射相位进行调控；当入射波极化为Y方向时，对应为透射模式，通过调节三层金属贴片的Y轴枝节对透射相位进行调控。
进一步，工作在反射模式时，频率为16GHz，X轴首端枝节在1.5～6mm之间变化。
进一步，工作在透射模式时，频率为13GHz，Y轴中间枝节在0.4～6.2mm之间变化。
进一步，阵列形状为圆形或方形。
一种通信设备，包括所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)该双频双极化多功能透射和反射型超表面天线设计方案设计灵活，其在一个设计中，在不同极化入射波照射下，可在反射或透射模式工作，作为验证，本发明给出了在不同极化入射波入射下实现反射多波束或单波束高增益天线，透射实现不同数量和不同位置聚焦点的实施例；
(2)该双频双极化多功能透射和反射型超表面天线使用较少的3层金属和2层介质贴合形成，其拥有大范围的相移范围和较高的反射透射幅度，降低了加工难度和成本；
(3)本发明的辐射单元采用3层金属结构，其上中两层金属贴片结构一致，底层金属贴片结构和上中两层有部分结构不同，可以分别对透射和反射波相位进行调控。其可以简单的通过调整枝节的长度来调节所需的不同补偿相位，单元中调节相位的枝节之间相互干扰小，且反射和透射模式工作在不同的频率；
(4)所述超表面天线，具有平面化的结构，易于加工和装配，同时具有效率高的优点。
附图说明
图1是本发明实施例1的三维结构示意图；
图2(a)、图2(b)及图2(c)分别是本发明实施例1的辐射单元的侧视图、顶层和中间层金属贴片结构图及底层金属贴片结构示意图。
图3是本发明实施例1的平面阵的俯视图；
图4是本发明实施例1的辐射单元反射模式下x方向枝节长度Lx的相移曲线图；
图5是本发明实施例1的辐射单元透射模式下y方向枝节长度Ly的相移曲线图；
图6是本发明实施例1在反射模式下设计的四波束天线对应的相位分布图；
图7是本发明实施例1在透射模式下垂直坐标原点焦距为50mm时得到的相位分布图；
图8是本发明实施例1在图5情况下x极化入射波照射形成的四波束三维方向图；
图9是本发明实施例1在图6情况下y极化入射波照射形成的yoz平面聚焦效果图；
图10是本发明实施例2在反射模式下设计的单波束高增益天线对应的相位分布图；
图11是本发明实施例2在透射模式下形成两个不同位置聚焦点的相位分布图；
图12是本发明实施例2在图9情况下x极化入射波照射形成的单波束三维方向图；
图13是本发明实施例2在图10情况下下y极化入射波照射形成的yoz平面聚焦效果图；
具体实施方式
下面结合实施例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例中的X轴为竖直方向，Y轴为水平方向。
如图1、图2(a)、图2(b)、图2(c)及图3所示，一种双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，包括馈源1及实现反射/透射功能的辐射结构，辐射结构为超表面结构，包括N×M个呈阵列排布的辐射单元3，所述辐射单元包括两层贴合设置的介质基板2，一层为双面金属结构，一层为单面金属结构；其三层金属结构分别设置在贴合设置介质基板的顶层、中间层及底层位置，所述金属结构为金属贴片。其中，图2中单元的相关参数最优时为：P＝9mm，h＝2mm，w＝0.4mm，w1＝0.8mm，L1＝1.5mm，L2＝2.45mm，L3＝4.7mm。
本实施例中，馈源1在距离平面反射阵60mm的高度照射超表面。如图3所示，本实施例中介质基板2的材料选用介电常数为2.55的介质板，其阵列长宽均为11.7cm，两层介质板贴合的总高度是4mm。
所述馈源产生线极化波照射超表面；所述超表面的各个辐射单元的枝节尺寸可调整，用来产生该位置所需的相移补偿，同时，单元结构对于入射波的极化敏感，对于不同极化的入射波可使其实现透射或反射，通过调整两个正交方向的枝节尺寸来对透射或反射相位进行调控，且两个极化分别对应的透射和反射模式工作频率不同。
进一步，三层金属贴片的结构相同，均包括正交的X轴枝节及Y轴枝节，三层金属贴片中Y轴方向枝节尺寸完全一致，顶层及中间层的X轴枝节尺寸完全一致，底层的X轴枝节与顶层及中间层的X轴枝节尺寸不同。
具体为：所述X轴枝节包括结构相同的X轴正向枝节及X轴反向枝节，关于坐标轴原点对称，均由依次垂直连接的X轴首端枝节、X轴中间枝节及X轴末端枝节构成，形成一个类似门字形的结构，X轴正向枝节及X轴反向枝节的开口均朝向Y轴。顶层及中间层的X轴枝节尺寸完全一致，底层的X轴枝节的首端枝节L1，中间枝节L2与顶层及中间层的相同，底层的X轴枝节只有X轴的末端枝节L3长度及宽度大于前两层，且是固定不变的，充当反射板。
所述Y轴枝节包括结构相同的Y轴正向枝节及Y轴反向枝节，关于坐标轴原点对称，均由依次垂直连接的Y轴首端枝节、Y轴中间枝节及Y轴末端枝节Ly构成，三个枝节构成类似门字形，开口均朝向X轴。其中Y轴首端枝节及Y轴中间枝节是固定不变的。
所述馈源可以选用低旁瓣、低后瓣的微带天线或喇叭天线等产生线极化波的天线类型。
辐射结构对于入射波的极化敏感，对于不同极化的入射波可使其实现透射或反射，通过调整两个正交方向的枝节尺寸来对透射或反射相位进行调控，实现所需要的功能。
进一步，如图4及图5所示，当入射波极化为x方向入射时对应为反射模式，此时顶层及中间两层x轴方向的枝节产生强烈耦合，底层的部分反射板将电磁波反射出去，可以通过调节上中两层金属x方向的X轴末端枝节Lx即可对反射相位进行调控。当入射波极化为y方向入射时对应为透射模式，此时上中下层x轴方向的枝节产生强烈耦合，由于没有反射金属板的存在，入射波在三层金属中耦合并传输出去，通过调节上中下三层金属Y轴末端枝节Ly即可对透射相位进行调控，其中反射模式工作频率为16GHz，透射模式工作频率为13GHz。参阅图4，在反射模式时，x轴末端枝节Lx在1.5～6mm之间变化，所对应反射幅度和相移范围曲线。参阅图5，在透射模式时，y方向的Y轴末端枝节Ly在0.4～6.2mm之间变化，所对应不同频率的相移范围曲线，满足辐射单元的设计要求。
所述辐射单元包含3层金属结构，对于不同极化的入射波可分别实现反射和透射，反射模式下可以达到360°的反射相移控制，透射模式下可以达到340°的透射相移控制。
所述辐射单元周期性地排列在所述介质基板上组成阵列结构，其阵列可为圆形，矩形等结构。
所述辐射单元的所需调制相位与该辐射单元在所述介质基板的上表面的位置相关，根据不同功能需求计算出不同的相位补偿。
所述超表面在透射模式和反射模式的工作频率不同，根据不同需求计算出所需的补偿相位，使其在工作频率上产生该位置所需的相位。
本发明的平面透射型超表面天线以阵列中心为坐标原点，产生多波束的原理可用公式解释为
Figure BDA0003080499710000051
其中m为波束的个数，
Figure BDA0003080499710000052
为第m个波束的方向，
Figure BDA0003080499710000053
为单元所处的位置，Hi,j为喇叭相位中心与不同单元位置的距离。产生聚焦的原理类似，可用公式解释为
Figure BDA0003080499710000054
其中Φ(m,n)表示位于(mp,np)的辐射单元与坐标原点到焦点F之间的距离相位差，而总需补偿的相位差可表示为Φtotal(m,n)＝Φhorn(m,n)+Φ(m,n)，Φhorn(m,n)表示超表面上各个辐射单元与坐标原点分别到馈源相位中心之间的距离相位差，两个叠加形成总的补偿相位Φtotal(m,n)，对于形成多焦点，其总的补偿相位通过每个单一焦点所需补偿的相位进行矢量叠加得到。
在本实施例中，在反射模式中为四波束天线，四个波束方向分别为
Figure BDA0003080499710000061
Figure BDA0003080499710000062
和
Figure BDA0003080499710000063
而透射模式为聚焦，设置焦点距离表面坐标原点为50mm。如图6和图7，平面阵中两个模式的相位分布情况如其所示，每个辐射单元所占面积长宽均为9mm，组成13×13阵列；辐射单元的各枝节长度根据其所在介质基板的位置所需的相位确定。实施例中所用馈源在13GHz和16GHz下的增益分别为10.6dB和12.2dB。
参阅图8和图9，分别为本实施例在x方向和y方向极化入射波照射下得到的不同结果，图8为反射模式下的四波束天线，四个波束最大的增益为16.4dB，旁瓣均低于-14dB。图9为透射模式下形成的近场聚焦图，从聚焦电场强度图可观察到超表面的聚焦效果较好，电磁波聚焦形成焦斑，其-3dB焦宽和焦深分别为12mm和38mm，在焦平面处对应的旁瓣均低于-10dB。
本天线在反射模式下设计实现高口径效率的高增益天线或任意数量和方向的多波束天线，同时，在透射模式下可设计任意数量和任意位置的聚焦点
实施例2：
本发明的天线结构、介质材料等与实施例1相同，不同之处在于反射模式下为单波束高增益天线，透射模式下实现两个不同位置的聚集点，辐射单元所需补偿的相位不同。
其中，产生多焦点的原理可用公式解释为
Figure BDA0003080499710000064
其中n为焦点的个数，Kn(i,j)为第n个焦点到超表面上第(i,j)个单元的距离，Hi,j为喇叭相位中心与不同单元位置的距离。
参阅图10，其为单波束位置为(θ＝30°,φ＝90°)时的相位分布情况，图11为两个聚焦点分别为(0,-40,50mm)和(0,40,50mm)时的相位分布图。参阅图12和图13，分别为本实施例在x方向和y方向极化入射波照射下得到的不同结果。图11为仿真下得到的单波束高增益天线，其最大增益为22.8dB，半功率波束宽度约为10.5°,-1dB增益带宽为15.7-16.6GHz，方向性系数为23dB，口径效率达到53％。图12为透射模式下形成的近场聚焦图，可见两个聚焦点清晰可见，聚焦效果较好。
实施例3
一种通信设备，包括如实施例1所述的一种双频双极化多功能透射和反射型超表面天线。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，包括馈源及实现反射/透射功能的辐射结构，所述馈源设置在辐射结构的上方，所述辐射结构包括N×M个呈阵列排布的辐射单元，所述辐射单元包括两层贴合设置的介质基板，两层介质基板的顶层、中间层及底层分别设置有结构相同的金属贴片，所述金属贴片设置正交的X轴枝节及Y轴枝节，三层金属贴片中Y轴枝节尺寸完全一致，顶层及中间层的X轴枝节尺寸完全一致，底层的X轴枝节与顶层及中间层的X轴枝节尺寸不同。
2.根据权利要求1所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，所述X轴枝节包括结构相同的X轴正向枝节及X轴反向枝节，均由依次垂直连接的X轴首端枝节、X轴中间枝节及X轴末端枝节构成，底层金属贴片的X轴末端枝节的长度及宽度为固定值。
3.根据权利要求2所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，三层金属贴片的X轴首端枝节及X轴中间枝节的尺寸相同，底层金属贴片的X轴末端枝节尺寸大于顶层金属贴片及中间层金属贴片的X轴末端枝节尺寸。
4.根据权利要求1所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，所述Y轴枝节包括结构相同的Y轴正向枝节及Y轴反向枝节，均由依次垂直连接的Y轴首端枝节、Y轴中间枝节及Y轴末端枝节构成。
5.根据权利要求3所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，所述X轴枝节及Y轴枝节均关于介质基板中心点对称。
6.根据权利要求1-5任一项所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，当入射波极化为X方向时，对应为反射模式，通过调整顶层及中间层的X轴枝节对反射相位进行调控；当入射波极化为Y方向时，对应为透射模式，通过调节三层金属贴片的Y轴枝节对透射相位进行调控。
7.根据权利要求6所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，工作在反射模式时，频率为16GHz，X轴首端枝节在1.5～6mm之间变化。
8.根据权利要求6所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，工作在透射模式时，频率为13GHz，Y轴中间枝节在0.4～6.2mm之间变化。
9.根据权利要求1所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线，其特征在于，阵列形状为圆形或方形。
10.一种通信设备，包括权利要求1-9任一项所述的双频双极化多功能透射和反射型超表面天线。
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