CN113363720B - 一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，主要解决现有技术结构复杂且通信容量较低的问题。其包括有源透射超表面(1)和馈源(2)，该馈源采用单层罗德曼透镜天线；该有源透射超表面由多个有源透射单元构成，每个有源透射单元包括结构相同的上下两层，每层包括介质基板，金属贴片、馈电带线、金属柱和变容二极管；金属贴片和馈电带线分别印制在介质基板上、下表面，且通过贯穿在介质基板中金属柱相连接；变容二极管加载在金属贴片中央，通过改变变容二极管的偏置电压和罗德曼透镜天线的输入端口实现涡旋波束的二维扫描。本发明简化了系统结构，能产生涡旋波束，增加了系统的通信容量，可用于无线通信和雷达探测。

Description

一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种涡旋波二维扫描天线，可用于无线通信和雷达探测。

技术背景

涡旋电磁波由于其不同模态之间具有良好的正交性，可形成大量同频复用通道，极大地提高了通信容量。

超表面由于其对电磁波强大的调控能力以及低轮廓、低成本、制造简单和易于集成等优势，被愈发广泛的应用于天线设计中。其中，有源超表面由于加载了如变容二极管等电特性可调的电子器件，相比传统超表面对电磁波具有更加灵活的调控能力。

多波束天线在通信系统中的应用十分广泛，其中，波束扫描天线不但可以在不同方向上发送和接收信号，还可以在雷达系统中跟踪多个目标。罗德曼透镜作为一种馈电网络，可以实现天线的波束扫描功能。但按照传统方法，若要辐射更广的区域，实现波束的二维扫描，需要在垂直和水平两个方向上堆叠多个罗德曼透镜，大大增加了天线的体积与结构复杂性，而将有源超表面灵活的运用到罗德曼透镜天线的设计中，可以显著提升天线对波束的调控能力，其在实现波束二维扫描的同时又简化了传统二维扫描罗德曼透镜天线的堆栈结构，使天线的体积大大减小。同时，利用涡旋波替代平面波进行波束的二维扫描，可以形成大量同频复用通道，极大地提高了天线通信容量。2019年全国微波毫米波会议名称为“基于罗德曼透镜的二维多波束天线阵列研究”的会议论文，提出了一种可进行二维波束扫描的罗德曼透镜天线，可以实现波束在方位面和俯仰面内的二维波束扫描。但该天线由于采用二维堆叠透镜的方式实现二维空间内的波束扫描，其大大增加了天线结构的复杂性和所占空间，且加工成本较大，导致其适用场景受到很大限制。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，以简化传统二维扫描罗德曼透镜天线的结构，减小其所占空间，并通过产生涡旋波束来增加天线的通信容量和覆盖范围。

实现本发明目的的技术方案如下：

一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，包括有源透射超表面1和馈源2，有源透射超表面1位于馈源2上方，该有源透射超表面1由M×N个均匀排布的有源透射单元构成，其中M≥2，N≥2；每个有源透射单元由两层结构相同的上下超表面结构11组成，两层超表面结构之间为空气层12，其特征在于：

馈源2，其采用单层罗德曼透镜天线，

每层超表面结构11，其包括介质基板111，金属贴片112、馈电带线113、金属柱114和变容二极管115；金属贴片112和馈电带线113分别印制在介质基板上、下表面，且通过贯穿在介质基板111中金属柱114相连接；变容二极管115加载在金属贴片112中央，且两端施加不同的偏置电压。

进一步，所述罗德曼透镜天线2，其包括辐射阵面21，上介质层22，金属底板23，下介质层24，馈电网络25和金属通孔26，辐射阵面21和金属底板23分别印制在上介质层22的上下表面，下介质层24印制在金属底板23的下表面，馈电网络25印制在下介质层24的下表面，金属通孔26贯穿下介质层24，金属底板23和上介质层22，将馈电网络25与辐射阵面21相连。

进一步，所述金属贴片112包括位于同一平面内的贴片1121，偏置带线1122，接地带线1123和微带传输线1124；偏置带线1122宽度小于介质基板111的边长，接地带线1123的宽度与介质基板111的边长相同；贴片1121位于偏置带线1122与接地带线1123之间，并通过微带传输线1124将三者在介质基板上表面进行相连，且偏置带线1122通过贯穿在介质基板111中金属柱114在介质基板的下表面与馈电带线113相连接。

进一步，辐射阵面21包括P列平行排列的贴片阵列和P条微带线213，相邻贴片阵列间距相等，所有微带线213路径长度相等，每条微带线213的一端与金属通孔26相连，另一端与贴片阵列相连；每个贴片阵列包括Q个矩形贴片211，相邻矩形贴片211之间通过传输线212相连，P≥2，Q≥2。

进一步，所述金属底板23包括P个圆孔231，这些经过圆孔231的中心位于金属通孔26的中心线上，且圆孔231的直径大于金属通孔26的直径。

进一步，所述馈电网络25包括Z个输入端口和P个输出端口，每个输出端口末端均通过金属通孔26与辐射阵面21中的对应微带线213相连，Z≥2。

进一步，所述介质基板111为方形结构，其边长需小于工作波长，且厚度小于十分之一的工作波长。

进一步，所述上介质层22，下介质层24和金属底板23的面积相等，且大于辐射阵面21和馈电网络25所占面积。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明由于采用单层罗德曼透镜天线作为馈源，避免了传统多层罗德曼透镜天线的堆栈结构，极大简化了馈源结构并减小了所占空间。

2.本发明的有源透射单元由于采用由介质基板，金属贴片、馈电带线、金属柱和变容二极管组成的超表面结构，且金属贴片与馈电带线通过贯穿在介质基板中的金属柱将相连，变容二极管加载在金属贴片中央的结构，可通过在变容二极管两端施加不同的偏置电压改变有源透射单元的透射相位，改变有源透射超表面的相位分布，从而实现涡旋波束的二维扫描，增大天线的信号覆盖范围。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的罗德曼透镜天线示意图，其中：

图2(a)为侧视图，图2(b)为正视图，图2(c)为金属底板示意图，图2(d)为后视图；

图3是本发明中的有源透射单元结构示意图；

图3(a)为整体图，图3(b)为正视图，图3(c)为后视图，图3(d)为侧视图；

图4是本发明实施例的有源透射单元在偏置电压为0V和20V时的传输系数图；

图5是本发明实施例的有源透射单元在偏置电压为0V和20V时的传输相位图；

图6是本发明实施例的罗德曼透镜天线波束扫描示意图；

图7是本发明实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转10°，y方向偏转13°时的3D辐射方向图；

图8是本发明实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转10°，y方向偏转13°时，在不同方位角下的二维辐射方向图；

图9是本发明实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转21°，y方向偏转26°时的3D辐射方向图；

图10本发明实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转21°，y方向偏转26°时，在不同方位角下的二维辐射方向图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例和效果作进一步的描述：

参照图1，本实施例一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统包括：有源透射超表面1和馈源2，工作频率为6GHz；所述有源透射超表面1位于馈源2的上方，为了实现系统最佳的辐射效果，两者间距应介于0.8倍波长与1.2倍波长之间，该有源透射超表面1由M×N个有源透射单元组成，其中M≥2，N≥2，本实施例设有源透射超表面1与馈源2的间距为50mm，即1个波长的长度；设M＝16，N＝16。

参照图2，所述馈源2采用罗德曼透镜天线2，如图2(a)所示，其包括辐射阵面21，上介质层22，金属底板23，下介质层24，馈电网络25和金属通孔，辐射阵面21印制在上介质层22的上表面，金属底板23印制在上介质层22的下表面，下介质层24印制在金属底板23的下表面，馈电网络25印制在下介质层24的下表面，金属通孔26贯穿下介质层24、金属底板23和上介质层22之中，实现馈电网络25与辐射阵面21的连接。

为了实现较好的辐射效果，上下介质层的尺寸参数需大于6个波长，本实施例中上下介质层的参数取但不限于长度为560mm，宽度为420mm，为了保证本发明实施例中不易形变，本发明实施例中上下介质层采用但不限于介电常数为2.94的介质材料，厚度取但不限于为2mm。为了实现良好的匹配效果，本发明实施例中金属通孔26的直径设但不限于1mm。

所述辐射阵面21包括P列平行排列的贴片阵列和P条微带线213，，相邻贴片阵列间距相等，所有微带线213路径长度相等，每条微带线213的一端与金属通孔26相连，另一端与贴片阵列相连；如图2(b)所示。每个贴片阵列包括Q个矩形贴片211，相邻矩形贴片211之间通过传输线212相连，P≥2，Q≥2，为了使辐射阵面21的口径面可以均匀辐射到有源透射超表面1上，辐射阵面21所占面积需与有源透射超表面1近似。矩形贴片211的尺寸与工作波长相关，其介于半波长和一个波长之间，所有矩形贴片211的宽度相等，长度均按照符合低副瓣要求的Chebyshev电流分布进行锥削。传输线212的尺寸根据工作频率和上介质层22的介电常数及厚度来确定。为了保证馈电网络25的输出信号到达辐射阵面21时输出端口间的相位梯度保持不变以及实现良好的匹配效果，所有微带线213的长度相等，宽度与传输线212的宽度相等。

本实施例设但不限于P＝9，Q＝11，所有矩形贴片211的宽度为w＝19mm，其长度分别为l₁＝14.3mm，l₂＝15.2mm，l₃＝16.7mm，l₄＝18.6mm，l₅＝22.1mm，l₆＝18.6mm，l₇＝16.7mm，l₈＝15.2mm，l₉＝14.3mm，传输线212的长度为5mm，宽度均为1.5mm，微带线的长度均为40mm，宽度均为1.5mm；

所述金属底板23包括P个圆孔231，圆孔231的数量与金属通孔26的数量相等，每个圆孔231均与金属通孔26一一对应，且每个圆孔231的中心均在金属通孔26的中心线上。如图2(c)所示。为防止金属通孔26接地造成电路短路，圆孔231的直径需大于金属通孔26的直径，本实施例设但不限于圆孔的直径为1.5mm。

所述馈电网络25包括Z个输入端口和P个输出端口，每个输出端口末端均通过金属通孔26与微带线213相连，Z≥2。本实施例设但不限于5个输入端口和9个输出端口，其中A代表输入端口，B代表输出端口，输入端口A1～A5所对应的扫描角度分别为26°，13°，0°，-13°和-26°，如图2(d)所示。

参照图3，每个有源透射单元由上下两层结构相同超表面结构11组成，两层超表面结构之间为空气层12，每层超表面结构11包括介质基板111，金属贴片112、馈电带线113、金属柱114和变容二极管115；金属贴片112印制在介质基板111的上表面，馈电带线113印制在介质基板111的下表面，金属柱114贯穿在介质基板111中，用于实现金属贴片112与馈电带线113的连接；变容二极管115加载在金属贴片112中央，其两端施加不同的偏置电压，通过改变偏置电压可以改变有源透射单元的透射相位。

所述介质基板111为方形结构，厚度需不大于十分之一工作波长，空气层12的厚度需不大于十分之一工作波长，为了有源透射单元取得更好的辐射效果，馈电带线113和金属柱114的尺寸需在加工工艺允许的情况下尽可能减小，馈电带线113的宽度需大于0.12mm，金属柱114的直径需大于0.4mm，变容二极管的型号要求可以在工作频率下正常工作。

在本实施例中取但不限于介质基板111的介电常数为2.94，边长为18mm，厚度为0.5mm，空气层12的厚度为5mm，馈电带线113的长为16mm，宽为0.2mm；金属柱114的直径为0.6mm，高度为0.5mm，变容二极管采用SMV-2019型变容二极管。

所述金属贴片112包括位于同一平面内的贴片1121，偏置带线1122，接地带线1123和微带传输线1124；贴片1121位于偏置带线1122与接地带线1123之间，并通过微带传输线1124将这三者在介质基板上表面进行相连，偏置带线1122通过贯穿在介质基板111中金属柱114在介质基板的下表面与馈电带线113相连接。其中，贴片1121的尺寸参数包括梳柄宽度w₁，梳齿长度w₂，梳齿宽度w₃，梳齿间隔w₄。贴片1121各部分尺寸参数需保证其谐振频率为工作频率，偏置带线1122宽度小于介质基板111的边长，接地带线1123的宽度与介质基板111的边长相同。

本实施例中取但不限于贴片1121的梳柄宽度w₁＝0.4mm，梳齿长度w₂＝0.7mm，梳齿宽度w₃＝0.5mm，梳齿间隔w₄＝1.3mm，偏置带线1122的长P₁＝16mm，宽w₅＝2mm；接地带线的1123的长P＝16mm，w₅＝2mm，微带传输线的1124的长h＝1mm，宽w₇＝0.8mm；

改变有源透射单元中变容二极管的115的偏置电压可以改变有源透射单元的透射相位，为了使有源超表面1的相位分布可以产生涡旋波束，需要调控每个有源透射单元的相位，有源透射单元的相位计算公式为：

其中，φ_mn表示第m行n列有源透射单元的透射相位，m≤M，n≤N，Arg表示取相角运算符，K表示涡旋波束的数量，i表示涡旋波束的序号，l_i表示第i个涡旋波束的模态值，

表示第m行n列有源透射单元的方位角度，k₀表示自由空间中的波数，/>

表示第m行n列有源透射单元的位置矢量，/>

为第i个涡旋波束进行一维扫描时的指向，/>

和θ_0(i)分别表示第i个涡旋波束进行一维扫描时波束指向的方位角和俯仰角。

有源透射超表面1在平面波垂直入射的情况下可以实现涡旋波束的一维扫描，根据上述公式，本发明进行涡旋波束一维扫描的原理如下：

当平面波垂直入射的情况下，设置有源透射超表面1的相位分布产生一组对偶的涡旋波束，即两个涡旋波束的模态值相反，波束指向的俯仰角相同，方位角相差180°时，K＝2，l₁＝-l₂，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎时，最终计算出有源透射超表面的相位分布图仅由两个相差180°的相位值构成。当两个涡旋波束指向的俯仰角θ₀₍₁₎和θ₀₍₂₎同时改变而方位角

和/>

不变时，有源透射超表面1的相位分布也会随之改变，但其依然仅由两个相差180°的相位值构成，因此，可以利用有源透射超表面1产生涡旋波束，然后通过调控每个有源透射单元中变容二极管的偏置电压来改变其透射相位，使有源透射超表面1形成新的相位分布，从而使涡旋波束的指向沿某一方向发生偏转，完成某个方向内的涡旋波束扫描。

为了扩大涡旋波束扫描的信号覆盖范围，可以将涡旋波束扫描由单一方向拓展至两个方向，进行涡旋波束的二维扫描，完成涡旋波束的二维扫描，需要利用罗德曼透镜天线2作为有源透射超表面的馈源，罗德曼透镜天线2产生的平面波可以沿某一方向进行波束扫描，其作为有源透射超表面的馈源时，相当于有源透射超表面受到了斜入射平面波的激励，当罗德曼透镜天线2的波束扫描方向与有源透射超表面所产生涡旋波束的扫描方向不同时，涡旋波束可以同时沿两个方向进行波束扫描，从而完成涡旋波束的二维扫描。

为了实现涡旋波束的二维扫描功能，本实施例设但不限于有源超透射超表面1产生的涡旋波束沿x方向偏转，罗德曼透镜天线2产生的入射波沿y方向扫描，其产生的涡旋波束在完成二维扫描之后获得波束指向的方位角

和俯仰角θ_i分别为：

其中，θ_x和θ_y分别表示涡旋波束沿x方向和y方向设定的扫描角度。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

仿真条件内容：

电磁仿真软件CST 2017。

仿真1，对本实施例中有源透射单元在5～7GHz工作频段内的传输系数进行全波仿真，其结果如图4所示。

从图4可见，当变容二极管的偏置电压分别为20V和0V时，有源透射单元在工作频率6GHz下的传输系数均为0.76，说明本实施例的有源透射单元在不同偏置电压下其传输系数相等。

仿真2，对本实施例中有源透射单元在5～7GHz工作频段内的传输相位进行全波仿真，其结果如图5所示。

从图5可见，当变容二极管的偏置电压分别为20V和0V时，有源透射单元在工作频率6GHz下的透射相位分别为-175°和5°，说明本实施例的有源透射单元在不同偏置电压下的相位值不同，且相差180°。

仿真3，对本实施例中的罗德曼透镜天线在分别激励A1～A5端口时进行全波仿真，其二维辐射方向图如图6所示。

从图6可见，分别激励罗德曼透镜天线的输入端口A1～A5时，罗德曼透镜天线波束指向分别为26°，13°，0°，-13°和-26°，其完成了从26°～-26°的波束扫描。

仿真4，对本实施例在状态1，即设K＝2，l₁＝1，l₂＝-1，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎＝10°，罗德曼透镜天线输入端口为A2的情况下进行全波仿真，其3D辐射方向图如图7所示，在不同方位角时的二维辐射方向图如图8所示，其中：图8(a)是方位角为-142°时的二维辐射方向图，图8(b)是在方位角为-38°时的二维辐射方向图。

从图7可见，本实施例在状态1时产生的两个涡旋波束沿x方向和y方向均发生了偏转。

从图8(a)可见，本实施例在状态1，即设K＝2，l₁＝1，l₂＝-1，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎＝10°，罗德曼透镜天线输入端口为A2的情况下，所产生的涡旋波束1在方位角

时的俯仰角θ₁＝16°，偏转角度符合设计指标。

从图8(b)可见，本实施例在状态1，即设K＝2，l₁＝1，l₂＝-1，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎＝10°，罗德曼透镜天线输入端口为A2的情况下，所产生的涡旋波束2在方位角

时俯仰角θ₂＝16°，偏转角度符合设计指标。

仿真5，对本实施例在状态2，即设K＝2，l₁＝1，l₂＝-1，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎＝21°，罗德曼透镜天线输入端口为A1的情况下进行全波仿真，其3D辐射方向图如图9所示，在不同方位角时的二维辐射方向图如图10所示，其中：图10(a)是方位角为-142°时的二维辐射方向图，图10(b)是在方位角为-38°时的二维辐射方向图。

从图9可见，对本实施例在状态2时产生的两个涡旋波束沿x方向和y方向均发生了明显偏转。

从图10(a)可见，本实施例在状态2，即设K＝2，l₁＝1，l₂＝-1，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎＝21°，罗德曼透镜天线输入端口为A1的情况下，所产生的涡旋波束1在方位角/>

时的俯仰角θ₁＝38°，偏转角度符合设计指标。

从图10(b)可见，本实施例在状态2，即设K＝2，l₁＝1，l₂＝-1，

θ₀₍₁₎＝θ₀₍₂₎＝21°，罗德曼透镜天线输入端口为A1的情况下，所产生的涡旋波束2在方位角/>

时的俯仰角θ₂＝38°，偏转角度符合设计指标。

Claims (9)

1.一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，包括有源透射超表面(1)和馈源(2)，有源透射超表面(1)位于馈源(2)上方，该有源透射超表面(1)由M×N个均匀排布的有源透射单元构成，其中M≥2，N≥2；每个有源透射单元由两层结构相同的上下超表面结构(11)组成，两层超表面结构之间为空气层(12)，其特征在于：

馈源(2)，其采用单层罗德曼透镜天线；

每层超表面结构(11)，其包括介质基板(111)，金属贴片(112)、馈电带线(113)、金属柱(114)和变容二极管(115)；金属贴片(112)和馈电带线(113)分别印制在介质基板上、下表面，且通过贯穿在介质基板(111)中金属柱(114)相连接；变容二极管(115)加载在金属贴片(112)中央，且两端施加不同的偏置电压。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述罗德曼透镜天线(2)，其包括辐射阵面(21)，上介质层(22)，金属底板(23)，下介质层(24)，馈电网络(25)和金属通孔(26)，辐射阵面(21)和金属底板(23)分别印制在上介质层(22)的上下表面，下介质层(24)印制在金属底板(23)的下表面，馈电网络(25)印制在下介质层(24)的下表面，金属通孔(26)贯穿下介质层(24)，金属底板(23)和上介质层(22)，将馈电网络(25)与辐射阵面(21)相连。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属贴片(112)包括位于同一平面内的贴片(1121)，偏置带线(1122)，接地带线(1123)和微带传输线(1124)；偏置带线(1122)宽度小于介质基板(111)的边长，接地带线(1123)的宽度与介质基板(111)的边长相同；贴片(1121)位于偏置带线(1122)与接地带线(1123)之间，并通过微带传输线(1124)将三者在介质基板上表面进行相连，且偏置带线(1122)通过贯穿在介质基板(111)中金属柱(114)在介质基板的下表面与馈电带线(113)相连接。

4.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，辐射阵面(21)包括P列平行排列的贴片阵列和P条微带线(213)，相邻贴片阵列间距相等，所有微带线(213)路径长度相等，每条微带线(213)的一端与金属通孔(26)相连，另一端与贴片阵列相连；每个贴片阵列包括Q个矩形贴片(211)，相邻矩形贴片(211)之间通过传输线(212)相连，P≥2，Q≥2。

5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述金属底板(23)包括P个圆孔(231)，这些经过圆孔(231)的中心位于金属通孔(26)的中心线上，且圆孔(231)的直径大于金属通孔(26)的直径。

6.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述馈电网络(25)包括Z个输入端口和P个输出端口，每个输出端口末端均通过金属通孔(26)与辐射阵面(21)中的对应微带线(213)相连，Z≥2。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述介质基板(111)为方形结构，其边长需小于工作波长，且厚度小于十分之一的工作波长。

8.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述上介质层(22)，下介质层(24)和金属底板(23)的面积相等，且大于辐射阵面(21)和馈电网络(25)所占面积。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述变容二极管(115)两端的偏置电压由有源透射单元的透射相位决定，公式如下：

其中，φ_mn表示第m行n列有源透射单元的透射相位，m≤M，n≤N，Arg表示取相角运算符，K表示涡旋波束的数量，i表示涡旋波束的序号，l_i表示第i个涡旋波束的模态值，

表示第m行n列有源透射单元的方位角度，k₀表示自由空间中的波数，/>

表示第m行n列有源透射单元的位置矢量，/>

为第i个涡旋波束进行一维扫描时的指向。

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