CN115332812B - 一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本公开是关于一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法。该反射阵列天线包括有源超表面反射阵列、可编程门阵列控制模块和馈源天线。该制造方法包括：首先，确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；其次，将N×N个有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列，并加载直流电源，建立通信；再次，进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列；最后，通过改变目标方向的相位编码序列，产生各种不同多波束辐射方向图。本公开提出的基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法能够实现多波束的独立产生，并能够对多波束进行实时动态调制。
Description
技术领域
本公开涉及超表面电磁调控技术领域，尤其涉及一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法。
背景技术
超表面(Metasurfaces)是指一种厚度小于波长的人工电磁(EM)超材料，它在二维空间中呈周期性或非周期性排列组成。由于电磁波的特性和特殊调控方式，在过去几十年，超表面在声学和光学领域被广泛的研究，出现了一些负折射、隐形隐身和光学幻觉等新技术，实现了很多天然材料几乎不可能被操纵的新功能。此外，与传统的电磁波调制方法相比，超表面具有较低的剖面和成本，较高的质量，有助于开发集成和轻质系统。
嵌入可调谐材料或有源元件的可重构超表面可以在同一超表面平台上实现不同电磁响应的动态转换。有源超表面不是依靠单元形状的变化来获得指定的性能，而是可以根据需要在均匀的元素上实现多功能的传播特征，打破了无源结构的限制，它扩大了反射半空间和反射-透射全空间中的超表面的设计自由度和系统应用。因此，有源超表面正在为探索天线、成像和新的无线互动系统铺平道路。
但随着无线技术的发展，现有的有源器件的设计缺陷或多波束产生方法不同，反射式超表面天线的上半空间存在局限性，只能在对称多波束或非对称双波束中动态切换，因此，提出一种高效、低成本、灵活的多波束天线设计成为了近年来无线多信道传输和雷达探测领域需要研究和解决的问题。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开实施例的目的在于提供一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法，以实现多波束的独立产生和对其进行实时动态调制。
根据本公开实施例第一方面，提出一种基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，该制造方法包括以下步骤：
确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；
将N×N个所述有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列，并加载直流电源，建立通信；
进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列；
通过改变目标方向的相位编码序列，产生各种不同多波束辐射方向图。
本公开的一示例性实施例中，进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤包括：设计产生所述多波束辐射方向图的相位编码算法，分别用二进制中的“0”表示量化后的0度的相位分布，用二进制中的“1”表示量化后的180度的相位分布，所述有源超表面反射阵列上所需的相位补偿公式包括；
Φf(m,n)＝-k0(Rfmn-F) (1)
其中，k0＝2π/λ0，表示自由空间中的波数；F表示焦距；Rfmn表示馈源相位中心与每个单元之间的距离；(m,n)表示第(m,n)个超表面单元。
本公开的一示例性实施例中，为了在远场产生多个独立方向的铅笔状光束，利用与每个波束相关的口径场叠加策略，该相位相加后的分布满足：
其中，表示瞄准方向为/>的第l个光束在坐标轴xoy平面的单位投影矢量；
通过相位相加，其相位分布包括：
其中，ΦMB表示在每个有源超表面反射单元上实现多波束所需的连续相位。
本公开的一示例性实施例中，在进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤中，为了建立有源超表面反射单元运行的二进制编码相位模式，根据模糊相位近似原理，进行相位二进制离散量化，包括：
其中，为常数，表示有源超表面中心的参考相位；
获得相位编码序列后，根据反射阵列天线理论近似地执行远场多波束辐射方向图，包括：
其中，θ和表示球面坐标系中的仰角和方位角；m表示矩形阵列在x方向的个数；n表示矩形阵列在y方向的个数；Fe(m,n)表示第(m,n)个单元的方向图函数；Γf(m,n)表示第(m,n)个单元的反射系数；/>表示第(m,n)个单元的位置矢量，u表示空间位置矢量。
根据本公开实施例第二方面，提供一种基于有源超表面的反射阵列天线，包括：
有源超表面反射阵列，所述有源超表面反射阵列包括N×N个均匀排布的有源超表面反射单元；
可编程门阵列控制模块，所述可编程门阵列控制模块与所述有源超表面反射阵列上的电路连通；
馈源天线，所述馈源天线位于所述有源超表面反射阵列上方，用于向所述有源超表面反射阵列传输电磁波。
本公开的一示例性实施例中，所述有源超表面反射阵列包括由上至下依序设置的：
第一金属层，所述第一金属层包括有金属贴片、PIN二极管元件和枝节贴片；
第一高频介质基板，所述第一高频介质基板的表面印制有所述金属贴片，并镶嵌有所述PIN二极管和所述枝节贴片；
第二金属层，所述第二金属层的表面印制在所述第一高频介质基板的底面；
第二高频介质基板，所述第二金属层的底面印制在所述第二高频介质基板的表面；
第三金属层：所述第三金属层印制在所述第二高频介质基板的底面；
其中，所述PIN二极管与所述第二金属层通过第一金属柱连通；所述金属贴片与所述第三金属层通过第二金属柱连通，并且所述第二金属柱与所述枝节贴片共同构成偏置电路。
本公开的一示例性实施例中，在微波工作频段，所述PIN二极管元件在导通状态下的等效电路为串联，其电阻Rπ＝0.5Ω，电感Lπ＝0.7nH，在截止状态下的等效电路为串联，其电感L0＝0.5nH、电容C0＝0.24pF，两种状态下，所述PIN二极管件均具有低插入损耗。
本公开的一示例性实施例中，所述第一高频电路板为Taconic TLX-8，所述Taconic TLX-8的厚度为1.5mm，所述Taconic TLX-8的介电常数εr＝2.55，所述TaconicTLX-8介电损耗角tanδ＝0.0019。
本公开的一示例性实施例中，所述第二高频电路板为FR4，所述FR4的厚度为0.5mm，所述FR4的介电常数εr＝4.4，所述FR4电路板的介电损耗角tanδ＝0.02。
本公开的一示例性实施例中，所述有源超表面反射阵包括32×32个均匀排布的有源超表面反射单元；所述有源超表面反射阵的边长p＝16mm；所述第一金属贴片的宽度lx在6.0mm至6.6mm之间，长度ly在9.3mm至9.9mm之间。
本公开提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明提出了一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法，有源超表面的优异性质，以及特有的相位补偿和分布方式，能够实现多波束的独立产生，该基于有源超表面的反射阵列天线能够通过单馈实现动态多波束的独立调制。借助口径场叠加和相位离散化策略，计算机可以快速响应，获得任意指向多波束所需的编码序列。在可编程门阵列控制模块的实时控制下，N*N相位可重构的有源超表面反射阵列，能够执行辐射和相移功能。本发明在多目标雷达、卫星导航等无线多通道通信中有广阔的应用前景。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开示例性实施例中的基于有源超表面反射阵列天线的制造方法步骤示意图；
图2示出本公开示例性实施例中的基于有源超表面反射阵列天线的结构示意图；
图3示出本公开示例性实施例中有源超表面反射阵列的透视结构图；
图4示出本公开示例性实施例中有源超表面反射阵列仿真开/关状态下的振幅和相位结果示意图；
图5示出本公开示例性实施例中用于多波束独立生成的基于有源超表面反射阵列天线及其相位分布示意图；
图6示出本公开示例性实施例中有源超表面反射阵列天线分别在仰角θ＝20°处仿真的三维辐射方向图；
图7示出本公开示例性实施例中在方位角平面上的多波束一维辐射方向图；
图8示出本公开示例性实施例仿真实验中3D辐射方向图；
图9示出本公开示例性实施例中有源超表面反射阵列天线的样品示意图；
图10示出本公开示例性实施例中仿真实验结果示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
本示例实施方式第一方面提供了一种基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，参照图1所示，包括以下步骤：
步骤S101：确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；
步骤S102：将N×N个有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列，并加载直流电源，建立通信；
步骤S103：进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列；
步骤S104：通过改变目标方向的相位编码序列，产生各种不同多波束辐射方向图。
下面，将对本示例实施方式中的上述方法的各个步骤进行更详细的说明。
参照图1所示，在步骤S101中，包括但不限于以下步骤：首先，确定有源超表面反射单元周期(边长)为半波长，并根据介电常数、工作环境、成本等因素选择介质基板；然后，选定在反射阵列天线微波工作频段的微波二极管元件，如PIN二极管；最后，通过电磁兼容仿真软件，如CST Studio Suite中，改变该PIN二极管的等效电路、优化其厚度和贴片长度等参数，最终确定出在微波工作频段内PIN二极管通/断状态时形成180°相位差的有源超表面反射单元模型。
在步骤S102中，首先，将相同的有源超表面反射单元均匀排布成子阵列，并绘制直流电路；其次，通过电磁仿真软件导出阵列模型，并通过印制电路板(PCB)技术，加工出子阵列；再次，根据电路规模选择可编程门阵列控制模块，如FPGA型号，并焊接PIN二极管，安装FPGA芯片，加载直流电源，建立通信，最后，将子阵列无缝拼接为所需大小的由N×N个均匀排布的有源超表面反射单元组成的基于有源超表面的反射阵列天线。其中，在无缝拼接时所需支撑结构为聚甲基苯烯酸甲酯支撑结构。
在步骤S103中，包括了设计多波束天线的算法，分别用二进制中的“0”表示量化后的0度相位分布，用“1”表示量化后的180度相位分布，将不同波束状态下的0、1序列编码通过上位机储存到FPGA芯片中。来自馈源天线，即喇叭天线的球形电磁波需要在该有源超表面阵列的平面上形成相等的相位波前，每个元素Emn(m,n)所需的相位补偿满足：
Φf(m,n)＝-k0(Rfmn-F) (1)
其中，k0＝2π/λ0，表示自由空间中的波数；F表示焦距；Rfmn表示馈源相位中心与每个单元之间的距离；(m,n)表示第(m,n)个超表面单元。为了在远场产生多个独立方向的铅笔状光束，利用与每个波束相关的口径场叠加策略，该相位相加后的分布满足：
其中，表示瞄准方向为/>的第l个光束在坐标轴xoy平面的单位投影矢量；
通过相位相加，其相位分布包括：
其中，ΦMB表示在每个有源超表面反射单元上实现多波束所需的连续相位。
紧接着在步骤S104中，为了建立有源超表面反射单元运行的二进制编码相位模式，根据模糊相位近似原理，对二进制量化相位进行离散，包括：
其中，为常数，表示有源超表面中心的参考相位；
获得相位编码序列后，根据反射阵列天线理论近似地执行远场多波束辐射方向图，包括：
其中，θ和分别表示球面坐标系中的仰角和方位角；m表示矩形阵列在x方向的个数；n表示矩形阵列在y方向的个数；Fe(m,n)表示第(m,n)个单元的方向图函数；Γf(m,n)表示第(m,n)个单元的反射系数；/>表示第(m,n)个单元的位置矢量，u表示空间位置矢量。
参照图5，假设预先设定的4个波束的俯仰角和方位角分别为(25°、30°)(30°、135°)(22°、220°)(30°、300°)，图5c至5f中示出了每个过程中阵列的相位分布，图5b中描述了u-v坐标系中的归一化2D辐射方向图，其中，并可依据上述方程进行计算。
需要说明，在图5中，图5a为用于多波束生成的基于有源超表面反射阵列天线示意图。这里预先设计的指向俯仰角和方位角(25°、30°)(30°、135°(22°、220°)(30°、300°)四波束；图5b为这四波束在u-v坐标系中仿真的归一化二维辐射方向图，图5c为量化相位分布，图5d为补偿相位分布，图5e为多波束口径场相加后的相位分布，图5f为叠加后的相位分布。
本示例实施方式第二方面提供了基于有源超表面的反射阵列天线，该反射阵列天线包括：
有源超表面反射阵列，该有源超表面反射阵列包括N×N个均匀排布的有源超表面反射单元；
可编程门阵列控制模块，该可编程门阵列控制模块与有源超表面反射阵列上的电路连通；
馈源天线，可选用喇叭天线，该馈源天线位于有源超表面反射阵列上方，用于向有源超表面反射阵列传输电磁波。
这种单馈天线包含N×N一维相位重构的有源超表面反射阵列(AMSE)和可编程门阵列(FPGA)控制模块，这意味着它同时具有辐射和相移功能。如图2所示，在不进行大规模算法优化的情况下，利用口径场叠加策略，在有源超表面反射阵列的半空间范围能灵活的获得不同数目和大覆盖角度区域的定向波束。通过之后的仿真实验，其结果也表明了电控可重构反射阵列天线，可以实现多波束扫描和状态切换，具有较高的方向性和简化性能。它在多目标雷达、卫星导航等无线多通道通信中有广阔的应用前景。
该有源超表面反射阵列包括由上至下依序设置的：
第一金属层，第一金属层包括有金属贴片、PIN二极管元件和枝节贴片；
第一高频介质基板，第一高频介质基板的表面印制有金属贴片，并镶嵌有PIN二极管和枝节贴片；
第二金属层，第二金属层的表面印制在第一高频介质基板的底面；
第二高频介质基板，第二金属层的底面印制在第二高频介质基板的表面；
第三金属层：第三金属层印制在第二高频介质基板的底面；
其中，PIN二极管与第二金属层通过第一金属柱连通；金属贴片与第三金属层通过第二金属柱连通，并且第二金属柱与枝节贴片共同构成偏置电路。
具体的，
该第一介质基板为金属片，微波半导体元件为PIN二极管，在微波工作频段，所述PIN二极管在导通状态下的等效电路为串联的电阻Rπ＝0.5Ω，电感Lπ＝0.7nH串联，在截止状态下的等效电路为电感L0＝0.5nH、电容C0＝0.24pF串联，两种状态均具有低插入损耗。
该第一高频电路板为Taconic TLX-8，其厚度为1.5mm，介电常数为εr＝2.55，介电损耗角为tanδ＝0.0019。
该第二高频电路板为FR4，其厚度为0.5mm，介电常数为εr＝4.4，介电损耗角为tanδ＝0.02。
参照图3所示，例如，当有源超表面反射阵包括32×32个均匀排布的有源超表面反射单元时；该有源超表面反射阵的边长p＝16mm；所述第一介质基板的宽度优选为lx＝6.3mm，长度优选为ly＝9.6mm。
这里，参照图4所示，通过电磁兼容仿真软件CST Studio Suite设定频率范围为9.3-9.5GHz内进行实验，得到反射损耗小于0.9dB，相位差为180°±20°，满足一维相位重构的要求。有图4可以看出该有源超表面反射阵列具备辐射和相位切换能力，可以通过其反向模式轻松实现二元状态“0”或“1”。
仿真与分析
为了验证本示例实施方式中所提的基于有源超表面的反射阵列天线的辐射性能，以及该制造方法的优异性，进行了如下仿真实验，并对仿真实验结果予以详细分析：
利用CST Studio Suite进行全波仿真计算，并将远场监测器的频率设置为9.4GHz。选择集总元件来模拟单元表面的PIN二极管的开/关状态，即公式(4)中的0或1编码。反射阵列天线的表面由32×32个有源超表面反射阵列(AMSE)组成，面积为512×512mm2。辐射增益为10.7dB和9.4GHz下52°的3dB带宽，X波段线极化喇叭安装在平面上方410mm(焦径比＝0.8)处作为焦点源，在溢出效率和照射效率之间达到平衡。通过改变计算的编码序列，可以在该有源超表面的反射阵列的二维表面的上半空间激发出不同的散射方向图。
图6示出相同俯仰角和不同方位角时的多波束生成情况，其中图6中的5个波束在仰角θ＝20°处固定，同时在360°范围内均匀分配方位角。从模拟结果来看，这5个不同的主瓣形成了均匀的辐射能量。这些波束的约为21.51dB，半功率波瓣带宽(HPBW)约3.7°，而每个方位的旁瓣电平(SLL)小于-11dB，这表明波束赋形能力良好。此外，如下表1示出了五个等间距波束在不同俯仰角下的平均辐射增益。可以看出，随着角度的逐渐变大，辐射增益反而逐渐降低。对于相同方位角和不同仰角的波束，可以获得同样的结果。
表1：不同俯仰角下5个等距波束的平均辐射增益
对于相同方位角和不同仰角的波束，可以获得相似的结果。当波束方向预设为(38°、135°)(20°、135°)(15°、315°)(38°、315°)时，如图7所示的四个可辨识的铅笔形波束。可以看出，在37.9°和38°处的两个横向对称波束分别比中间两个非对称的20.9°和15°的波束功率小。这种四波束的半功率波瓣带宽在3.7°到4.0°之间变化，使波束方向偏差保持在容许范围内。仿真结果表明，该超表面反射阵列天线能够在仰角和方位向上将球面电磁波照射转化为独立方向的多波束。
在固定仰角和方位角的基础上，为了进一步说明波束生成的通用性，本申请扩展到任意指向和不同数量的波束的配置和动态操作。如图8a和图8b所示，不对称双波束和三波束可以很容易通过这种有源超表面的反射阵列天线实现，并伴随着优异的辐射性能。仿真的波束方向分别为(11°,225°)(33°,315°)和(5°,0°)(20°,180°)(30°,315°)，与预先设定的角度吻合度高。尽管辐射功率降低，但仍能生成更多数量的波束。由图8c可以看出，虽然指向(22°、0°)(10°、90°)(10°、270°)(15°、180°)(21°、135°(21°、225°)的模拟六波束具有明显的方向性，但无论是不均匀主瓣幅度不均匀还是较高的SLL，总体性能都较差。类似情况也相应地反映在图8d中的7波束的生成中，其模拟方向为(0°)(11°)(90°)(11°)(270°)(20°)(20°)(270°)(31°)(0°)(31°)(180°)。随后，分别由16×16和32×32反射阵列来实现，具有相同预定角度的四个波束，正如图8e和8f所示。
与后者不同的散射状态相比，前者的波束分裂为5束，无法形成定向波束，这表明阵列尺寸对口径场叠加由相当大的影响。此外，这里引入了优化算法来计算预设角度为(0°、0°)(10°、220°)(15°、135°)(20°、30°)(25°、300°)的编码序列。另外，图8g示出了未优化的3D方向图，图8h示出了优化的3D方向图，二者相比，优化的3D方向图展现了较低的SLL，并且其主瓣的辐射增益差异较小。
需要说明，在图8中，图8a为双波束指向(11°,225°)(33°,315°),图8b为三波束指向(5°,0°)(20°,180°)(30°,315°),图8c为六波束指向(22°,0°)(10°,90°)(10°,270°)(15°,180°)(21°,135°)(21°,225°),图8d为七波束指向(0°,0°)(11°,90°)(11°,270°)(20°,90°)(20°,270°)(31°,0°)(31°,180°),图8e为在16×16阵列中四波束指向(25°,30°)(30°,135°)(22°,220°)(30°,300°),图8f为在32×32阵列中四波束指向(25°,30°)(30°,135°)(22°,220°)(30°,300°),图8g为五波束指向(0°,0°)(10°,220°)(15°,135°)(20°,30°)(25°,300°),图8h为优化的五波束指向(0°,0°)(10°,220°)(15°,135°)(20°,30°)(25°,300°)。
根据上面的示例可知，通过有源超表面的反射阵列天线可以实现大角度指向和有限数量的多波束。当多波束数量小于6时，所述波束具有科比辐射增益，辐射波形独立且均匀。同时，由于它们的偏差都小于1°，与HPBW相比，其指向偏差是可以接受的。然可，随着波束数量的增加，由于反射阵列单元之间的耦合效应，SLL和主瓣振幅的差异缩小。事实上，多波束辐射性能与表面尺寸显著相关。一方面，有源超表面反射阵列表面的单元越多，产生的SLL越低，所需波束的辐射增益和波形越均匀；另一方面，一维量化虽然有助于物理电路的下一步控制，但会导致相位不连续，从而对天线的散射特性产生不可避免的影响。因此，在数值理论计算过程中，采用优化算法获得了理想的相位分布，在一定程度上提高了预置波束在不同角度域的辐射能量均匀性，增强了纯相位有源超表面天线的适应性。
实验及结果
作为实验验证，利用印制电路板(PCB)技术，有源超表面的反射阵列天线的原型如图9a和9b所示，由机械加工制造。其中包含一个有源超表面反射器、一个喇叭馈源天线和一个聚甲基丙烯酸甲酯支撑结构。为了进一步实现自由的伸缩性能，反射部分包括4个面积为256×256mm2紧凑的有源超表面反射阵列。该有源超表面覆盖了两层介质基板，通过小型化设计嵌入了印刷电路、PIN二极管和FPGA控制模块。如图9c所示，该FPGA控制模块由16个ALTERA Cyclones组成，用于接收和处理来自计算机的编码信息，然后控制偏置电路电压，用来实时控制32×32有源超表面反射阵列上PIN二极管的开/关状态，从而导致相位的主动改变。因此，辐射和相移都集成在了反射平面上，这意味着可以通过编程实时动态改变电磁波束的扫描和状态切换。该实验是在如图9d所示的标准微波暗室中进行，有源超表面的反射阵列天线的原型放在转台上，一个定制的X波段喇叭天线作为馈源安置在表面几何中心的前面，焦距为F＝410mm。同时，作为接收器，宽带喇叭天线用于测试该反射阵列天线的远场辐射。两个喇叭天线连接到矢量网络分析仪(Anritsu MS4644A)的两个端口，设定工作频率为9.4GHz。
一方面，该实验验证了有源超表面反射阵列天线的多波束扫描功能。三个正交波束，包括平面(xoz平面)上的对称双波束和/>平面(yoz平面)上的单波束，在俯仰方向上以相等的梯度扫描，其中，10°间隔的归一化方向图选择性地显示在图10a、10b和10c中。可以看出仿真和测试辐射结果基本一致，指向各个仰角的主瓣与计算结果保持一致，这证明了多波束扫描在不同方向上的动态精确调制。同时，当正交波束逐步分离时，辐射增益降低，3dB带宽增加。方位角为10°时的低增益是由反射阵列单元耦合效应引起的；
另一方面，对有源超表面反射阵列天线的多波束切换进行了测试。考虑到实验条件，选择分别在和/>三个观察平面上产生多波束，其远场模式如图10d至10i所示。结合共极化和交叉极化，其测量结果表明，波束的主瓣与仿真结果基本一致，证明了在不同数目和方向性的多波束产生和切换的可行性。由于测量对准和制造公差等因素，以及边缘衍射和镜面反射，副瓣区域在一定程度上存在测量差异。
对于多波束天线的口径效率满足以下公式：
其中，N表示生成的波束数目；A表示口径面积；λ表示工作波长；G表示每个波束的增益。考虑到波束的测试辐射增益，生成的五束和四束的计算口径效率分别为28.6％和23.7％。主要损失来源于溢出效应和单元损失。
尽管直流电路对相位分布的影响很小，但总体而言，有源超表面反射阵列天线的整体辐射性能良好，并且通过实验也充分验证了电控多波束产生的可行性。这种可重构天线的优势在于，只需对FPGA进行可编程处理，辐射和相位控制都可以由反射阵列天线表面本身完成，这样有利于低成本、集成化的阵列天线的研发。
需要说明，在图10中，图10a为仿真的三波束扫描在θ＝30°的三维辐射方向图。图10b和图10c分别为平面和/>平面上仿真和测量的三波束扫描的二维归一化增益。图10d为仿真的指向(29°、45°)(19°、135°)(29°、225°)(19°、315°)的四波束的三维辐射方向图。图10e和10f分别为/>平面和/>平面上仿真和测量的四波束的二维归一化增益。图10g为仿真的指向(10°、0°)(20°、180°)(30°、180°)(19°、135°)(29°、315°)的五波束的三维辐射方向图。图10h和图10i分别为/>平面和/>平面上仿真和测量的五波束的二维归一化增益。
性能比较
如下表2显示了基于超表面天线的性能比较，无论是馈电面或是辐射面，都可以产生多个波束。
表2：多波束超表面天线的性能比较
由表2可以看出，[1]通过改变输入频率实现对称双光束的频率扫描，而三个对称扇形光束的扫描通过切换[2]中的多个馈电点来实现。Berry相位传输阵列[3]仅采用一个馈源，就可以产生四束不对称圆偏振光，具有优异的口径效率。此外，基于单片机[4]的电控天线能够通过变换编码序列来切换波束状态。可以看到，[5]为本公开的反射阵列天线的最大波束为5条，通过实时灵活的调制，具有波束数大、孔径效率高和波束扫描/切换性能好的优点。
综上所述，本公开提出的基于有源超表面反射阵列天线及其制造方法，能够通过单馈实现灵活的动态多波束的独立调制。借助于口径场叠加和相位离散化策略，计算机可以快速响应地获得任意指向多波束所需的编码序列。在FPGA的实时控制下，32×32一维相位可重构有源超表面元件形成表面，执行辐射和相移功能。作为实验验证，电控天线的多波束扫描和状态切换显示出稳定的方向性、良好的效率和HPBW，具有可接受副瓣电平。值得注意的是，由可调谐元件实现的有源超表面反射阵列天线具有实时处理电磁波的有效性和可行性，并且这种新的设计方案在目标跟踪雷达、可重构智能表面(RIS)和多目标通信系统中具有广阔的应用前景。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (8)
1.一种基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，其特征在于，该制造方法包括：
确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；
将N×N个所述有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列，并加载直流电源，建立通信；
进行相位编码计算，得到所述反射阵列天线的相位分布和编码序列，包括：设计产生多波束辐射方向图的相位编码算法，分别用二进制中的“0”表示量化后的0度的相位分布，用二进制中的“1”表示量化后的180度的相位分布，所述有源超表面反射阵列上所需的相位补偿公式包括：
Φf(m,n)＝-k0(Rfmn-F) (1)
其中，k0＝2π/λ0，表示自由空间中的波束；F表示焦距；Rfmn表示馈源相位中心与每个有源超表面反射单元之间的距离；(m,n)表示第(m,n)个有源超表面反射单元；
通过改变目标方向的相位编码序列，产生各种不同所述多波束辐射方向图；
为了在远场产生多个独立方向的铅笔状光束，利用与每个所述波束相关的口径场叠加策略，该相位相加后的分布满足：
其中，表示瞄准方向为/>的第l个光束在坐标轴xoy平面的单位投影矢量；
通过相位相加，其相位分布包括：
其中，ΦMB表示在每个有源超表面反射单元上实现多波束所需的连续相位；表示第(m,n)个有源超表面反射单元的位置矢量。
2.根据权利要求1所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，其特征在于，在所述进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤中，为了建立有源超表面反射单元运行的二进制编码相位模式，根据模糊相位近似原理，进行相位二进制离散量化，包括：
其中，为常数，表示有源超表面反射单元的中心的参考相位；
获得所述相位编码序列后，根据反射阵列天线理论近似地执行远场所述多波束辐射方向图，包括：
其中，θ表示球面坐标系中的仰角；表示球面坐标系中的方位角；m表示矩形阵列在x方向的个数；n表示矩形阵列在y方向的个数；Fe(m,n)表示第(m,n)个有源超表面反射单元的方向图函数；Γf(m,n)表示第(m,n)个有源超表面反射单元的反射系数；/>表示第(m,n)个有源超表面反射单元的位置矢量，u表示空间位置矢量。
3.根据权利要求1或2所述制造方法制造的有源超表面的反射阵列天线，其特征在于，包括：
有源超表面反射阵列，所述有源超表面反射阵列包括N×N个均匀排布的有源超表面反射单元；
可编程门阵列控制模块，所述可编程门阵列控制模块与所述有源超表面反射阵列上的电路连通；
馈源天线，所述馈源天线位于所述有源超表面反射阵列上方，用于向所述有源超表面反射阵列传输电磁波。
4.根据权利要求3所述反射阵列天线，其特征在于，所述有源超表面反射阵列包括由上至下依序设置的：
第一金属层，所述第一金属层包括有金属贴片、PIN二极管元件和枝节贴片；
第一高频介质基板，所述第一高频介质基板的表面印制有所述金属贴片，并镶嵌有所述PIN二极管和所述枝节贴片；
第二金属层，所述第二金属层的表面印制在所述第一高频介质基板的底面；
第二高频介质基板，所述第二金属层的底面印制在所述第二高频介质基板的表面；
第三金属层：所述第三金属层印制在所述第二高频介质基板的底面；
其中，所述PIN二极管与所述第二金属层通过第一金属柱连通；所述金属贴片与所述第三金属层通过第二金属柱连通，并且所述第二金属柱与所述枝节贴片共同构成偏置电路。
5.根据权利要求4所述反射阵列天线，其特征在于，在微波工作频段，所述PIN二极管在导通状态下的等效电路为串联，其电阻Rπ＝0.5Ω，电感Lπ＝0.7nH；在静止状态下的等效电路为串联，其电感L0＝0.5nH、电容C0＝0.24pF；两种状态下，所述PIN二极管均具有低插入损耗。
6.根据权利要求5所述反射阵列天线，其特征在于，所述第一高频介质基板为TaconicTLX-8，所述Taconic TLX-8的厚度为1.5mm，所述Taconic TLX-8的介电常数εr＝2.55，所述Taconic TLX-8的介电损耗角tanδ＝0.0019。
7.根据权利要求6所述反射阵列天线，其特征在于，所述第二高频介质基板为FR4，所述FR4的厚度为0.5mm，所述FR4的介电常数εr＝4.4，所述FR4的介电损耗角tanδ＝0.02。
8.根据权利要求7所述反射阵列天线，其特征在于，所述有源超表面反射阵列包括32×32个均匀排布的有源超表面反射单元；所述有源超表面反射阵列的边长p＝16mm；所述金属贴片的宽度lx在6.0mm至6.6mm之间，所述金属贴片的长度ly在9.3mm至9.9mm之间。
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