CN115632245A - 一种波导结构电磁表面波束扫描阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种波导结构电磁表面波束扫描阵列，该波束扫描阵列包括多层电磁表面结构和波导结构，电磁表面结构包括若干阵列排布的电磁表面单元，多层电磁表面结构层间通过介质层分隔，相邻的电磁表面单元通过波导结构隔离。本发明可用于便携式卫星通信，具有低剖面、高共形、低成本、低功耗、易加工、易实现等特点。

Description

一种波导结构电磁表面波束扫描阵列
技术领域
本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种波导结构电磁表面波束扫描阵列。
背景技术
自上世纪开始，无线通信技术得到飞速发展，天线在雷达、广播、电子对抗、导航等各个领域都有着广泛的应用。现代通信需处理的信息量和信息复杂程度不断提升，要求传输过程中信号的损失越小越好。考虑到现代通信的需求，功能单一的天线已经逐渐被淘汰，并对天线性能提出了更高的要求，诸如宽带、波束扫描、极化可重构等。
但是因为传统介质透镜尺寸与重量较大，以及在渐变介电常数透镜实现时因分层介质造成阻抗突变容易引起较大损耗，同时也带来加工困难等问题。为了克服上述不足，利用电磁表面阵列实现渐变相位延迟，利用电磁表面尺寸小与重量轻的优势，可以实现毫米波频段的电磁透镜，达到高增益、低旁瓣的同时实现轻量化于小型化。
电磁表面波束扫描技术是近年来从超材料技术中所衍生出来的前沿研究方向，对于新型电扫天线的设计具有重要意义，其具有低成本、低功耗、剖面低和灵活可控等优势特性，在电磁场辐射、隐身等领域具有重要的应用前景。电磁表面是通过在亚波长人工层状周期结构材料(超材料)单元加载PIN二极管、MEMS开关或变容二极管等有源器件来改变单元工作状态，利用FPGA电路系统实时控制电磁表面天线的调制状态，进而实现对空域电磁波的动态可控，引入电磁表面可通过设计增大波束扫描的带宽，加工难度也大幅减小，对工艺要求降低。
利用无源相位梯度电磁表面设计波束扫描是一个重要的研究方向，但是传统的无源电磁表面波束扫描设计仍存在着明显的缺点：在制备完成后，就无法再调节其功能和电磁特性，工作模式调控仍不够灵活。
然而实际应用中，需要在两种或者多种扫描角度间进行动态切换，即动态可调人工电磁超材料。实现动态可调的方法通常有以下三种：1、改变(物理)结构，可采用拉伸、旋转等机械操作方式；2、改变电响应，本质上就是改变材料性质，可使用可变性质的介质材料，如铁氧体、半导体材料或相变材料等；3、使用有源器件，如PIN管、变容二极管等。通过调节有源器件的偏置电压以改变单元结构等效电路模型中的电容值或电阻值等，从而实现对单元电磁特性的动态调节。本方案为实现可重构波束扫描电磁表面，采用电调节方式，具有操作简单，切换速度快、调控灵活等优点。
采用电调节方式的电磁表面有加载PIN管、变容二极管等方式：如《Polarization-Reconfigurable Circularly Polarized Planar Antenna Using SwitchablePolarizer》中利用加载PIN管的电磁表面设计的线-圆极化转换器，通过切换不同PIN管的通/断状态，改变不同电磁表面单元的工作状态，实现透射波的左/右旋圆极化的切换。然而采用导通的PIN管会产生直流功耗，适用于频率较低的结构，且调控状态离散，无法满足连续扫描相位要求。如《FSS-Inspired Transmitarray for Two-Dimensional AntennaBeamsteering》中在电磁表面上加载变容二极管，通过设置不同的电压值，得到不同的二维电子扫描波束，然而这种组合方式会导致电磁表面单元存在互耦，导致副瓣过高。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种波导结构电磁表面波束扫描阵列。本发明通过改变变容二极管偏置电压可调整变容二极管电容大小以得到不同递进相位差的透射波，从而实现有效的电子扫描波束，同时将电磁表面单元放置于波导结构中，最大程度地减少了电磁表面单元之间的互耦和横向辐射。本发明可用于高性能的便携式卫星通信、低慢小目标探测等场合，具有低剖面、高共形、频带宽，调控灵活，低成本、低功耗、易加工、易实现等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种波导结构电磁表面波束扫描阵列，该波束扫描阵列包括：多层电磁表面结构和波导结构，电磁表面结构包括若干阵列排布的电磁表面单元，多层电磁表面结构层间通过介质层分隔，相邻的电磁表面单元通过波导结构隔离。
进一步地，提出两种电磁表面结构的实现方式；
方式一，每层电磁表面结构包含介质基板和印刷于所述介质基板正反两面的周期排列的金属图案；
介质基板正面印刷的金属图案由内实心金属贴片、外方形金属环以及垂直偏置线构成，内实心金属贴片和外方形金属环之间对称加载变容二极管，垂直偏置线与外方形金属环相连，用于改变透射波的电磁特性；
介质基板背面印刷的金属图案为水平地偏置线；
所述垂直偏置线和所述水平地偏置线用于给变容二极管提供偏置电压；通过改变所述变容二极管的偏置电压调整变容二极管的电容大小，从而得到不同递进相位差的透射波，实现有效的电子扫描波束。
方式二，每层电磁表面结构包括若干层介质基板，相邻介质基板之间设有周期排列的金属图案，最外侧的两个介质基板外侧设有对称加载变容二极管的周期排列的金属图案，至少一层的中间层金属图案为变容二极管提供偏置电压，其他的中间层金属图案为电磁表面结构扩展工作带宽。
进一步地，多层电磁表面结构层间介质层的介电常数高于电磁表面结构介质基板的介电常数，形成高低介电常数材料交替分布，消除电磁表面结构存在的寄生谐振腔模式，同时也大大降低电磁表面的剖面高度。
进一步地，所述变容二极管在水平方向或垂直方向加载，加载方向与入射波极化方向相同。或者，所述变容二极管同时在水平方向和垂直方向加载，垂直方向的变容二极管用于调控入射为垂直方向线极化的电磁波，水平方向的变容二极管用于调控入射为水平方向线极化的电磁波，通过加载正交方向变容二极管同时控制正交方向极化的电磁波。
进一步地，所述波导结构采用封闭结构，所述电磁表面单元放置于所述波导结构的内部，所述波导结构一端馈入电磁波，另一端将电磁波辐射到自由空间，波导壁上的电场强度为零，进而实现隔离电磁表面单元，最大程度地减小电磁表面单元之间的互耦和横向辐射。
进一步地，所述波导结构为脊波导结构或介质填充波导结构，所述脊波导结构包括单脊波导结构、双脊波导结构、正交脊波导结构。
进一步地，所述波导结构通过金属直接加工成波导腔体的方式实现，或者通过使用金属化通孔代替金属波导壁的方式实现。
进一步地，通过设计波导结构的尺寸，保证电磁波在目标频段单模传输，且避免扫描波束中出现栅瓣，具体为：波导结构的腔体长和宽分别为A和B，其中A<λ0/2，B<λ0/2，避免扫描波束中出现栅瓣，其中λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长；所述波导结构中，传播的电磁波模式为TEmn，m、n代表模式数，主模截止频率
Figure BDA0003913948900000031
其中v为相速，通过调整腔体长A和宽B，使得目标频率f满足fc＜f＜fh，fh为高次模截止频率，保证电磁波在目标频段单模传输。
进一步地，所述介质基板可以增加为三层，在最外侧的两个介质基板外侧印刷金属图案加载变容二极管，中间一层印刷水平地偏置线，一层印刷十字金属图案用于扩展工作带宽。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1、该新型波导结构电磁表面波束扫描阵列由于采用多层结构，具备宽带特性；
2、该新型波导结构电磁表面波束扫描阵列由于采用变容二极管，无需直流功耗，可用于高性能毫米波天线阵列；
3、该新型波导结构电磁表面波束扫描阵列由于采用波导结构，能够最大程度地减小电磁表面单元之间的互耦和横向辐射。
附图说明
图1为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列正视示意图；
图2为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列背视示意图；
图3为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列侧视示意图；
图4为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列扫描水平30°远场方向图；
图5为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列扫描水平45°远场方向图；
图6为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列采用双脊波导结构的正视示意图；
图7为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列采用正交脊波导结构的正视示意图；
图8为本发明实施例的波导结构电磁表面波束扫描阵列采用方波导结构的正视示意图；
图9为本发明实施例的多层电磁表面结构双介质基板示意图；
图10为本发明实施例的多层电磁表面结构三介质基板示意图；
图11为本发明实施例的多层电磁表面结构双频双极化金属图案示意图。
具体实施方式
下面将结合本实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。
参考图1、图2、图3所示，本发明实施例提供的新型波导结构电磁表面波束扫描阵列，包括多层电磁表面结构7和波导结构8；电磁表面结构7包括若干阵列排布的电磁表面单元，多层电磁表面结构7层间通过介质层分隔；相邻的电磁表面单元通过波导结构8隔离。
在一个实施例中，电磁表面结构7包含介质基板1和印刷于所述介质基板1正反两面的周期排列的金属图案；介质基板1正面印刷的金属图案由内实心金属贴片2、外方形金属环3以及垂直偏置线5构成，内实心金属贴片2和外方形金属环3之间对称加载变容二极管4，垂直偏置线5与外方形金属环3相连，用于改变透射波的电磁特性；介质基板1背面印刷的金属图案为水平地偏置线6；所述垂直偏置线5和所述水平地偏置线6用于给变容二极管4提供偏置电压；通过改变所述变容二极管4的偏置电压调整变容二极管4的电容大小，从而得到不同递进相位差的透射波，实现有效的电子扫描波束。所述介质基板1正面金属图案间对称加载变容二极管4，加载方向与入射波极化方向相同。
在一个实施例中，多层电磁表面结构的介质基板材料选用为Rogers RO4350B，相对介电常数为3.48，多层电磁表面结构层间介质层选用Rogers RT6010，相对介电常数为10.2，形成高低介电常数材料交替分布，消除电磁表面结构存在的寄生谐振腔模式，同时也大大降低电磁表面的剖面高度，实现的剖面高度约为半波长。
所述波导结构采用封闭结构，所述电磁表面单元放置于所述波导结构的内部，所述波导结构一端馈入电磁波，另一端将电磁波辐射到自由空间，波导壁上的电场强度为零，进而实现隔离电磁表面单元，最大程度地减小电磁表面单元之间的互耦和横向辐射。通过设计波导结构的尺寸，保证电磁波在目标频段单模传输，且避免扫描波束中出现栅瓣。
在一个实施例中，波导结构8的腔体长和宽分别为A和B，其中A<λ0/2，B<λ0/2，避免扫描波束中出现栅瓣，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长。波导结构中传播的电磁波模式为TEmn，m、n代表模式数，主模截止频率
Figure BDA0003913948900000051
其中v为相速，通过调整腔体长A和宽B，使得目标频率f满足fc＜f＜fh，fh为高次模截止频率，保证电磁波在目标频段单模传输。
所述波导结构为脊波导结构或介质填充波导结构，所述脊波导结构包括单脊波导结构、双脊波导结构、正交脊波导结构。所述波导结构通过金属直接加工成波导腔体的方式实现，或者通过使用金属化通孔代替金属波导壁的方式实现。
在一个实施例中，选用的波导结构8为单脊波导结构，单脊波导结构长边A＝12.0mm，宽边B＝9.5mm，金属脊宽度s＝4.2mm，金属脊高度h＝4.0mm。
计阵列最左侧单元为第0个单元，在电磁波通过相控电磁表面时，为了实现波束角度偏转θ，该透射波与相隔n个周期的电磁表面单元产生的相移γn可通过下式计算获得：
Figure BDA0003913948900000052
其中，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长，p为周期大小，n为自然数，k0为传播常数，由此可以通过计算得到产生相移γn需要每个电磁表面单元产生的相移an＝-γn+α0+2πi，α0为第0个单元需要产生的相移。在实际中，当x方向第i个单元的变容管的偏置电压为Vi，变容管电容值等于Ci，产生的相移为Φi，第j个单元的变容管的偏置电压为Vj，变容管电容值等于Cj，产生的相移为Φj。当Φj-Φi＝γj-i+2πm，m为自然数，则透射波仍为平面波，波束偏转角度为θ。
采用电磁仿真软件对本发明的波导结构电磁表面波束扫描阵列进行仿真，通过设置不同的电容值得到仿真结果如图4、图5所示，分析图4可知，在频点11.7GHz处，主波束方向偏转为30°，增益18.2dBi，副瓣电平-12.4dB，分析图5可知，在频点11.7GHz处，主波束方向偏转为45°，增益17.4dBi，副瓣电平-12.8dB。看出本发明的波导结构电磁表面波束扫描阵列具有高增益、低副瓣的特性。
参考图6、图7所示，脊波导结构也可以是双脊波导结构或者正交脊波导结构，类似地，将电磁表面单元放置于双脊波导的中心，或者正交脊波导的中心，参考图8所示，波导结构也可以是介质填充波导结构，此时需要在层间填充介质，层间填充介质的介电常数高于电磁表面结构介质基板的介电常数，保证电磁波的传输且能够降低多层电磁表面结构的剖面高度。
参考图9、图10所示，所述电磁表面结构可以为多层结构，金属图案层数比介质基板1层数多一层，当介质基板1为两层时，金属图案为三层，最外侧两层加载变容管，中间层为变容二极管提供偏置电压；当介质基板1为三层时，金属图案为四层，最外侧两层加载变容管，中间两层，其中一层为变容二极管提供偏置电压，另外一层为匹配层，为电磁表面结构扩展工作带宽。
参考图11所示，所述电磁表面结构可以双极化工作，在水平方向和垂直方向分别加载两个变容二极管，所述水平方向的变容二极管可以调控入射为水平方向线极化的电磁波，所述垂直方向的变容二极管可以调控入射为垂直方向线极化的电磁波，两个方向的变容二极管互不干扰，可实现正交极化方向的电磁波调控。
以上是本发明实施例的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出本发明波导结构电磁表面波束扫描阵列。本发明波导结构电磁表面波束扫描阵列具有低成本、低功耗、易加工、易实现等特点，可用于高性能的便携式卫星通信、低慢小目标探测等场合。但是，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，该波束扫描阵列包括：多层电磁表面结构和波导结构，电磁表面结构包括若干阵列排布的电磁表面单元，多层电磁表面结构层间通过介质层分隔，相邻的电磁表面单元通过波导结构隔离。
2.根据权利要求1所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，每层电磁表面结构包含介质基板和印刷于所述介质基板正反两面的周期排列的金属图案；
介质基板正面印刷的金属图案由内实心金属贴片、外方形金属环以及垂直偏置线构成，内实心金属贴片和外方形金属环之间对称加载变容二极管，垂直偏置线与外方形金属环相连，用于改变透射波的电磁特性；
介质基板背面印刷的金属图案为水平地偏置线；
所述垂直偏置线和所述水平地偏置线用于给变容二极管提供偏置电压；通过改变所述变容二极管的偏置电压调整变容二极管的电容大小，从而得到不同递进相位差的透射波，实现有效的电子扫描波束。
3.根据权利要求1所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，每层电磁表面结构包括若干层介质基板，相邻介质基板之间设有周期排列的金属图案，最外侧的两个介质基板外侧设有对称加载变容二极管的周期排列的金属图案，至少一层的中间层金属图案为变容二极管提供偏置电压，其他的中间层金属图案为电磁表面结构扩展工作带宽。
4.根据权利要求2或3所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，多层电磁表面结构层间介质层的介电常数高于电磁表面结构介质基板的介电常数，形成高低介电常数材料交替分布，消除电磁表面结构存在的寄生谐振腔模式，同时也大大降低电磁表面的剖面高度。
5.根据权利要求2或3所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，所述变容二极管在水平方向或垂直方向加载，加载方向与入射波极化方向相同。
6.根据权利要求2或3所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，所述变容二极管同时在水平方向和垂直方向加载，垂直方向的变容二极管用于调控入射为垂直方向线极化的电磁波，水平方向的变容二极管用于调控入射为水平方向线极化的电磁波，通过加载正交方向变容二极管同时控制正交方向极化的电磁波。
7.根据权利要求1所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，所述波导结构采用封闭结构，所述电磁表面单元放置于所述波导结构的内部，所述波导结构一端馈入电磁波，另一端将电磁波辐射到自由空间，波导壁上的电场强度为零，进而实现隔离电磁表面单元，最大程度地减小电磁表面单元之间的互耦和横向辐射。
8.根据权利要求1所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，所述波导结构为脊波导结构或介质填充波导结构，所述脊波导结构包括单脊波导结构、双脊波导结构、正交脊波导结构。
9.根据权利要求1所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，所述波导结构通过金属直接加工成波导腔体的方式实现，或者通过使用金属化通孔代替金属波导壁的方式实现。
10.根据权利要求1所述的波导结构电磁表面波束扫描阵列，其特征在于，通过设计波导结构的尺寸，保证电磁波在目标频段单模传输，且避免扫描波束中出现栅瓣，具体为：波导结构的腔体长和宽分别为A和B，其中A<λ0/2，B<λ0/2，避免扫描波束中出现栅瓣，其中λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长；所述波导结构中，传播的电磁波模式为TEmn，m、n代表模式数，主模截止频率
Figure FDA0003913948890000021
其中v为相速，通过调整腔体长A和宽B，使得目标频率f满足fc＜f＜fh，fh为高次模截止频率，保证电磁波在目标频段单模传输。
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