CN113471709A - 一种反射型1比特相位可重构超表面单元 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种反射型1比特相位可重构超表面单元，包括第一介质基板、印制在第一介质基板正面的超表面结构频选单元、印制在第一介质基板反面的金属地板、第二介质基板和直流偏置电路；超表面结构单元由印制在第一介质基板正面的变形H型金属结构、接地延迟线和一个PIN二极管构成，所述PIN二极管连接在变形H型金属结构和接地延迟线之间；所述直流偏置电路由穿过第一介质基板、金属地板和第二介质基板的通孔、印制在第二介质基板反面的微带线和加载在微带线上的扇形枝节构成。本发明的超表面单元体积小、剖面低、相位调节方式和偏置电路设计简单，且反射损耗较小，工作带宽也得到了提升，在卫星通讯、深空探测等领域中有很好的应用前景。

Description

一种反射型1比特相位可重构超表面单元
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，具体涉及一种反射型1比特相位可重构超表面单元。
背景技术
由于雷达和通信等系统在最近几十年的飞速发展，这些领域对天线本身的自适应性和可重构特性有了更高的要求。对于传统的抛物面天线，其过于笨重的反射面导致天线体积较大、在应用中不能够随意的选择地点安装和测试，而且只有依靠机械转动才能实现波束扫描的特性，过于笨重，在实际中使用具有很大的不便性。和抛物面天线相比，虽然相控阵天线能够通过调节各个单元的馈电相位来达到波束扫描的目的，操作方式更加灵活方便，但相控阵天线因此产生的复杂的馈电电路及控制结构造成了其制造成本高、传输损耗大、效率低等缺点，限制了它在各种领域的应用。
可重构反射超表面天线通过调控组成反射超表面的可重构反射超表面单元可以实现反射相位的调节，进而实现波束扫描、波束赋形、多频工作和多极化工作等特性。和传统的抛物面天线和相控阵天线相比，可重构反射超表面天线不需要进行机械旋转和复杂的馈电电路，且设计简单、成本低、易展开、易共形。因此，可重构反射超表面天线在未来将具有广阔的应用前景。而设计出一款可重构反射型的超表面单元去组成可重构反射超表面天线具有很大的意义。
为了设计出相位可重构的反射型超表面单元，Mathieu Riel等人公开了一种缝隙耦合型的可重构反射单元(M.Riel and J.-J.Laurin,“Design of an electronicallybeam scanning reflectarray using aperture-coupled elements,”IEEETrans.Antennas Propag,May 2007，vol.55,no.5,pp.1260–1266.)，单元上加载了两个变容管，通过调节变容管的偏置电压可以调控单元的反射相位，但该单元结构复杂且反射损耗太大，正常工作的相对带宽也只有2.2％。
为了进一步提高反射单元的工作带宽和减小反射损耗，范逸风等人公开了一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元(发明人：范逸风、孙永志、曹军、杨天杨，发明创造名称：一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元，中国发明专利申请号：201811617374.2，申请日2018年12月28日)，通过加载的四个开关二极管实现了极化旋转和反射相位调节的性能，但该单元结构过于复杂，且未考虑四个开关二极管复杂的偏置电路设计。韩家奇等人公开了一种1比特的可重构反射单元(J.Han,L.Li,G.Y.Liu,et al.A Wideband 1bit 12×12Reconfigurable Beam-Scanning Reflectarray:Design,Fabrication,andMeasurement[J].IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters,JUNE 2019,vol.18:1268-1272)，反射结构单元由两个矩形贴片和加载在矩形贴片之间的PIN管构成，通过控制PIN二极管的通断可以实现反射相位的1比特可控调节，但该单元的尺寸大，在组成的阵列用于大角度扫描时会出现栅瓣。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提供一种反射型1比特相位可重构超表面单元，在提高超表面单元工作带宽的同时，解决单元结构复杂和尺寸大的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种反射型1比特相位可重构超表面单元，包括第一介质基板、印制在第一介质基板正面的频选单元、印制在第一介质基板反面的地板、第二介质基板和电路；所述频选单元由印制在第一介质基板正面的结构、接地延迟线和二极管构成；所述二极管连接在结构和接地延迟线之间；所述电路由穿过第一介质基板、地板和第二介质基板的通孔、印制在第二介质基板反面的微带线和加载在微带线上的枝节构成；所述地板上刻蚀有用于穿过通孔的第一缝隙。
进一步地，所述结构为变形H型金属结构，所述变形H型金属结构的横臂刻蚀有两个相同尺寸的第二缝隙，所述第二缝隙为矩形缝隙。
进一步地，所述矩形缝隙长为10mm，宽为6.1mm，中心间距为8.6mm。
进一步地，所述变形H型金属结构的纵臂长为22.4mm、宽为4.8mm，横臂长为14mm、宽为12mm。
进一步地，所述地板为金属地板，所述的反射型1比特相位可重构超表面单元中第一介质基板、金属地板以及第二介质基板均具有正方形的单元边界，且具有相同边长；所述边长为26mm，所述第一介质基板的厚度为2.032mm，所述第二介质基板的厚度为0.4mm。
进一步地，所述接地延迟线通过金属通孔连接到金属地板，金属通孔直径为0.8mm。
进一步地，所述电路为直流偏置电路，所述通孔为金属通孔，所述枝节为扇形枝节，所述直流偏置电路中金属通孔和扇形枝节之间的微带线的长度为11mm；所述扇形枝节的半径为8.05mm，张角为85°。
进一步地，所述二极管为PIN二极管，所述反射型1比特相位可重构超表面单元通过直流偏置电路调节PIN二极管的通断，可以实现单元的反射相位产生180°的改变。
进一步地，所述第一缝隙为圆形缝隙，第一缝隙直径大于金属通孔直径。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的超表面结构频选单元关于入射波的极化方向对称，可以有效地减小交叉极化分量，且超表面单元体积小、剖面低，具有小型化、设计简单、成本低、易于制造和加工等优点。
(2)本发明采用超表面单元通过调控PIN管的通断，实现了单元反射相位1比特可控调节，相位调节方式和偏置电路设计简单，在卫星通讯、深空探测等领域中有很好的应用前景。
(3)本发明采用的超表面单元结构损耗小，超表面单元的工作带宽得到了进一步提升。
本发明的目的、特征及优点将结合实施例，参照附图作如下进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的超表面单元总体结构示意图；
图2是本发明的超表面单元结构俯视图；
图3是本发明的超表面单元结构背面剖视图；
图4是本发明的超表面单元结构侧视图；
图5是本发明在入射电磁波时的反射幅度和PIN二极管的工作状态关系图；
图6是本发明在入射电磁波时的反射相位和PIN二极管的工作状态关系图。
具体实施方式
如图1的超表面单元总体结构示意图所示，一种反射型1比特相位可重构超表面单元包括厚度为2.032mm的Rogers RO4350B第一介质基板1、印制在第一介质基板1正面的超表面结构频选单元2、印制在第一介质基板1反面的金属地板3、厚度为0.4mm的FR4第二介质基板4和直流偏置电路5，所述的反射型1比特相位可重构超表面单元中第一介质基板1、金属地板3以及第二介质基板4均具有正方形的单元边界，且边长均为26mm，组成的超表面单元结构简单、尺寸小，具有小型化、设计简单、成本低、易于制造和加工等优点。如图2的超表面单元结构俯视图所示，所述超表面结构频选单元2由印制在第一介质基板1正面的变形H型金属结构20、接地延迟线21和一个PIN二极管22构成；所述PIN二极管22连接在变形H型结构20和接地延迟线21之间；所述变形H型金属结构20的横臂刻蚀有两个相同尺寸的第二缝隙，所述第二缝隙为矩形缝隙，矩形缝隙的长为10mm、宽为6.1mm、中心间距为8.6mm。所述变形H型金属结构20纵臂长为22.4mm、宽为4.8mm，横臂长为14mm、宽为12mm。
进一步地，如图3的超表面单元结构背面剖视图所示，如图4的超表面单元结构侧视图所示，所述直流偏置电路5由穿过第一介质基板1、金属地板3和第二介质基板4的直径为0.8mm的金属通孔50、印制在第二介质基板4反面的微带线51和加载在微带线51上半径为8.05mm、张角为85°的扇形枝节52构成；所述直流偏置电路5中金属通孔50和扇形枝节52之间的微带线51的长度为11mm；所述金属地板3上刻蚀有用于穿过金属通孔50的直径为1.4mm的第一缝隙30，所述第一缝隙30为圆形缝隙30，缝隙直径大于金属通孔直径50，可以使金属地板3和直流偏置电路5相互隔离；所述接地延迟线21通过金属通孔连接到金属地板3，金属通孔直径为0.8mm。
进一步地，所述反射型1比特相位可重构超表面单元通过直流偏置电路5调节PIN二极管22的通断，可以实现单元的反射相位产生180°的改变。如图5的本发明在入射电磁波时的反射相位和PIN二极管的工作状态关系图所示，当PIN二极管22处于导通和断开两种状态时，对入射电磁波的反射幅度均在-1.8dB以内，如图6的本发明在入射电磁波时的反射相位和PIN二极管的工作状态关系图所示，当PIN二极管22处于导通和断开两种状态时，反射相位在3.39-3.64GHz的频带内可以实现180°±30°的相移范围，通过调控PIN管的通断，实现了单元反射相位1比特可控调节，相位调节方式和偏置电路设计简单。
本发明采用的超表面单元结构损耗小，超表面单元的工作带宽得到了进一步提升。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：包括第一介质基板(1)、印制在第一介质基板(1)正面的频选单元(2)、印制在第一介质基板(1)反面的地板(3)、第二介质基板(4)和电路(5)；所述频选单元(2)由印制在第一介质基板(1)正面的结构(20)、接地延迟线(21)和二极管(22)构成；所述二极管(22)连接在结构(20)和接地延迟线(21)之间；所述电路(5)由穿过第一介质基板(1)、地板(3)和第二介质基板(4)的通孔(50)、印制在第二介质基板(4)反面的微带线(51)和加载在微带线(51)上的枝节(52)构成；所述地板(3)上刻蚀有用于穿过通孔(50)的第一缝隙(30)。
2.根据权利要求1所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述结构(20)为变形H型金属结构(20)，所述变形H型金属结构(20)的横臂刻蚀有两个相同尺寸的第二缝隙，所述第二缝隙为矩形缝隙。
3.根据权利要求2所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述矩形缝隙长为10mm，宽为6.1mm，中心间距为8.6mm。
4.根据权利要求2所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述变形H型金属结构(20)的纵臂长为22.4mm、宽为4.8mm，横臂长为14mm、宽为12mm。
5.根据权利要求1所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述地板(3)为金属地板(3)，所述的反射型1比特相位可重构超表面单元中第一介质基板(1)、金属地板(3)以及第二介质基板(4)均具有正方形的单元边界，且具有相同边长；所述边长为26mm，所述第一介质基板(1)的厚度为2.032mm，所述第二介质基板(4)的厚度为0.4mm。
6.根据权利要求1所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述接地延迟线(21)通过金属通孔连接到金属地板(3)，金属通孔直径为0.8mm。
7.根据权利要求1所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述电路(5)为直流偏置电路(5)，所述通孔(50)为金属通孔(50)，所述枝节(52)为扇形枝节(52)，所述直流偏置电路(5)中金属通孔(50)和扇形枝节(52)之间的微带线(51)的长度为11mm；所述扇形枝节(52)的半径为8.05mm，张角为85°。
8.根据权利要求1所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述二极管(22)为PIN二极管(22)，所述反射型1比特相位可重构超表面单元通过直流偏置电路(5)调节PIN二极管(22)的通断，可以实现单元的反射相位产生180°的改变。
9.根据权利要求1所述的反射型1比特相位可重构超表面单元，其特征在于：所述第一缝隙(30)为圆形缝隙(30)，第一缝隙(30)直径大于金属通孔(50)直径。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114597647A (zh) * 2022-04-11 2022-06-07 成都空间矩阵科技有限公司 一种1bit可重构透射阵单元
WO2023119259A1 (en) * 2021-12-26 2023-06-29 Ariel Scientific Innovations Ltd. Tunable microwave/mmw reflector

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103296356A (zh) * 2012-03-01 2013-09-11 深圳光启创新技术有限公司 一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器
CN108258431A (zh) * 2017-12-30 2018-07-06 天津大学 一种设有开缝的工字型左手材料
KR101986048B1 (ko) * 2018-04-20 2019-06-04 고려대학교 산학협력단 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치
CN111162374A (zh) * 2020-01-02 2020-05-15 上海航天电子有限公司 基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统
CN212571355U (zh) * 2020-08-24 2021-02-19 苏州迈斯维通信技术有限公司 圆极化超表面天线
CN112864633A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 中南大学 一种基于超表面的宽带微波吸收体

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103296356A (zh) * 2012-03-01 2013-09-11 深圳光启创新技术有限公司 一种人工电磁材料及使用该材料的滤波器
CN108258431A (zh) * 2017-12-30 2018-07-06 天津大学 一种设有开缝的工字型左手材料
KR101986048B1 (ko) * 2018-04-20 2019-06-04 고려대학교 산학협력단 메타표면을 이용한 마이크로파 공간변조장치
CN111162374A (zh) * 2020-01-02 2020-05-15 上海航天电子有限公司 基于一比特时间调制编码超表面的超低旁瓣相控阵系统
CN212571355U (zh) * 2020-08-24 2021-02-19 苏州迈斯维通信技术有限公司 圆极化超表面天线
CN112864633A (zh) * 2021-01-08 2021-05-28 中南大学 一种基于超表面的宽带微波吸收体

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MUHAMMAD MIFTAHUL AMRI等: "A Programmable Binary Metasurface for Wireless Power Transfer Application", 《2020 IEEE WIRELESS POWER TRANSFER CONFERENCE (WPTC)》 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023119259A1 (en) * 2021-12-26 2023-06-29 Ariel Scientific Innovations Ltd. Tunable microwave/mmw reflector
CN114597647A (zh) * 2022-04-11 2022-06-07 成都空间矩阵科技有限公司 一种1bit可重构透射阵单元
CN114597647B (zh) * 2022-04-11 2023-08-11 成都空间矩阵科技有限公司 一种1bit可重构透射阵单元

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