CN113659349B - 一种可调相位的宽带透射超表面及超表面单元 - Google Patents

Abstract

一种可调相位的宽带透射超表面及超表面单元，其中可调相位的宽带透射超表面单元包括三层介质基板(7)、印刷在每层介质基板(7)表面的四层微带贴片、贴片的馈电线、固定电感(3)、可变电容二极管(2)；其中可调相位的宽带透射超表面由紧密布列的若干可调相位的宽带透射超表面单元组成。本发明实现了在8.02GHz‑9.04GHz内，对电磁波进行透射相位的全相调控，并同时控制透射幅度在0.8以上，可用于电磁波束的汇聚、电磁隐身、电磁波束角度的调控等领域。本发明具有工作频带宽，相位全相可调，透射幅度保持好的优点，可用于多种对应带宽天线的波束调控。

Description

一种可调相位的宽带透射超表面及超表面单元

技术领域

本发明属于人工电磁超表面技术领域，特别涉及一种可调相位的宽带透射超表面，可应用于电磁波束汇聚、无线能量传输等领域。

背景技术

电磁波的调控技术与应用一直都在光学、物理学等学科的研究中占有着重要位置。21世纪初，超表面的研究逐渐兴起，超表面能够控制电磁波波前，从而达到调控电磁波传播方向的目的，与超材料相比，大大降低了超材料的剖面高度、能量损耗，所以超表面拓宽了超材料的应用与发展，打破了超材料的局限性。

超表面在实现波束控制方向的技术是当前超表面的研究热点。超表面中有一种类型是相位梯度超表面。相位梯度超表面的大致原理是通过不同的单元结构改变折射或反射的相位梯度，然后实现入射电磁波相位和幅度的控制，最后能够达到控制电磁波的传输方向和形式的目的。

发明内容

本发明涉及电磁波束汇聚、人工电磁超表面、可调相位梯度超表面。

本发明的目的在于提出了一种可调相位的宽带透射超表面，可以实现在8.02GHz-9.04GHz内电磁波束透射相位的360度全相调控，同时将该频段内的透射幅度维持在0.8以上。

可调相位超表面的设计为调控电磁波提供了一种新的方向，可调相位梯度超表面通过对超表面单元结构进行合理地调整，使其产生逐渐变化的相位梯度，就可以达到调控电磁波波束传播方向控制的目的。因此可调相位梯度超表面可以用于军事领域中的电磁隐身技术、通信领域的波束汇聚和民用领域中的毫米波成像技术等，同时也为天线设计领域增添了一种优化工具。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案

技术方案一

一种可调相位的宽带透射超表面单元，其特征在于：

包括三层介质基板7；

包括印刷在每层介质基板7表面的四层微带贴片；每层微带贴片结构，由两个相同大小的矩形栅极贴片1和圆形贴片4结构组合而成，矩形栅极贴片1放在圆形贴片4的两侧，第一、第四层贴片和第二、第三层贴片中的圆形部分半径不同。

包括贴片的馈电线；每层贴片的馈电结构都是相似的，对于两个矩形栅极贴片1，其本身就可以当作馈电结构；对于圆形贴片4，用刻蚀在圆形贴片上下的馈电线进行供电；

包括固定电感3，连接于微带贴片与馈电线之间，使用固定电感3实现“隔交流通直流”，减小馈电线对微带贴片电流分布的影响。

包括可变电容二极管2，其负极即图中左侧连接栅极结构1，其正极即图中右侧连接圆形贴片4；将圆形贴片4的第一馈电线5引出，并将第一馈电线5连接于直流电压源(由外部提供)上，通过控制直流电压在0-10V范围内进行变化实现变容二极管电容大小在0.14pF-0.7pF范围内变化，然后实现超表面透射相位在8.02GHz-9.04GHz内相位可以360度变化，同时透射幅度保持在0.8以上。

技术方案二

一种可调相位的宽带透射超表面，由紧密布列的若干透射超表面单元组成，实施例是由8×7个超表面单元组成，每个单元的尺寸是1cm×1cm×4.34mm,故可调相位的宽带透射超表面整体的尺寸是8cm×7cm×4.34mm。

所述介质基板7为单层的厚度为1.4cm的Rogers AD260A，第一层和第二层的介质基质的上部刻蚀金属贴片和馈电线等结构，第三层介质基质的上下均刻蚀金属贴片和馈电线等结构。层与层互相紧贴，用塑料螺栓固定。

所述馈电结构主要分成两个部分。栅极的馈电结构就是本身，宽度为0.2mm，圆形贴片的馈电结构由刻蚀金属线和电感共同组成，金属线的宽带为0.2mm,电感的值为3.3nH，起到“隔直流通交流”的作用。

所述可变电容二极管使用MACOM公司生产的MAVR-000120-1411型号变容二极管，该变容二极管的电容值能够在0.14pF-1.1pF范围内变化，覆盖了调节透射相位所需要的所有电容值。

所述馈电结构由可编程直流电压源馈电，通过控制直流电压源改变变容二极管两端电压的大小。

本发明实现了在8.02GHz-9.04GHz内，对电磁波进行透射相位的全相调控，并同时控制透射幅度在0.8以上，可用于电磁波束的汇聚、电磁隐身、电磁波束角度的调控等领域。

本发明具有工作频带宽，相位全相可调，透射幅度保持好的优点，可用于多种对应带宽天线的波束调控。

附图说明

图1为本发明实施例的产品的单元模块打开状态下的结构示意图。(立体)

图2为本发明实施例的微带贴片及其馈电结构的结构示意图。

图3为本发明实施例的产品的整体结构示意图。(平面)

图4为本发明实施例的MAVR-000120-1411型号变容二极管的内部电路。(采购，为现有技术产品)

图5为本发明实施例的可调相位的宽带透射超表面在5.5GHz-9.5GHz内可变电容调节透射相位结果图。

图6为发明实施例的可调相位的宽带透射超表面在5.5GHz-9.5GHz内可变电容调节透射幅度结果图。

数字标记：

介质基板7；

矩形栅极微带贴片1、圆形微带贴片4；

可变电容二极管2、固定电感3；

第一馈电线5、第二馈电线6；

具体实施方式

结合以下具体实施例和附图，对发明作进一步的详细说明：

参考图1，本发明包括：介质基板7、矩形栅极微带贴片1、圆形微带贴片4、可变电容二极管2、固定电感3、第一馈电线5、第二馈电线6；

介质基板的厚度为1.4mm,采用介电常数为2.65，损耗角正切为0.005的方形F4B材料，其边长p＝10mm；介质基板的上表面分别印制有矩形栅极微带贴片1、圆形微带贴片4、馈电线5、6以及焊制上去的可变电容二极管2和固定电感3。

矩形栅极微带贴片1，结构如图2所示，其长度为10mm,宽度为0.2mm,每层的矩形栅极微带贴片尺寸和位置相同。圆形微带贴片4的圆心均位于介质基板的中央，其中一、四层圆形贴片的半径为4mm，二、三层圆形贴片的半径为1.8mm.

每层矩形栅极微带贴片2的馈电结构就是它本身，对于图2左图中第1、第4层结构的圆形微带贴片，在其上下焊制HBLS0603-3N3S固定电感，电感的值为3.3nH,用于馈电时“隔交流通直流”，对于图2右图中第二、第三层结构的圆形微带贴片，由于其半径较小，故采用刻蚀金属线5与固定电感3结合的方法进行馈电，固定电感的型号也是HBLS0603-3N3S。

参考图3，本实施例将所设计的可调相位的宽带透射超表面单元按照8×7共56个单元进行排布，每个单元之间紧密相连，没有间隔。对于整个PCB板，要将两部分的馈电结构适当延长并引出导线，以实现对可变电容二极管的电压控制。

参考图4，本发明实施例的购置的MAVR-000120-1411型号变容二极管的内部电路。

参考图5，本发明实施例设计的可调相位的宽带透射超表面：

在5.5GHZ-9.5GHZ内调节透射相位结果图，从图中可以看出，8.02GHz-9.04GHz内变容二极管的不同电容值大小的透射相位差距能够达到360度。

参考图6，本发明实施例的可调相位的宽带透射超表面在5.5GHZ-9.5GHz透射幅度结果图。从图中可以看出，在8.02GHz-9.04GHz内,当可变电容二极管的电容值在0.14-0.7pF范围内变化时，透射幅度均在0.8以上。

Claims (2)

1.一种可调相位的宽带透射超表面单元，其特征在于：

包括三层介质基板(7)；

包括印刷在每层介质基板(7)表面的四层微带贴片；每层微带贴片结构，由两个相同大小的矩形栅极微带贴片(1)和圆形微带贴片(4)结构组合而成，矩形栅极微带贴片(1)放在圆形微带贴片(4)的两侧，第一、第四层贴片和第二、第三层贴片中的圆形部分半径不同；

包括贴片的馈电线；每层贴片的馈电结构都相同，对于两个矩形栅极微带贴片(1)，其本身当作馈电结构；对于圆形微带贴片(4)，用刻蚀在圆形贴片上下的馈电线进行供电；

包括固定电感(3)，连接于微带贴片与馈电线之间；

包括可变电容二极管(2)，其负极连接矩形栅极微带贴片(1)，其正极连接圆形微带贴片(4)；将圆形微带贴片(4)的第一馈电线(5)引出，并将第一馈电线(5)连接于直流电压源上，通过控制直流电压在0-10V范围内进行变化实现变容二极管电容大小在0.14pF-0.7pF范围内变化，然后实现超表面透射相位在8.02GHz-9.04GHz内相位可以360度变化，同时透射幅度保持在0.8以上。

2.一种可调相位的宽带透射超表面，其特征在于，由紧密布列的若干权利要求1所述的宽带透射超表面单元组成。

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