CN113809549B - 基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元 - Google Patents

基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，该单元是由透射层(100)和反射层(200)空间级联而成；透射层(100)和反射层(200)都是平面结构，水平放置，且在空间中透射层(100)位于反射层(200)上方，两者之间相隔了一层空气；透射层(100)由传输模块(110)和第一相控模块(120)构成；反射层(200)由反射模块(210)和第二相控模块(220)构成；本发明通过控制第一相控模块(120)和第二相控模块(220)上加载的电控器件状态来实现对透射层(100)和反射层(200)的辐射相位调控；透射层和反射层的搭配使用，使得出射波的相位为反射相位和两倍透射相位叠加，充分利用了反射波的能量，简化结构和增加相位变化范围。

Description

基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元
技术领域
本发明属于天线领域，具体涉及基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元。
背景技术
随着各类民用和军事电子设备的不断升级和愈发多样化的功能需求，现代无线通信系统对天线在高增益辐射和波束捷变性能等方面提出了越来越高的要求。传统的抛物面天线利用几何光学聚焦原理，在主要辐射方向上形成等相位面，具有增益高、带宽大、方向性强等优点，但难以克服其自身结构带来的体积庞大、曲面加工困难、控制系统复杂等因素的限制。相控阵天线作为另一种高增益天线逐渐发展起来，这类天线通过改变每个单元的馈电相位实现波束聚焦和扫描，具有辐射性能优异、波束扫描灵活等特点。然而，目前相控阵天线在工程应用领域仍存在许多问题，例如馈电网络复杂、能量损耗大、制造成本高等。电磁表面是一种新型人工电磁结构，能改变电磁波的传播特性，可灵活地控制电磁波的幅度响应和相位响应。其中相位可重构电磁表面通过电信号调节加载的控制器件状态，改变其对电磁波的相位响应特性，相比抛物面天线和传统相控阵具有重量轻、功耗小、成本低等优点。对于传统的多比特电磁表面而言，一体成型是一大难点，采用多层级联相控技术可以大幅降低设计难度和成本。
本发明基于两层级联相控技术，该技术的特点在于使用一个透射层和一个反射层进行空间级联。透射层和反射层上都加载有相位调控模块，通过改变相位调控模块的状态，反射波可以获得2比特的相位调控。基于该技术的阵列天线可以高效地实现快速波束扫描、高增益波束聚焦和灵活波束切换等诸多独特的辐射特性，具有结构简单、小巧轻量、低制造成本等优点，可广泛运用于卫星通讯、遥感测绘、雷达跟踪等远距通信领域。
发明内容
本发明的目的在于提出基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，以简化2比特电磁表面结构和降低损耗。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，其特征在于，该电磁表面单元将透射层(100)和反射层(200)进行空间级联；其中透射层(100)由传输模块(110)和第一相控模块(120)构成；反射层(200)由反射模块(210)和第二相控模块(220)构成；通过控制相控模块上加载的电控器件的状态，可以对透射层和反射层的相位状态进行调控，从而使电磁表面单元实现2比特的相位状态切换；所述的透射层(100)和反射层(200)都是平面结构，沿xoy水平放置；两者在沿z轴方向的空间中进行级联，即透射层(100)位于反射层(200)的正上方，且两者之间相隔了一层空气；所述传输模块(110)自上至下包括：第一金属片(111)和第一介质板(112)；其中第一金属片(111)位于第一介质板(112)上侧，设置为耶路撒冷十字结构；第一相控模块(120)通过在传输模块(110)上集成四个第一电控器件(121)实现相位控制功能；电磁表面单元的反射模块(210)自上至下包括：第二金属片(211)、第二介质板(212)和第三金属片(213)；其中第二金属片(211)位于第二介质板(212)上侧，设置为马耳他十字结构；第三金属片(213)位于第二介质板(212)下侧，且二者之间相隔了一层空气；第二相控模块(220)通过在反射模块(210)上集成两个沿y轴镜像对称的第二电控器件(221)实现相位控制功能。
进一步，所述第一介质板(112)、第二介质板(212)和第三金属片(213)在xoy面上尺寸相同；所述基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的第一电控器件(121)和第二电控器件(221)设置为PIN二极管。
进一步，所述第一介质板(112)和第二介质板(212)都设置为Rogers 5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009。
进一步，所述2比特电磁表面单元具有变极化的特性，当入射波的极化方向沿x方向时，反射波的极化方向沿y方向；当入射波的极化方向沿y方向时，反射波的极化方向沿x方向；入射波与反射波极化正交，具有极化高隔离性；同时单元具有双线极化的特性；入射波不论是x极化还是沿y极化，单元都可以正常工作。
进一步，通过控制两个相控模块上的第一电控器件(121)和第二电控器件(221)的状态可以分别获得不同的反射相位和透射相位值；电磁波单次经过透射层(100)可获得30°相位变化，而单次经过反射层(200)可以获得180°相位变化；入射电磁波先通过透射层获得一次透射相位变化，再经由反射层反射获得一次反射相位变化，最后反射波再次通过透射层出射获得第二次透射相位变化；最终电磁表面单元具有0°，60°，180°和240°的2比特相位调控能力。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1.本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，针对传统的多比特设计成型难度大的问题，采用多层级联相控技术大幅降低设计难度和成本。
2.本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，将2比特相位可重构设计分解为反射相位和两倍透射相位的叠加，充分利用反射波的能量，简化结构和增加相位变化范围。
3.本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元通过调整相控模块的工作状态就可以实现2比特相位控制；基于该单元设计的阵列天线相比抛物面天线和传统相控阵具有重量轻、功耗小、成本低等优点。
4.本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元具有变极化的特性，入射波与反射波极化正交，天然具有极化高隔离性；单元同时具有双线极化特性，可以工作在双线极化条件下。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作详细描述，其中：
100-透射层，110-传输模块，111-第一金属片，112-第一介质板，120-第一相控模块，121-第一电控器件，200-反射层，210-反射模块，211-第二金属片，212-第二介质板，213-第三金属片，220-第二相控模块，221-第二电控器件。
图1为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的技术框图。
图2为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的结构图。
图3为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的透射层俯视图。
图4为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元透射层的相控模块在不同状态下的透射相位响应曲线。
图5为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的反射层俯视图。
图6为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元反射层的相控模块(220)在不同状态下的反射相位响应曲线。
图7为本发明的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的反射系数曲线，其中(a)为单元相控模块在不同状态下的反射相位响应曲线，(b)为单元相控模块在不同状态下的反射幅度响应曲线。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。根据以下说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰的辅助说明本发明实施方式的目的。为了使本发明的目的、特征、优点能够更加明显易懂，请参阅附图。
本发明提供了基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，具体实施方式如下：
本发明中，电磁表面单元的工作频点为5.8GHz，为了抑制阵列出现栅瓣，优选天线单元尺寸d小于等于1/2个波长，即选为25mm×25mm；电磁表面单元的第一电控器件(121)和第二电控器件(221)设置为PIN二极管。
参阅图1，基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元设计，该设计将透射层(100)和反射层(200)进行空间级联。其中透射层(100)由传输模块(110)和第一相控模块(120)构成；反射层(200)由反射模块(210)和第二相控模块(220)构成；通过控制相控模块上加载的电控器件的状态，可以对透射层和反射层的相位状态进行调控，从而使电磁表面单元实现2比特的相位状态切换；
参阅图2，所述的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的透射层(100)和反射层(200)都是平面结构，沿xoy水平放置；两者在沿z轴方向的空间中进行级联，即透射层(100)位于反射层(200)的正上方，且两者之间相距h2＝15mm；电磁表面单元设计的传输模块(110)自上至下包括：第一金属片(111)和第一介质板(112)；其中第一金属片(111)位于第一介质板(112)上侧，设置为耶路撒冷十字结构；第一相控模块(120)通过在传输模块(110)上集成四个第一电控器件(121)实现相位控制功能；电磁表面单元的反射模块(210)自上至下包括：第二金属片(211)、第二介质板(212)和第三金属片(213)；其中第二金属片(211)位于第二介质板(212)上侧，设置为马耳他十字结构；第三金属片(213)位于第二介质板(212)下侧，且二者之间相距h4＝4mm；第二相控模块(220)通过在反射模块(210)上集成两个沿y轴镜像对称的第二电控器件(221)实现相位控制功能；所述第一介质板(112)、第二介质板(212)和第三金属片(213)在xoy面上尺寸相同，直径均为d＝25mm；所述第一介质板(112)和第二介质板(212)均设置为Rogers 5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009，且第一介质板(112)和第二介质板(212)的厚度分别为h1＝0.78mm和h3＝3.18mm。
图3是基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的透射层(100)俯视图；传输模块(110)的第一金属片(111)设置为耶路撒冷十字结构，全对称结构保证其在双极化条件下工作，且透射过的电磁波极化不变；图中的耶路撒冷十字结构第一金属片(111)的各部分尺寸分别为金属条长度a＝8.5mm、b＝12mm、c＝7mm，金属条宽度w1＝1mm，缝隙宽度g1＝0.8mm。
图4是基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的透射层(100)的第一相控模块(120)在不同状态下的透射相位响应曲线；第一相控模块(120)的四个第一电控器件(121)同时导通或关断，改变贴片等效谐振尺寸，即通过电调谐振法形成所需相位差；仿真结果显示透射层(100)在两种状态下的透射波存在30°的相位差；即电磁波单次经过透射层(100)可获得30°相位变化。
图5是基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的反射层(200)俯视图；第二相控模块(220)上加载了一对沿y轴相互镜像的第二电控器件(221)；所述第二相控模块(220)中的两个第二电控器件(221)选通其一有两种状态，分别是10状态和01状态；因为两个电控器件镜像选通，使得第二金属片(211)的形状相对于坐标轴不对称，因而反射层具备变极化特性，入射波与反射波极化正交，具有极化高隔离性；图中的马耳他十字结构第二金属片(211)的各部分尺寸分别为w3＝2.4mm、g3＝1.92mm、q＝3.84mm；
图6是基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的反射层(200)的第二相控模块(220)在不同状态下的反射相位响应曲线；仿真结果显示反射层(200)在10和01两种状态下的反射波存在稳定的180°相位差；即电磁波单次经过反射层(200)可获得180°相位变化。
图7是使基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的反射系数曲线；其中(a)是反射相位曲线图，单元在中心频点5.8GHz处不同状态下的反射相位分布为0°，59°，183°，239°，在5.3GHz-6.3GHz频段内单元都具有稳定的2比特相位重构特性。(b)是反射幅度曲线图，在5.3GHz-6.3GHz频段中，单元各状态下的平均反射幅度损耗在3dB以内，单元具有较大带宽。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，其特征在于，该电磁表面单元将透射层(100)和反射层(200)进行空间级联；其中透射层(100)由传输模块(110)和第一相控模块(120)构成；反射层(200)由反射模块(210)和第二相控模块(220)构成；通过控制相控模块上加载的电控器件的状态，可以对透射层和反射层的相位状态进行调控，从而使电磁表面单元实现2比特的相位状态切换；所述的透射层(100)和反射层(200)都是平面结构，沿xoy水平放置；两者在沿z轴方向的空间中进行级联，即透射层(100)位于反射层(200)的正上方，且两者之间相隔了一层空气；所述传输模块(110)自上至下包括：第一金属片(111)和第一介质板(112)；其中第一金属片(111)位于第一介质板(112)上侧，设置为耶路撒冷十字结构；第一相控模块(120)通过在传输模块(110)上集成四个第一电控器件(121)实现相位控制功能；电磁表面单元的反射模块(210)自上至下包括：第二金属片(211)、第二介质板(212)和第三金属片(213)；其中第二金属片(211)位于第二介质板(212)上侧，设置为马耳他十字结构；第三金属片(213)位于第二介质板(212)下侧，且二者之间相隔了一层空气；第二相控模块(220)通过在反射模块(210)上集成两个沿y轴镜像对称的第二电控器件(221)实现相位控制功能。
2.根据权利要求1所述的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，其特征在于，第一介质板(112)、第二介质板(212)和第三金属片(213)在xoy面上尺寸相同；所述基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元的第一电控器件(121)和第二电控器件(221)设置为PIN二极管。
3.根据权利要求1所述的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，其特征在于，第一介质板(112)和第二介质板(212)都设置为Rogers 5880，介电常数是2.2，损耗角的正切值是0.0009。
4.根据权利要求1所述的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，其特征在于，所述2比特电磁表面单元具有变极化的特性，当入射波的极化方向沿x方向时，反射波的极化方向沿y方向；当入射波的极化方向沿y方向时，反射波的极化方向沿x方向；入射波与反射波极化正交，具有极化高隔离性；同时单元具有双线极化的特性；入射波不论是x极化还是沿y极化，单元都可以正常工作。
5.根据权利要求1所述的基于两层级联相控技术的2比特电磁表面单元，其特征在于，通过控制两个相控模块上的第一电控器件(121)和第二电控器件(221)的状态可以分别获得不同的反射相位和透射相位值；电磁波单次经过透射层(100)可获得30°相位变化，而单次经过反射层(200)可以获得180°相位变化；入射电磁波先通过透射层获得一次透射相位变化，再经由反射层反射获得一次反射相位变化，最后反射波再次通过透射层出射获得第二次透射相位变化；最终电磁表面单元具有0°，60°，180°和240°的2比特相位调控能力。
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