CN113690629A - 一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线 - Google Patents

一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线，包括馈源和传输透镜，馈源的相位中心位于传输透镜的焦点上，所述传输透镜包括多个呈周期性排布的超表面透镜单元，每个超表面透镜单元包括上、中、下三层金属贴片和贴片间的两层介质板；上层金属贴片和下层金属贴片均为三条平行排列的金属格栅，上层和下层的金属格栅相互垂直，上层和下层的金属格栅的宽度均为w1，长度均为P，金属格栅间距均为w2；中间层金属贴片为由金属条围成的锐角顶角开口的菱形环，开口处向菱形环中心延伸有两对平行于对角线的金属条；本发明能够实现透射相位和幅度独立控制，满足透射阵天线实现高增益、低副瓣以及强聚焦性能的需求。

Description

一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线
技术领域
本发明属于透射阵天线设计的技术领域，具体涉及一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线。
背景技术
透射阵天线(Transmitarray antenna，TA)是一种高增益天线，由于其具有增益高、结构平坦、重量轻、成本低、无馈电阻塞等显著优点，近年来受到越来越多的关注。因此，透射阵天线通常可用于远距离系统，如卫星地面链路、移动通信系统和雷达系统。
为此，透射阵天线的设计也在不断的发展，目前存在的透射阵天线的设计为了实现高增益，通常会采用多层频率选择表面结构级联，实现360°的相位范围覆盖以满足透射阵天线的相位补偿需求。同时，多层频率选择结构的设计也会拓宽透射阵天线的工作带宽，例如，三维结构的设计可以同时具备高增益和宽带宽的特点，其透射效率也会大大提高。以上的设计方法通过改变天线的单元结构来达到透射的相位补偿的要求，即至少360°的相位覆盖范围，同时，使得透射幅度满足需要，以此来实现高增益、宽带宽、厚度小以及波束扫描等特性。然而，针对同时对透射相位和幅度进行独立调控的设计目前没有相关设计和报道，而透射幅度对增益和副瓣电平的影响非常重要。低副瓣电平的要求在实际应用中十分广泛且发挥着关键作用，例如在雷达系统中，一般会要求副瓣电平需要低于-20dB,从而提高其探测能力。通常降低副瓣电平的天线如缝隙天线、漏波天线和贴片阵列天线，往往通过馈电网络、不同的单元结构组阵、通过粒子群算法对相位分布进行优化等方法来实现透射幅度的调控。这些方法依赖于额外的功分网络设计或者透射相位的分布，缺乏对幅度调控的独立性和灵活性，无法充分满足透射阵天线实现高增益、低副瓣以及强聚焦性能的需求。
因此，为了能够充分利用相位和幅度的对增益及副瓣电平的控制，优化透射阵天线的设计方法和效率，有必要开发一种新的透射阵天线设计方式，使得透射相位和幅度可以独立控制，同时满足相位补偿和幅度分布的需求，进而实现高增益、低副瓣电平、高电磁波透射特性的特性。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线，能够实现透射相位和幅度独立控制，满足透射阵天线实现高增益、低副瓣以及强聚焦性能的需求。
实现本发明的技术方案如下：
一种相位和幅度独立调控的传输透镜，所述传输透镜包括多个呈周期性排布的超表面透镜单元，每个超表面透镜单元包括上、中、下三层金属贴片和贴片间的两层介质板；
上层金属贴片和下层金属贴片均为三条平行排列的金属格栅，上层和下层的金属格栅相互垂直，上层和下层的金属格栅的宽度均为w1，长度均为P，金属格栅间距均为w2；
中间层金属贴片为由金属条围成的锐角顶角开口的菱形环，开口处向菱形环中心延伸有两对平行于对角线的金属条。
进一步地，所述金属格栅长度P为8.5mm,宽度w1为0.1-2.5mm，金属格栅间距w2为0.33-2.73mm。
进一步地，所述菱形环的金属条宽度为0.1-2mm，非开口的对角线距离为1.65-12.2mm，开口处向中心延伸的金属条长度为变量，变化范围为0.5-3.5mm，两对向中心方向延伸的金属条间距为0.1-4mm。
进一步地，所述介质板采用介电常数为3且损耗正切值为0.00013的RogersRO3003材料制成，介质板厚度为4.5mm，截面为正方向，边长为8.5mm。
一种相位和幅度独立调控的透射阵天线，包括馈源和所述传输透镜，馈源的相位中心位于传输透镜的焦点上。
有益效果：
1、本发明的透镜结构的上下层栅格的设计使得入射波的极化方式变化了90°，中间层的开口菱形环结构通过改变向内延伸的金属条的长度和中间层旋转角度实现了相位和幅度的独立调控，通过三层结构的作用，入射电磁波通过透镜后，可以获得高透波率和转极化的性能。
2、本发明将设计的透镜用于构建透射阵天线，使得透射阵天线具有了独立调控透射相位和幅度的能力，可实现360°全相位覆盖以及所需要的幅度分布，从而达到了高增益、低副瓣电平、高透射性和强聚焦性的特点，且具有低剖面(仅0.15倍真空环境下波长的厚度)、结构简单便于加工的优点，能够用于雷达探测、远距离通信等领域。
附图说明
图1为本发明透射阵天线的结构示意图，(a)为传输透镜的结构(b)为透射阵天线的结构。
图2为本发明超表面透镜单元结构示意图，(a)为上层金属贴片，(b)为下层金属贴片。
图3为本发明超表面透镜单元结构中间层示意图。
图4为本发明透射阵天线的反射系数特性图。
图5为本发明透射阵天线的增益和口径效率特性图。
图6为本发明透射天线阵在频率为9GHz时的归一化的辐射方向图，其中(a)为H面方向图，(b)为E面方向图。
图7为本发明透射天线阵在频率为10GHz时的归一化的辐射方向图，其中(a)为H面方向图，(b)为E面方向图。
图8为本发明透射天线阵在频率为11GHz时的归一化的辐射方向图，其中(a)为H面方向图，(b)为E面方向图。
其中，1-馈源喇叭天线，2-传输透镜，3-传输透镜的上层金属贴片，4-传输透镜的中间层金属贴片，5-传输透镜的下层金属贴片，6-透镜单元的上层金属格栅，7-介质层，8-透镜单元的下层金属格栅，9-透镜单元的中间层开口菱形环，10-旋转辅助参考线。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种相位和幅度独立调控的传输透镜及透射阵天线，通过对阵列单元的中间层结构参数调整，达到360°相位全覆盖，在不改变所需相位分布的同时，通过旋转中间层结构实现对透射幅度的控制，最后达到了显著提高增益、降低副瓣电平，实现高透射特性和强聚焦性的透射天线性能。
如图1(a)、(b)所示，本发明的透射阵天线由一个标准HD-100SGAH10喇叭天线作为馈源，其增益为10dBi，工作频段为10GHz，和一个由240个单元组成的超表面透镜(即传输透镜)组成，馈源喇叭的相位中心位于透镜的焦点上。超表面透镜由三层金属平面贴片和贴片间的两层介质板构成，其距离喇叭天线的相位中心的距离为114.5mm。
如图2(a)、(b)和图3所示，本发明的超表面透镜单元由三层金属结构和两层介质板结构组成，其中金属层结构包括上层金属格栅，中间层开口金属菱形环和下层金属格栅，介质板在分别在上层和中间层、中间层和下层之间，其中下层金属格栅与上层格栅相互垂直。
超表面透镜单元周期P为8.5mm，上层和下层的金属格栅长度P为8.5mm,宽度w1为1.2mm(可取值范围0.1-2.5mm)，金属格栅的间距w2为1.63mm(可取值范围0.33-2.73mm)，金属格栅到层边缘的距离w3为1.64mm(可取值范围0.16-1.66mm)。
中间层开口金属菱形环结构位于介质厚度的中间位置，开口金属菱形环的宽度W为0.3mm(可取值范围0.1-2mm)，非开口的对角线距离l2为6.7mm(可取值范围1.65-12.2mm)，开口处向中心延伸的金属条长度L为变量，变化范围为0.5-3.5mm，开口方向初始为与旋转参考线10的的夹角α为变量，变化范围为-45°～45°，旋转参考线10与y轴平行，两个向中心方向延伸的金属条间距为0.5mm(可取值范围0.1-4mm)。
介质板采用介电常数为3且损耗正切值为0.00013的Rogers RO3003材料压制制成，其厚度h为4.5mm，截面为正方形，边长P为8.5mm。
金属覆层和金属条的材料可以采用铜、铁等导电性金属材料制成。
本发明所设计的透射透镜平面的工作如下：对于其单元结构，采用双开口的菱形环结构并添加上下两层的金属格栅来实现透射相位和幅度的独立调控。双开口的菱形环结构布局紧凑能达到强烈的电磁响应特性，并且上下两层的互相垂直的金属格栅层能够实现转极化的功能，将水平和垂直极化波分离开，避免了旋转单元可能会引起的极化波混杂现象。上下两层的金属格栅和它们之间构成的空间区域构成了法布里-珀罗(Fabry-Perot)谐振腔，当入射波通过中间开口菱形环时，该菱形环结构将入射波分解为两个分别垂直于金属格栅的正交极化分量，这样就在谐振腔入口和出口分别形成了反向以及同向干扰，从而产生多个频率的谐振，使得入射波能够在较宽的带宽内实现高效率透射性能。
为了使得电磁波通过透镜平面后达到空间聚焦的效果，需要对透镜阵列平面不同位置的单元与喇叭馈源天线的相位中心的光程差进行弥补，以便将馈源天线发射出的球面波通过透镜天线后变成平面波。为了达到相位补偿所需的360°的相位覆盖，透镜阵列的单元可以通过改变中间开口菱形环的向中心延伸的金属条的长度来进行调控，其长度L从0.5mm变化至3.5mm，由于电磁波照射下的金属条上的电流路径长度发生变化，因此可以实现透射相位的360°全覆盖。
透射幅度的变化是影响单元透射率最重要的因素之一，幅度的变化与中间层与y轴(旋转参考线)的夹角α有关。其原理如下：当α＝45°时，从单元正上方入射的y极化电磁波，经过上层的金属格栅，接着经过中间层的开口菱形环时转化为x极化电磁波，最后通过下层的金属格栅；当α＝0°时，从单元正上方入射的y极化电磁波，在通过上层结构和中间层结构后，其极化方向没有发生变化，但被下层的金属格栅反射后再通过上层金属格栅，电磁波几部被完全反射回去。当α在0°至45°之间时，电磁波部分能够透射，另一部分被反射回去，当α等于0°和90°时，透射相位会有180°的相位差。
因此，为了实现高增益和低副瓣电平的特性，采用泰勒综合法对幅度进行重新调整，此处，泰勒综合法的参数为：副瓣电平为-35dB,等副瓣个数为6。按照幅度分布的比例关系，通过旋转中间层，即改变α的值，可以实现所需的幅度分布，同时不会改变对应的透射相位。由此实现本发明的透镜阵列对相位和幅度的独立调控。
本发明所设计的具有高增益、低副瓣电平特性的透射阵天线测试性能如下：
本发明所设计的透射阵天线的S参数的频率响应特性如图4所示，|S11|为反射系数，图中可以看到三种情况：单独喇叭天线工作、只对相位进行调控的透射阵天线以及相位和幅度同时调控的透射阵天线的反射系数均低于-10dB，说明本发明所设计的透射阵天线在8～12GHz的频段范围内可以正常工作。
三种情况的增益和口径效率曲线如图5所示，可以看到在工作的中心频率10GHz处，三种情况的增益分布为9.82dBi,22.14dBi和21.21dBi，相位和幅度同时调控的透射阵天线对应的口径效率分别45.22％。
三种情况在频率9GHz、10GHz和11GHz的归一化的辐射方向图分别如图6、7和8所示，其中(a)为H面的方向图，(b)为E面的方向图。从图中可以看到对于9GHz，第二、三种情况的H面副瓣电平为-22.72dB和-24.48dB,E面的相对应的副瓣电平为-21.96dB和-26.73dB；对于中心工作频率10GHz，第二、三种情况的H面副瓣电平为-25.62dB和-30.91dB,E面的相对应的副瓣电平为-24.3dB和-30.36dB；对于11GHz，第二、三种情况的H面副瓣电平为-24.12dB和-29.75dB,E面的相对应的副瓣电平为-26.85dB和-31.17dB。可以看到通过幅度的重新分配后，副瓣电平都降低了，在10GHz处，H面和E面的副瓣电平降低了5.29dB和6.06dB，并且增益仅损耗0.89dB。另外，图中可以看到，通过透射阵列，方向图的主波束变窄，聚焦性能更加优越。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：透射阵列可以实现仅仅通过简单的改变中间层的向中心延伸的金属条长度这一个参数就可以实现相位的360°全覆盖达到相位补偿的效果，同时旋转中间层可以实现独立于相位的幅度调控，由于相位和幅度的独立可控性，使得本发明设计的透射阵天线能够达到高增益、低副瓣电平、高透射性及强聚焦性的优越特性。同时，简单的结构设计简化了加工制作过程，降低了实现成本。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种相位和幅度独立调控的传输透镜，其特征在于，所述传输透镜包括多个呈周期性排布的超表面透镜单元，每个超表面透镜单元包括上、中、下三层金属贴片和贴片间的两层介质板；
上层金属贴片和下层金属贴片均为三条平行排列的金属格栅，上层和下层的金属格栅相互垂直，上层和下层的金属格栅的宽度均为w1，长度均为P，金属格栅间距均为w2；
中间层金属贴片为由金属条围成的锐角顶角开口的菱形环，开口处向菱形环中心延伸有两对平行于对角线的金属条。
2.如权利要求1所述的一种相位和幅度独立调控的传输透镜，其特征在于，所述金属格栅长度P为8.5mm,宽度w1为0.1-2.5mm，金属格栅间距w2为0.33-2.73mm。
3.如权利要求1所述的一种相位和幅度独立调控的传输透镜，其特征在于，所述菱形环的金属条宽度为0.1-2mm，非开口的对角线距离为1.65-12.2mm，开口处向中心延伸的金属条长度为变量，变化范围为0.5-3.5mm，两对向中心方向延伸的金属条间距为0.1-4mm。
4.如权利要求1所述的一种相位和幅度独立调控的传输透镜，其特征在于，所述介质板采用介电常数为3且损耗正切值为0.00013的Rogers RO3003材料制成，介质板厚度为4.5mm，截面为正方向，边长为8.5mm。
5.一种采用权利要求1所述传输透镜的相位和幅度独立调控的透射阵天线，其特征在于，包括馈源和所述传输透镜，馈源的相位中心位于传输透镜的焦点上。
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