CN114267956B - 亚波长结构透反射超表面器件、波束扫描天线及扫描方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了亚波长结构透反射超表面器件、波束扫描天线及扫描方法，器件包括：中间介质层；布置于中间介质层一侧的反射亚波长结构层，其被配置为能够反射x极化电磁波并透射y极化电磁波；布置于中间介质层另一侧的透射亚波长结构层，其被配置为能够透射x极化电磁波并反射y极化电磁波，并且能够使透射进入的x极化电磁波转极化为y极化电磁波或使透射进入的y极化电磁波转极化为x极化电磁波后透射出去。本发明还公开了波束扫描天线及扫描方法。本发明通过采用金属亚波长结构加射频介质基板的多层重叠结构并引入遵循二次相位分布的反射亚波长结构层和透射亚波长结构层，所得器件能解决全空间维度覆盖和任意极化切换的难题。
Description
技术领域
本发明属于通信天线技术领域，更具体地涉及一种亚波长结构透反射超表面器件、波束扫描天线及扫描方法。
背景技术
透镜天线作为光学透镜的衍生物，在亚毫米波、毫米波和微波系统中的应用越来越多，如常规成像、雷达和卫星通信等领域，透镜天线还被提议用于第五代(5G)通信。随着对更高数据吞吐量和用户终端的增加，为在5G系统中获得更高的频谱效率，由密集的单元(超过数百个)天线组成得大规模多输入多输出(MIMO)天线至关重要。此外，为建立三维空间的覆盖能力，第三代合作伙伴项目(3GPP)将由几十个单元组成的二维天线阵列全维度MIMO作为5G的关键技术之一。由线性阵列构成的透镜被用于构建一维空间波束成型和多波束大规模MIMO天线，为毫米波波段的5G系统铺平了道路。
为了建立稳定的通信链路，增大信号覆盖范围，提高信道容量，对天线的频率、相位、幅度，极化的多参数调控提出了更高的要求；作为自适应目标追踪的基础，需要波束扫描能做到大角度覆盖，当前广泛采用的相控阵波束扫描天线，受到T/R组件尺寸影响，难以实现更小的单元尺寸，因此限制了大角度扫描的实现，而无源超构表面理论可以做到十分之一波长，这为大角度的实现提供了基础。同时为了实现全空间波束覆盖，往往采用多个阵列中心对称放置，而带有波束扫描的透反射一体超表面为单一天线实现全空间覆盖提供了可能。
为了提高通信链路稳定性，防止极化失配，传统通信中往往采用组合的正交极化天线，这不仅增加了天线成本，而且带来天线综合的复杂性。作为当前波束控制最常用的方案，相控阵在波束扫描、高指向性、抗干扰方面有其优势，但同样也存在重量重、成本高昂、结构复杂、无法在单一天线实现透反射等问题。
因此，有必要进一步研究真正意义上的全空间波束覆盖能力和极化任意可调的多功能透镜天线。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，通过采用金属亚波长结构加射频介质基板的多层结构，引入遵循二次相位分布的反射亚波长结构层和透射亚波长结构层，解决了全空间维度覆盖和大角度波束扫描的难题并实现了反射与透射极化的高隔离度，获得了一种多功能的亚波长结构透反射超表面器件及其波束扫描天线和扫描方法。
为此，本发明的一方面提供了亚波长结构透反射超表面器件，包括：
中间介质层；
布置于中间介质层一侧的反射亚波长结构层，其被配置为能够反射x极化电磁波并透射y极化电磁波；
布置于中间介质层另一侧的透射亚波长结构层，其被配置为能够透射x极化电磁波并反射y极化电磁波，并且能够使透射进入的x极化电磁波转极化为y极化电磁波或使透射进入的y极化电磁波转极化为x极化电磁波后透射出去。
进一步地，所述反射亚波长结构层包括：
第一介质层；
布置于第一介质层外侧的反射结构金属层，其由第一亚波长单元结构通过遵循二次相位分布的周期排布构成；
布置于第一介质层内侧的反射光栅金属层，其光栅排布方向被配置为与所述第一亚波长结构单元的对称轴方向呈0°或90°夹角。
进一步地，所述透射亚波长结构层包括：
第二介质层；
布置于第二介质层内侧的透射结构金属层，其由第二亚波长单元结构通过遵循二次相位分布的周期排布构成；
布置于第二介质层外侧的透射光栅金属层，其光栅排布方向被配置为与所述第二亚波长结构单元的对称轴呈45°或135°夹角，
其中，所述透射光栅金属层的光栅排布方向与所述反射光栅金属层的光栅排布方向正交。
进一步地，所述反射结构金属层的反射相位相对于所述超表面器件相位中心的距离和所述透射结构金属层的透射相位相对于所述超表面器件相位中心的距离分别满足下式所示的二次相位关系：
ρ(γ)＝k0γ2/2f(γ∈[0,2f])，
其中，ρ为所述反射结构金属层或透射结构金属层上任意第一亚波长单元结构的反射相位或第二亚波长单元结构的透射相位，k0＝λ/2π为波数，f为焦距，λ为入射电磁波波长，γ为所述反射结构金属层或透射结构金属层上任意第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构到所述超表面器件相位中心的距离。
进一步地，所述第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构为工字形、双工字形、C形、双开口环形、十字形、方孔、圆孔、方形环和圆形环中的一种，所述第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构的周期为2mm～12mm，其中，所述第一亚波长单元结构和第二亚波长单元结构设置在方形金属外圈或圆形金属外圈的中心。
进一步地，所述第一介质层、中间介质层和第二介质层采用介电常数为2.5～4的高频介质基板，所述第一介质层的厚度为0.5mm～1mm，所述中间介质层的厚度为1mm～2mm，所述第二介质层的厚度为1mm～2mm；
所述反射光栅金属层或透射光栅金属层采用占空比为0.3～0.8、周期为0.1～0.5mm的任意光栅结构，相同入射电磁波频率下所述反射亚波长结构层的反射率和透射亚波长结构层的透射率均在85％以上，所述反射结构金属层、反射光栅金属层、透射光栅金属层和透射结构金属层的厚度为0.01～0.05mm。
进一步地，所述反射亚波长结构层、中间介质层和透射亚波长结构层通过粘接或胶膜复合的方式一体成型。
本发明的另一方面提供了一种任意极化大角度波束扫描天线，包括：
上述亚波长结构透反射超表面器件；
两组馈源，对称布置在所述亚波长结构透反射超表面器件两侧并且能够同步移动，被配置为向所述亚波长结构透反射超表面器件发射相同极化状态的入射电磁波，其中，每组馈源包括至少一个馈源天线；
移相单元，被配置为与两组馈源中的至少一组馈源连接并且能够调整两组馈源的入射电磁波相位差。
本发明的再一方面提供了上述任意极化大角度波束扫描天线的扫描方法，包括：
控制两组馈源从亚波长结构透反射超表面器件两侧同时发射相同极化状态的入射电磁波，在亚波长结构透反射超表面器件的一侧获得出射的干涉波束；
利用移相单元调整两组馈源的入射电磁波相位差，得到任意极化波束；
同步移动两组馈源，实现任意极化大角度范围波束扫描。
本发明的又一方面提供一种全空间波束扫描天线，包括：
上述亚波长结构透反射超表面器件；
一组馈源，布置在所述亚波长结构透反射超表面器件一侧并且能够移动，被配置为向所述亚波长结构透反射超表面器件发射极化状态可切换的入射电磁波，其中，所述一组馈源包括至少一个馈源天线。
本发明的再一方面提供了上述全空间波束扫描天线的扫描方法，包括：
控制所述一组馈源从亚波长结构透反射超表面器件一侧发射极化状态可切换的入射电磁波，通过旋转所述入射电磁波的极化方向切换天线的反射和/或透射状态并得到全空间波束；
移动所述一组馈源，实现大角度范围全空间波束扫描。
本发明的亚波长结构透反射超表面器件通过采用金属亚波长结构加射频介质基板的多层结构，引入遵循二次相位分布的反射亚波长结构层和透射亚波长结构层，通过不同馈源的设置和控制方式，能够解决全空间维度覆盖和大角度波束扫描的难题，实现任意极化大角度波束扫描或透反射一体全空间波束扫描，具有低剖面、结构简单、易加工、低成本等特点，采用无源结构就能实现上述效果，为天线研制提供了新的技术途径。
附图说明
为了更清楚地理解本发明的结构和实施例，下面将对所需要的附图进行说明，以下附图仅代表本发明的某些实施例。
图1示意性示出了根据本发明示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件的侧视结构示意图。
图2示意性示出了根据本发明一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的立体结构示意图。
图3示意性示出了根据本发明一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的分层结构示意图。
图4示意性示出了根据本发明一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的各关键层图案及关键尺寸示意图。
图5示意性示出了根据本发明一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件的俯视结构示意图。
图6示意性示出了根据本发明另一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的分层结构示意图。
图7示意性示出了根据本发明另一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的各关键层图案及关键尺寸示意图。
图8示意性示出了根据本发明另一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件的俯视结构示意图。
图9示意性示出了根据本发明示例性实施例的任意极化大角度波束扫描天线的功能示意图。
图10示意性示出了根据本发明示例性实施例的任意极化大角度波束扫描天线的典型极化仿真结果。
图11示意性示出了根据本发明示例性实施例的任意极化大角度波束扫描天线的典型极化测试结果。
图12示意性示出了根据本发明示例性实施例的任意极化大角度波束扫描天线的波束扫描仿真与测试结果。
图13示意性示出了根据本发明示例性实施例的全空间波束扫描天线的功能示意图。
图14示意性示出了根据本发明示例性实施例的全空间波束扫描天线的透射相位、透射系数、反射相位和反射系数情况。
图15示意性示出了根据本发明示例性实施例的全空间波束扫描天线在透射模式和反射模式下的仿真与测试结果。
附图标记说明：
10-中间介质层、20-反射亚波长结构层、21-反射结构金属层、22-第一介质层、23-反射光栅金属层、30-透射亚波长结构层、31-透射结构金属层、32-第二介质层、33-透射光栅金属层。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
为了使本发明的内容易于理解，下面将结合附图和具体实施例进行详细的说明，所列举的实施例仅为本发明的部分实施例，在不背离本发明的情况下还可以有其他组合方式。
本发明通过采用金属亚波长结构加射频介质基板的多层结构，引入遵循二次相位分布的透射亚波长结构层与反射亚波长结构层，采用两层正交的光栅结构实现反射与透射极化的高隔离度，由此能够利用所得亚波长结构透反射超表面器件匹配不同的馈源和扫描方法，实现多功能的波束扫描控制和透反射切换，为多功能波束扫描天线研制提供了新的技术途径。
图1示意性示出了根据本发明示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件的侧视结构示意图。
如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述亚波长结构透反射超表面器件包括中间介质层10、反射亚波长结构层20和透射亚波长结构层30，其中反射亚波长结构层20布置于中间介质层10的一侧，其被配置为能够反射x极化电磁波并透射y极化电磁波，透射亚波长结构层30布置于中间介质层10的另一侧，其被配置为能够透射x极化电磁波并反射y极化电磁波，并且能够使透射进入的x极化电磁波转极化为y极化电磁波或使透射进入的y极化电磁波转极化为x极化电磁波后透射出去。通过调整亚波长结构透反射超表面器件的参数并控制入射至亚波长结构透反射超表面器件表面的电磁波极化状态等，能够得到不同的出射电磁波并可实现不同的波束扫描功能。
其中，本发明的反射亚波长结构层可以包括第一介质层22、反射结构金属层21、反射金属光栅层23。其中，反射结构金属层21布置于第一介质层的外侧，其由第一亚波长单元结构通过遵循二次相位分布的周期排布构成；反射光栅金属层23布置于第一介质层22的内侧，其光栅排布方向被配置为与上述第一亚波长结构单元的对称轴方向呈0°或90°夹角。
本发明的透射亚波长结构层可以包括第二介质层32、透射结构金属层31和透射光栅金属层33。其中，透射结构金属层31布置于第二介质层的内侧，其由第二亚波长单元结构通过遵循二次相位分布的周期排布构成；透射光栅金属层33布置于第二介质层的外侧，其光栅排布方向被配置为与上述第二亚波长结构单元的对称轴呈45°或135°夹角。
其中，透射光栅金属层33的光栅排布方向与反射光栅金属层23的光栅排布方向正交，实现反射与透射极化的高隔离度。
由此，上述反射亚波长结构层20能够实现反射x极化电磁波并透射y极化电磁波；上述透射亚波长结构层30能够透射x极化电磁波并反射y极化电磁波，同时能够使透射进入的x极化电磁波转极化为y极化电磁波或使透射进入的y极化电磁波转极化为x极化电磁波后透射出去。通过在亚波长结构透反射超表面器件的两侧同时入射相同极化状态的电磁波就可以获得由透射电磁波和反射电磁波干涉得到的干涉波束，通过控制二者的相位差就能得到任意极化波束；而通过在亚波长结构透反射超表面器件的一侧入射极化状态可调的电磁波就可以切换反射状态或透射状态，实现全空间波束扫描，甚至实现透反射波束的同时扫描。
其中，上述遵循二次相位的周期排布具体为：反射结构金属层的反射相位相对于超表面器件相位中心的距离和透射结构金属层的透射相位相对于超表面器件相位中心的距离分别满足下式所示的二次相位关系：
ρ(γ)＝k0γ2/2f(γ∈[0,2f])，
其中，ρ为反射结构金属层或透射结构金属层上任意第一亚波长单元结构的反射相位或第二亚波长单元结构的透射相位，k0＝λ/2π为波数，f为焦距，λ为入射电磁波波长，γ为反射结构金属层或透射结构金属层上任意第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构到所述超表面器件相位中心的距离。
通过上面的二次相位关系分别对反射结构金属层上的第一亚波长单元结构和透射结构金属层上的第二亚波长单元结构进行周期性排布，实现上述功能。
进一步地，上述第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构可以为工字形、双工字形、C形、双开口环形、十字形、方孔、圆孔、方形环和圆形环中的一种，均为轴对称图形。其中，上述双开口环形包括圆环和贯穿圆环的中间条，圆环上位于中间条两侧的中间位置处对称开设有两个开口。
优选地，第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构的周期为2mm～12mm。并且，第一亚波长单元结构和第二亚波长单元结构优选地设置在方形金属外圈或圆形金属外圈的中心，以增强圈内结构的隔离度，保证圈内亚波长单元结构独立工作并减少相邻亚波长单元之间的影响。
根据本发明，第一介质层22、中间介质层10和第二介质层32可以采用介电常数为2.5～4的高频介质基板，如Taconic RF-35基板等。其中，第一介质层22的厚度d1为0.5mm～1mm，中间介质层10的厚度d2为1mm～2mm，第二介质层33的厚度d3为1mm～2mm。反射结构金属层21、反射光栅金属层23、透射光栅金属层33和透射结构金属层31的金属层厚度d0为0.01～0.05mm。
本发明的反射光栅金属层23或透射光栅金属层33可以采用占空比为0.3～0.8、周期为0.1～0.5mm的任意光栅结构，通过正交设置实现反射与透射极化的高隔离度，并分别与反射结构金属层21和透射结构金属层31配合实现相应功能。优选地，相同入射电磁波频率下本发明亚波长结构透反射超表面器件中反射亚波长结构层20的反射率和透射亚波长结构层30的透射率均在85％以上。
根据本发明的示例性实施例，亚波长结构透反射超表面器件的反射亚波长结构层20、中间介质层10和透射亚波长结构层30可以通过粘接或胶膜复合的方式一体成型，本发明不对此进行限制。
图2至图5示意性示出了根据本发明一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的立体结构示意图、分层结构示意图、各关键层图案及关键尺寸示意图和俯视结构示意图。
如图2至图5所示，该实施例中反射结构金属层21的第一亚波长结构单元为工字形结构，并置于方形外圈中心以减小相邻单元之间的耦合，形成工字形谐振相位单元，该工字形结构的特征参数包括宽度l1、高度l2、线条宽度wb和外圈宽度wa；透射结构金属层31的第二亚波长结构单元则为C形结构，并置于圆形外圈中心以减小相邻单元之间的耦合，形成C形几何相位谐振单元，该C形结构的特征参数包括半径r、开口角度α、线条宽度w、外圈半径hr、C形结构相对于光栅的旋转角度
上述第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的周期P为2mm～12mm(30GHz时为λ/3.125)，周期排布方式按照上述二次相位分布进行计算设计。通过改变上述第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的结构参数，可以对反射电磁波和透射电磁波的相位进行人为调制。
反射光栅金属层23和透射光栅金属层33为正交分布的光栅结构，上述反射结构金属层21的第一亚波长结构单元的对称轴方向被配置为与反射光栅金属层23的光栅排布方向呈90°夹角，透射结构金属层31的第二亚波长结构单元的对称轴方向被配置为与透射光栅金属层33的光栅排布方向呈45°夹角。
图6至图8示意性示出了根据本发明另一个示例性实施例的亚波长结构透反射超表面器件中一个亚波长结构单元部分的分层结构示意图、各关键层图案及关键尺寸示意图和俯视结构示意图。
如图6至图8所示，该实施例中反射结构金属层21的第一亚波长结构单元为由两个大小相同的双工字形结构，并置于方形外圈中心以减小相邻单元之间的耦合，形成双工字形谐振相位单元，该双工字形结构的特征参数包括外圈宽度wa和每个工字形结构的宽度l1、高度l2、线条宽度wb；透射结构金属层31的第二亚波长结构单元则为包括圆环和贯穿圆环的中间条且圆环上位于中间条两侧的中间位置处对称开设有两个开口的双开口环形结构，并置于圆形外圈中心以减小相邻单元之间的耦合，形成双开口环形几何相位谐振单元，该双开口环形结构的特征参数包括半径r、开口角度α、线条宽度w、外圈半径hr、双开口环形结构相对于光栅的旋转角度
上述第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的周期P为2mm～12mm(30GHz时为λ/3.125)，周期排布方式按照上述二次相位分布进行计算设计。
类似地，反射光栅金属层23和透射光栅金属层33为正交分布的光栅结构，上述反射结构金属层21的第一亚波长结构单元的对称轴方向被配置为与反射光栅金属层23的光栅排布方向也呈90°夹角，透射结构金属层31的第二亚波长结构单元的对称轴方向被配置为与透射光栅金属层33的光栅排布方向也呈45°夹角。
基于本发明的亚波长结构透反射超表面器件，本发明还提供了不同功能的波数扫描天线及其扫描方面。
根据本发明的示例性实施例，本发明提供了一种任意极化大角度波束扫描天线，包括上述亚波长结构透反射超表面器件、两组馈源及移相单元。
两组馈源对称布置在亚波长结构透反射超表面器件两侧并且能够同步移动，其被配置为向亚波长结构透反射超表面器件发射相同极化状态的入射电磁波，其中每组馈源包括至少一个馈源天线；移相单元被配置为与两组馈源中的至少一组馈源连接并且能够调整两组馈源的入射电磁波相位差。本领域技术人员能够根据实际需求选择合适的馈源种类、数量以及移相单元类型。
图9示意性示出了根据本发明示例性实施例的任意极化大角度波束扫描天线的功能示意图。
如图9所示，以x极化电磁波为例进行说明，当x极化电磁波从亚波长结构透反射超表面器件的反射侧入射时，其被完全反射；当x极化电磁波从亚波长结构透反射超表面器件的透射侧入射时，其将被透射并转极化为y极化电磁波后出射。若入射的是y极化电磁波，效果类似。并且，电磁波的入射角度不影响反射和透射的效果。通过改变第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的结构参数，能够对反射电磁波和透射电磁波的相位进行人为调制。
一般来说，任意极化的电磁波可以用两个振幅相等，相位可调的正交线极化(LP)电磁波合成。本发明中，当用x极化电磁波从亚波长结构透反射超表面器件两侧同时入射时，透射的y极化电磁波和反射的x极化电磁波出射波将在反射侧区域内干涉。当透射电磁波和反射电磁波的相位差为±90°时，将产生右旋/左旋圆极化电磁波(RCP/LCP)；当透射电磁波与反射电磁波的相位差为180°/0°时，合成波束的偏振状态将转换为-45°或+45°线极化电磁波(LP)。也即，通过移相单元调整两组馈源的入射电磁波相位差进而控制透射电磁波与反射电磁波的相位差，可以得到任意极化波束。
在通过二次相位分布构建的反射结构金属层和透射结构金属层基础上，通过在等焦距面上同步移动正反两组馈源，可以实现大角度范围的波束扫描。
基于此，本发明还提供了上述任意极化大角度波束扫描天线的扫描方法，包括以下步骤：
控制两组馈源从亚波长结构透反射超表面器件两侧同时发射相同极化状态的入射电磁波，在亚波长结构透反射超表面器件的一侧获得出射的干涉波束。其中，两侧入射电磁波可以是x极化电磁波，也可以是y极化电磁波，但需满足两侧入射电磁波的极化状态相同。
利用移相单元调整两组馈源的入射电磁波相位差，得到任意极化波束。
同步移动两组馈源，实现任意极化大角度范围波束扫描。优选地，在等焦距面上进行馈源同步移动。
其中，若两组馈源中的每组馈源包括多个馈源天线，则能够实现多波束扫描。
根据本发明的示例性实施例，本发明还提供了一种全空间波束扫描天线，包括上述亚波长结构透反射超表面器件和一组馈源。
一组馈源布置在亚波长结构透反射超表面器件一侧并且能够移动，其被配置为向亚波长结构透反射超表面器件发射极化状态可切换的入射电磁波，其中每组馈源包括至少一个馈源天线。
图13示意性示出了根据本发明示例性实施例的全空间波束扫描天线的功能示意图。
如图13所示，当x极化电磁波从亚波长结构透反射超表面器件的反射侧入射时，其将完全反射；当y极化电磁波从亚波长结构透反射超表面器件的反射侧入射下，超表面器件将转为透射模式，即y极化电磁波将穿过反射结构金属层和反射光栅金属层，与透射结构金属层相互作用并转化成x极化电磁波后从透射光栅金属层透射出去。反射光栅金属层与透射光栅金属层形成一个类似法布里-佩罗的腔体，该腔体结构已经被证明可以提高极化转换效率。类似地，通过改变第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的结构参数，能够对反射电磁波和透射电磁波的相位进行人为调制。
由此，当旋转切换馈源入射极化状态时，能够分别激活反射亚波长结构和透射亚波长结构，切换反射或者透射状态并使得亚波长结构透反射超表面器件的两侧出射电磁波均为相同极化状态的电磁波，获得全空间波束并实现全空间覆盖。
在通过二次相位分布构建的反射结构金属层和透射结构金属层基础上，通过在等焦距面上移动馈源，可以实现大角度范围的全空间波束扫描。并且，该全空间波束扫描天线具有丰富的扩展性以实现多功能，如使用±45°极化的馈源入射超表面器件，可以实现透反射波束同时扫描；若使用多个馈源天线同时入射超表面器件，可以实现多波束扫描。
基于此，本发明还提供了上述全空间波束扫描天线的扫描方法，包括以下步骤：
控制一组馈源从亚波长结构透反射超表面器件一侧发射极化状态可切换的入射电磁波，通过旋转入射电磁波的极化方向切换天线的反射和/或透射状态并得到全空间波束；
移动所述一组馈源，实现大角度范围全空间波束扫描。优选地，在等焦距面上进行馈源移动。
利用本发明亚波长结构透反射超表面器件制得的天线具有低剖面、结构简单、易加工、低成本、易共形等特点，采用无源结构就能实现任意极化大角度波束扫描或全空间波束扫描，为天线研制提供了新的技术途径。
下面将结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
本实施例的亚波长结构透反射超表面器件采用如图2至图5所示的结构和设计。
其中，三层介质层均为Taconic RF-35基板(εr＝3.5，tanδ＝0.0018)，厚度分别为0.635mm、1.016mm、1.016mm(30GHz时为λ/9.84)，各金属层的厚度d0＝0.017mm。反射光栅金属层和透射光栅金属层为正交分布的光栅结构，周期为0.2mm、占空比为0.5。
第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的周期P＝3.2mm(30GHz时为λ/3.125)，其中，通过设计工字形结构的特征参数宽度l1、高度l2、线条宽度wb和外圈线条宽度wa以及C形结构的特征参数半径r、开口角度α、线条宽度w、外圈半径hr、C形结构相对于光栅的旋转角度
能够对反射和透射电磁波的相位进行人为调制。其中，线条宽度wb＝0.11mm、外圈宽度wa＝0.05mm、线条宽度w＝0.2mm、外圈半径hr＝1.6mm，下表1和表2示例性地示出了部分亚波长结构单元中的l1、l2、r、α和/>
等结构参数设计情况。
表1实施例1中采用的C形结构的结构参数
表2实施例1中采用的工字形结构的结构参数
在上述亚波长结构透反射超表面器件两侧设置两组可移动的馈源，该两组馈源从亚波长结构透反射超表面器件两侧同时发射相同极化状态的入射电磁波；将其中一组馈源连接移相器，该移相器能够实现在等焦距面上对馈源的移动，得到任意极化大角度波束扫描天线。
图10至图12示意性示出了根据本发明示例性实施例的任意极化大角度波束扫描天线的典型极化仿真结果、典型极化测试结果以及波束扫描仿真与测试结果。
如图9所示，当两组馈源发出的x极化电磁波从-Z方向和+Z方向同时入射超表面器件时，透射的y极化电磁波和反射的x极化电磁波将在+Z区域干涉。如图10中(a)和(c)所示，当透射电磁波和反射电磁波的相位差为±90°时，利用本实施例的天线将产生<0.5dB轴比的正交圆极化；如图10中(b)和(d)所示，当透射电磁波与反射电磁波有180°/0°的相位差时，干涉波束的偏振状态将转换为>17dB轴比的正交线极化。并且，四种极化配置状态都保持了几乎相同的波束方向图，轴比角度与波束主瓣相同如图10中(e)至(h)所示。测试波矢传播方向横截面如图11所示，实施例产生了近乎标准的右旋圆极化(RCP)，为-45°线极化(LP)，左旋圆极化(LCP)，+45°(LP)线极化电磁波。
如图12所示，当在等焦距面同步移动两组馈源时，本实施例的天线能够实现<±90°范围内的大角度波束扫描。
实施例2：
本实施例的亚波长结构透反射超表面器件采用如图6至图8所示的结构和设计。
其中，三层介质层均为Rogers 5880基板(εr＝2.2，tanδ＝0.002)，厚度分别为0.508mm、1.27mm、1.27mm(30GHz时为λ/7.87)，各金属层的厚度d0＝0.02mm。反射光栅金属层和透射光栅金属层为正交分布的光栅结构，周期为0.25mm、占空比为0.6。
第一亚波长结构单元和第二亚波长结构单元的周期P＝3.52mm(30GHz时为λ/2.84)，其中，双工字形结构的特征参数宽度l1、高度l2、线条宽度wb＝0.15mm和外圈线条宽度wa＝0.06mm，双开口环形结构的特征参数半径r、开口角度α、线条宽度w＝0.22mm、外圈半径hr＝1.705mm、双开口环形结构相对于光栅的旋转角度
在不同的r、α和/>
条件下，能够实现覆盖0～360°的24阶透射相移；在不同的l1和l2下，能够实现覆盖0～360°的24阶反射相移。所得器件的半径和焦距分别被设定为200mm和100mm。
在上述亚波长结构透反射超表面器件一侧设置一组可移动的馈源，该组馈源从亚波长结构透反射超表面器件一侧发射极化状态可切换的入射电磁波，得到全空间波束扫描天线。
图14示意性示出了根据本发明示例性实施例的全空间波束扫描天线的透射相位、透射系数、反射相位和反射系数情况，图15示意性示出了根据本发明示例性实施例的全空间波束扫描天线在透射模式和反射模式下的仿真与测试结果。
如图13所示，当馈源发出的x极化电磁波入射到超表面器件上时，其将完全反射，此时为反射模式；当转化为y极化电磁波入射到超表面器件上时，超表面单元将转为透射模式，y极化电磁波将转极化为x极化电磁波透射出去，此时为透射模式。当既有x极化电磁波又有y极化电磁波入射时，就能够获得全空间波束并实现全空间覆盖。
如图14所示，当y极化入射时，获得了24阶相位步进的等梯度相位和大于70％的透射率；当x极化入射时，同样获得了24阶相位步进的等梯度相位和大于97％的反射率。
如图15所示，当在等焦距面上移动x极化馈源或者y极化馈源时，本实施例的天线能够在反射区域或者透射区域<±90°范围内的大角度波束扫描。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (9)
1.一种亚波长结构透反射超表面器件，其特征在于，包括：
中间介质层；
布置于中间介质层一侧的反射亚波长结构层，其被配置为能够反射x极化电磁波并透射y极化电磁波；
布置于中间介质层另一侧的透射亚波长结构层，其被配置为能够透射x极化电磁波并反射y极化电磁波，并且能够使透射进入的x极化电磁波转极化为y极化电磁波或使透射进入的y极化电磁波转极化为x极化电磁波后透射出去；
所述反射亚波长结构层包括：
第一介质层；
布置于第一介质层外侧的反射结构金属层，其由第一亚波长单元结构通过遵循二次相位分布的周期排布构成；
布置于第一介质层内侧的反射光栅金属层，其光栅排布方向被配置为与所述第一亚波长单元结构的对称轴方向呈0°或90°夹角；
所述透射亚波长结构层包括：
第二介质层；
布置于第二介质层内侧的透射结构金属层，其由第二亚波长单元结构通过遵循二次相位分布的周期排布构成；
布置于第二介质层外侧的透射光栅金属层，其光栅排布方向被配置为与所述第二亚波长单元结构的对称轴呈45°或135°夹角，
其中，所述透射光栅金属层的光栅排布方向与所述反射光栅金属层的光栅排布方向正交。
2.根据权利要求1所述的亚波长结构透反射超表面器件，其特征在于，所述反射结构金属层的反射相位相对于所述超表面器件相位中心的距离和所述透射结构金属层的透射相位相对于所述超表面器件相位中心的距离分别满足下式所示的二次相位关系：
ρ(γ)＝k0γ2/2f(γ∈[0,2f])，
其中，ρ为所述反射结构金属层或透射结构金属层上任意第一亚波长单元结构的反射相位或第二亚波长单元结构的透射相位，k0＝λ/2π为波数，f为焦距，λ为入射电磁波波长，γ为所述反射结构金属层或透射结构金属层上任意第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构到所述超表面器件相位中心的距离。
3.根据权利要求1所述的亚波长结构透反射超表面器件，其特征在于，所述第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构为工字形、双工字形、C形、双开口环形、十字形、方孔、圆孔、方形环和圆形环中的一种，所述第一亚波长单元结构或第二亚波长单元结构的周期为2mm～12mm，其中，所述第一亚波长单元结构和第二亚波长单元结构设置在方形金属外圈或圆形金属外圈的中心。
4.根据权利要求1所述的亚波长结构透反射超表面器件，其特征在于，所述第一介质层、中间介质层和第二介质层采用介电常数为2.5～4的高频介质基板，所述第一介质层的厚度为0.5mm～1mm，所述中间介质层的厚度为1mm～2mm，所述第二介质层的厚度为1mm～2mm；
所述反射光栅金属层或透射光栅金属层采用占空比为0.3～0.8、周期为0.1～0.5mm的任意光栅结构，相同入射电磁波频率下所述反射亚波长结构层的反射率和透射亚波长结构层的透射率均在85％以上，所述反射结构金属层、反射光栅金属层、透射光栅金属层和透射结构金属层的厚度为0.01～0.05mm。
5.根据权利要求1所述的亚波长结构透反射超表面器件，其特征在于，所述反射亚波长结构层、中间介质层和透射亚波长结构层通过粘接或胶膜复合的方式一体成型。
6.一种任意极化大角度波束扫描天线，其特征在于，包括：
如权利要求1至5中任一项所述的亚波长结构透反射超表面器件；
两组馈源，对称布置在所述亚波长结构透反射超表面器件两侧并且能够同步移动，被配置为向所述亚波长结构透反射超表面器件发射相同极化状态的入射电磁波，其中，每组馈源包括至少一个馈源天线；
移相单元，被配置为与两组馈源中的至少一组馈源连接并且能够调整两组馈源的入射电磁波相位差。
7.一种如权利要求6所述的任意极化大角度波束扫描天线的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法包括：
控制两组馈源从亚波长结构透反射超表面器件两侧同时发射相同极化状态的入射电磁波，在亚波长结构透反射超表面器件的一侧获得出射的干涉波束；
利用移相单元调整两组馈源的入射电磁波相位差，得到任意极化波束；
同步移动两组馈源，实现任意极化大角度范围波束扫描。
8.一种全空间波束扫描天线，其特征在于，包括：
如权利要求1至5中任一项所述的亚波长结构透反射超表面器件；
一组馈源，布置在所述亚波长结构透反射超表面器件一侧并且能够移动，被配置为向所述亚波长结构透反射超表面器件发射极化状态可切换的入射电磁波，其中，所述一组馈源包括至少一个馈源天线。
9.一种如权利要求8所述的全空间波束扫描天线的扫描方法，其特征在于，所述扫描方法包括：
控制所述一组馈源从亚波长结构透反射超表面器件一侧发射极化状态可切换的入射电磁波，通过旋转所述入射电磁波的极化方向切换天线的反射和/或透射状态并得到全空间波束；
移动所述一组馈源，实现大角度范围全空间波束扫描。
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