CN116387840A - 幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线 - Google Patents

幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线，涉及微波天线技术领域，所述超构表面包括若干个超构表面单元，用于对馈源天线辐射出的圆极化波进行透射后得到透射波，在透射的同时对圆极化波进行幅度和相位的调制，超构表面单元包括叠放设置的第一介质板和第二介质板；第一介质板在远离第二介质板的表面设有工作极化方式为椭圆极化的接收贴片，接收贴片的中心蚀刻有第一矩形缝隙，第一介质板在靠近第二介质板的表面设有第一金属地板；第二介质板在远离第一介质板的表面设有工作极化方式为圆极化的发射贴片，第二介质板在靠近第一介质板的表面设置有第二金属地板；接收贴片与发射贴片通过金属化过孔连接。

Description

幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线
技术领域
本发明属于微波天线技术领域，特别是透射阵天线技术领域，具体涉及一种幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线。
背景技术
超构表面是由人工设计的亚波长结构单元在二维平面内按照特定规律排列所构成的表面，通过对超构表面单元的结构尺寸和排布进行设计，可以实现对电磁波的波矢、幅度、相位、极化方式等特性的自由调控，尤其是对电磁波的幅相联合调制。现有的幅相联合调制超构表面主要利用的是极化转换原理，基于极化转换原理实现对各个极化分量的幅度控制和相位调制。目前对于线极化的幅相联合调制研究较为成熟，利用线极化幅相联合调制超构表面对透射阵天线馈源的口径分布进行幅度、相位补偿，可以在远场实现具有高增益的低副瓣波束，相较于传统通过复杂馈电网络实现低副瓣而言，通过超构表面进行波束调控具有结构更简单、设计更容易、加工更便捷、成本更低廉等优势。但是针对圆极化的幅相联合调制鲜有报道，且该类型的超构表面在低副瓣透射阵天线中的应用还较少。
可见，研究并提出一种针对圆极化的幅相联合调制超构表面、并基于该类型超构表面的提出设计出低副瓣透射阵天线很有必要，以期进一步提高超构表面的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种幅相联合调制超构表面和包含该超构表面的透射阵天线，以解决现有技术中针对圆极化还未提出可行的幅相联合调制超构表面以及还未将幅相联合调制超构表面应用到低副瓣圆极化透射阵天线中的技术问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
第一方面
本发明的第一方面提出了一种幅相联合调制超构表面，包括若干个超构表面单元，超构表面单元用于对馈源天线辐射出的圆极化波进行透射后得到透射波，在透射的同时还对所述圆极化波进行幅度和相位的调制，超构表面单元包括叠放设置的第一介质板和第二介质板；
第一介质板在远离第二介质板的表面设置有工作极化方式为椭圆极化的接收贴片，接收贴片的中心蚀刻有第一矩形缝隙，第一介质板在靠近第二介质板的表面设置有第一金属地板；
第二介质板在远离第一介质板的表面设置有工作极化方式为圆极化的发射贴片，第二介质板在靠近第一介质板的表面设置有第二金属地板；
接收贴片与发射贴片通过自第一介质板至第二介质板方向贯穿设置的金属化过孔连接。
进一步改进地，超构表面单元对所述圆极化波进行幅度调制时，第一矩形缝隙围绕过接收贴片中心的第一轴线进行旋转，且第一轴线与接收贴片垂直，第一矩形缝隙的旋转角根据透射波的幅度补偿分布确定；
超构表面单元对所述圆极化波进行相位调制时，接收贴片、发射贴片和金属化过孔作为整体围绕超构表面单元自身的中心轴线进行旋转，接收贴片、发射贴片和金属化过孔作为整体的旋转角根据透射波的相位补偿分布确定。
进一步改进地，所述幅度补偿分布根据馈源天线在焦平面的幅度分布、透射波的目标副瓣电平和基于泰勒分布计算得到的透射波的目标幅度确定，所述相位补偿分布根据馈源天线在焦平面的相位分布确定。
进一步改进地，所述金属化过孔包括开设在所述接收贴片上的第一金属化过孔、开设在第一金属地板上的第一过孔、开设在所述发射贴片上的第二金属化过孔和开设在第二金属地板上的第二过孔，第一金属化过孔、第二金属化过孔、第一过孔和第二过孔的中心均重合。
进一步改进地，所述接收贴片为偏馈圆形贴片。
进一步改进地，所述发射贴片为偏馈圆形贴片，发射贴片的中心蚀刻有第二矩形缝隙。
本发明的第一方面带来的有益效果为：
基于极化失配原理，接收贴片只能接收来自馈源天线的部分入射圆极化波，基于极化转换原理，通过改变第一矩形缝隙的旋转角，将有效的极化分量的能量转移到无效极化分量上，以实现对透射波有效极化分量幅度的控制，通过改变接收贴片、发射贴片和金属化过孔作为整体进行旋转的旋转角，以实现对透射波相位的调制，上述幅度调制时的旋转角基于馈源天线焦平面的幅度分布计算出的幅度补偿分布进行确定，上述相位调制时的旋转角基于馈源天线焦平面的相位分布计算出的相位补偿分布进行确定；
综上所述，通过级联不同工作极化和轴比的椭圆极化接收贴片和圆极化发射贴片，实现了0~1的透射幅度调制和360°的几何相位调制，据此针对圆极化实现了幅相联合调制的超构表面。
第二方面
本发明的第二方面提出了一种透射阵天线，包括工作极化方式为圆极化的馈源天线和本发明第一方面所述的幅相联合调制超构表面，所述馈源天线用于辐射出圆极化波，所述幅相联合调制超构表面用于对馈源天线辐射出的所述圆极化波进行透射，在透射的同时还对圆极化波进行幅度和相位的调制。
进一步改进地，所述幅相联合调制超构表面内的所有超构表面单元组成圆形阵列。
进一步改进地，所述馈源天线为微带型切角圆极化天线。
本发明的第二方面带来与第一方面相同的有益效果，在此不再赘述。此外，本发明实现的透射阵天线兼具了低副瓣和高增益特性。
附图说明
图1为超构表面单元的一种结构示意图；
图2为接收贴片的一种结构示意图；
图3为发射贴片的一种结构示意图；
图4为第一金属地板的一种结构示意图；
图5为接收/发射贴片的辐射性能仿真示意图；
图6为图5中接收/发射贴片的结构示意图；
图7为图5中接收/发射贴片的仿真轴比曲线；
图8为旋转角
Figure SMS_1
变化时，超构表面单元的透射幅度响应；
图9为旋转角
Figure SMS_2
变化时，超构表面单元的透射相位响应；
图10为旋转角
Figure SMS_3
和旋转角/>
Figure SMS_4
变化时，超构表面单元的透射幅度响应和相位响应；
图11为馈源天线在焦平面的幅度和相位分布、透射阵天线的目标幅度以及超构表面需要补偿的相位分布；
图12为透射阵天线APTA在9.9 GHz处的E面归一化方向图；
图13为透射阵天线APTA在9.9 GHz处的H面归一化方向图；
图14为仅有相位调制的参考透射阵天线在9.9 GHz处的E面归一化方向图；
图15为仅有相位调制的参考透射阵天线在9.9 GHz处的H面归一化方向图；
图16为透射阵天线在9.6~10.4 GHz范围内的端射增益和轴比仿真和测试图；
图17为透射阵天线在9.6~10.4 GHz范围内的最高副瓣电平仿真和测试图；
图中，1、第一介质板；2、第二介质板；3、接收贴片；4、发射贴片；5、金属化过孔；501、第一金属化过孔；502、第二金属化过孔；503、第一过孔；6、预浸材料层；7、第一矩形缝隙；8、第二矩形缝隙；9、第一金属地板；10、第二金属地板。
具体实施方式
下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下述实施例一和实施例二需一并参阅图1至图17。
实施例一
如图1-图4所示，本实施例提供了一种幅相联合调制超构表面，应用于圆极化透射阵天线，具体包括若干个超构表面单元，超构表面单元用于对入射波进行透射后得到透射波，在对入射波进行透射的同时还对入射波的幅度和相位进行调制，入射波为透射阵的馈源天线辐射出的圆极化波。超构表面单元包括上下叠放的第一介质板1和第二介质板2，第一介质板1位于上端，第二介质板2位于下端。可知的，第一介质板1与第二介质板2之间通常加入预浸材料层6（Prepreg）进行压合。第一介质板1在其上表面印刷有工作极化方式为椭圆极化的接收贴片3，接收贴片3的中心蚀刻有第一矩形缝隙7，第一介质板1在其下表面印刷有第一金属地板9。第二介质板2在其下表面印刷有工作极化方式为圆极化的发射贴片4，第二介质板2在其上表面印刷有第二金属地板10。接收贴片3与发射贴片4经金属化过孔5实现级联，金属化过孔5用于传输感应电流，金属化过孔包括接收贴片3上开设的第一金属化过孔501、发射贴片4上开设的第二金属化过孔502、第一金属地板9上开设的第一过孔503和第二金属地板10上开设的第二过孔（附图中未示出），第一金属化过孔501、第二金属化过孔502、第一通孔和第二通孔的中心均重合。一般的，若入射波方向为Z轴方向，接收贴片3所在平面则为XOY平面，接收贴片3的中心位于坐标系原点位置。
本实施例中，超构表面单元为实现对入射波的幅度调制，基于预先获悉的透射波的幅度补偿分布确定出第一矩形缝隙7所需旋转的角度，记为旋转角
Figure SMS_5
。第一矩形缝隙7旋转的过程为：第一矩形缝隙7围绕过接收贴片3中心的第一轴线进行旋转，旋转角度为/>
Figure SMS_6
，且第一轴线与接收贴片3垂直。
本实施例中，超构表面单元为实现对入射波的相位调制，基于预先获悉的透射波的相位补偿分布确定出接收贴片3、发射贴片4和金属化过孔5作为整体进行旋转的角度，记为旋转角
Figure SMS_7
。接收贴片3、发射贴片4和金属化过孔5作为整体旋转的过程为：围绕超构表面单元其自身的中心轴线进行旋转，旋转角度为/>
Figure SMS_8
。
在一些实施例中，第一介质板1和第二介质板2均为FR4介质板，FR4介质板的介电常数为2.65，损耗角正切为0.001；接收贴片3为中间蚀刻有第一矩形缝隙7的偏馈圆形贴片；发射贴片4的结构与接收贴片3相同，也为偏馈圆形贴片，并且中间蚀刻有第二矩形缝隙8。
本实施例中超构表面单元进行幅度调制的原理为：
根据预先确定的透射波幅度补偿分布得到第一矩形缝隙7的旋转角
Figure SMS_9
（如图6中所示的夹角），使得第一矩形缝隙7按照旋转角/>
Figure SMS_10
进行旋转，从而改变接收贴片3的工作极化和轴比，使得接收贴片3所接收到的电磁波能量被调制。理论推导过程如下：
根据天线的极化匹配理论可知，当超构表面单元被圆极化波照射时，接收贴片3接收的能量可以根据下述公式一定量计算：
Figure SMS_11
；
其中，Kc表示接收贴片3接收的能量，r1表示入射波的轴比，r2表示接收贴片3的轴比，Δσ是入射波和接收贴片3极化方式的线极化比相位差，上式中“±”号取“＋”表示入射波和接收贴片3极化旋向一致，取“－”表示入射波和接收贴片3极化旋向相反。
在不考虑接收贴片3和发射贴片4之间阻抗失配的情况下，发射贴片4辐射的圆极化波幅度可以根据下述公式二定量计算：
Figure SMS_12
；
其中，r 3为发射贴片4的轴比，本实施例中r 3优化为1.02， |T 1|为与发射贴片4同旋向极化分量的幅值，|T 2|为与发射贴片4不同旋向极化分量的幅值。若入射波固定为右旋圆极化波、发射贴片4固定为左旋圆极化贴片时，由公式一可知，当接收贴片3的第一矩形缝隙7的旋转角
Figure SMS_13
从-45°变化到45°时，接收贴片3接收的能量将被调制，由公式二可知，当选定左旋圆极化波为有效极化分量时，发射贴片4将辐射具有幅度调制特性的左旋极化波到透射空间，且几乎不辐射右旋圆极化波。
本实施例中超构表面单元进行透射波相位调制的原理为：
根据预先获悉的透射波相位补偿分布得到旋转角
Figure SMS_14
（如图1中的旋转方式），即为：根据旋转角/>
Figure SMS_15
，将接收贴片3、发射贴片4和金属化过孔5作为整体绕着超构表面单元的垂直中轴线进行旋转，从而引入透射波几何相位的变化。
结合上述理论分析，如图5-图7所示，对超构表面单元进行仿真实现。首先，进行相关参数设定，第一介质板1和第二介质板2的厚度均为2mm，接收贴片3和发射贴片4的尺寸设定如下：第一矩形缝隙7/第二矩形缝隙8的长边的一半l=5mm，第一矩形缝隙7/第二矩形缝隙8的短边w=1.7mm，第一介质板1、第二介质板2、第一金属地板9和第二金属地板10均为方形，方形的边长p= 12 mm，接收贴片3和发射贴片4均采用偏振圆形贴片，偏振圆形贴片的半径r= 5.8 mm，接收贴片3的中心（圆心）与第一金属化过孔501中心之间的间距s= 7.9 mm，发射贴片4的中心（圆心）与第二金属化过孔502中心之间的间距s= 7.9 mm，第一金属地板9上第一过孔503和第二金属地板10上第二过孔的孔直径r v = 0.6 mm且孔焊盘直径r k = 1.8mm。然后，采用周期边界以及波导端口仿真计算接收/发射贴片的辐射性能，通过参数优化，将接收/发射贴片4的中心工作频率调至10 GHz。根据图7所示的轴比曲线可以看出：当旋转角
Figure SMS_16
为-45°时，该贴片可以辐射或者接收右旋圆极化波（Right-handed circularlypolarized waves，RCP），此时轴比为1.02；当旋转角/>
Figure SMS_20
为小于0°且大于-45°时，该贴片可以辐射或者接收右旋椭圆极化波（RECP）；当旋转角/>
Figure SMS_22
为45°时，该贴片可以辐射或者接收左旋圆极化波(Left-handed circularly polarized waves，LCP)，此时轴比为1.02；当旋转角
Figure SMS_17
为小于45°且大于0°时，该贴片可以辐射或者接收左旋椭圆极化波（LECP）。再者，对旋转角/>
Figure SMS_21
变化时，超构表面单元的透射幅度和相位进行仿真，仿真结果如图8至图9所示。图8至图9中，记T ij 为j极化波入射时i极化波的透射系数，R和L分别代表右旋圆极化波（RCP）和左旋圆极化波（LCP），|T ij |为透射幅度。由图8可知，根据公式一和公式二理论计算的结果和仿真计算结果高度吻合：在右旋圆极化波照射下，超构表面单元可以实现对透射左旋圆极化波0~1的幅度调控，且使透射右旋圆极化波的幅度保持在0.03以下，因此超构表面单元还具有了高极化纯度特性。此外，如图9所示，由于改变旋转角/>
Figure SMS_23
会影响超构表面单元的谐振特性，这会带来一定的相位漂移。最后，通过整体旋转接收贴片3、发射贴片4和金属化过孔来对透射波相位进行调控。图10示出了当旋转角/>
Figure SMS_24
和/>
Figure SMS_18
变化时超构表面单元的透射幅度响应和相位响应，由图可知，通过改变旋转角/>
Figure SMS_19
，能够引入几何相位，却几乎不会影响透射幅度。
综上，本实施例基于极化匹配理论，通过级联不同工作极化和轴比的椭圆极化接收贴片3和圆极化发射贴片4，超构表面单元实现了对入射波透射时0~1的透射幅度调制和360°的几何相位调制。
实施例二
本实施例基于实施例一实现的幅相联合调制超构表面设计了一种低副瓣圆极化的透射阵天线，透射阵天线将工作极化方式为圆极化的馈源天线作为馈源，实施例一实现的幅相联合调制超构表面对馈源辐射出的圆极化波进行透射，透射时还对圆极化波进行幅度和相位的调制。
在一些实施例中，馈源天线为微带馈源天线，且为切角圆极化天线。
本实施例中，选择馈源天线为切角圆极化贴片天线，超构表面具有349个超构表面单元，349个超构表面单元组成用于透射的圆形阵（Amplitude-phase transmit array，APTA），焦距设置为140mm。通过仿真计算，位于图11的左上侧的子图示出了10GHz处馈源天线在焦平面的幅度分布（记为I）。位于图11的右上侧的子图示出了10GHz处馈源天线在焦平面的相位分布（记为P）。将透射阵天线的目标副瓣电平设置为-30dB，目标幅度分布（记为AT）由泰勒分布计算获得，如图11左下侧的子图所示。因此超构表面需要补偿的幅度分布（幅度补偿分布）AM= AT/ I。超构表面需要补偿的相位分布（相位补偿分布）PM= -P，如图11右下侧的子图所示。在得到幅度补偿分布和相位补偿分布后，通过超构表面对馈源天线焦平面幅度和相位分布进行补偿。通过仿真和测试，在远场实现了具有高增益的低副瓣波束，具体参见图12-图15，图12-图15中，横轴Theta表示方位角，纵轴表示归一化辐射（Normalized Radiation Patterns），单位为dBi。结合了幅相联合调制超构表面的透射阵天线在9.9GHz处E面的副瓣电平在-27.7 dB左右，H面的副瓣电平在-27.4 dB左右。仅有相位调制而未进行幅度调制的参考透射阵天线（Phase-only transmit array，POTA）在9.9GHz处E面的副瓣电平在-24.5 dB左右，H面的副瓣电平在-23.1 dB左右，可见结合了幅相联合调制超构表面的透射阵天线在9.9GHz处获得了更低的归一化副瓣电平。
此外，如图16-图17所示，横轴表示电磁波频率，单位为GHz，增益的单位为dBi，最高副瓣电平的单位为dB，轴比的单位为dB，结合了幅相联合调制超构表面的透射阵天线在9.6~10.4GHz范围内，与参考透射阵天线相比，本实施例有效地降低了副瓣电平，还兼具了较高的端射增益和良好的轴比。
综上，本实施例实现的透射阵天线利用实施例一构建的幅相联合调制超构表面，实现了透射阵天线副瓣电平的调制，有效改善了天线的性能。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.幅相联合调制超构表面，其特征在于，包括若干个超构表面单元，超构表面单元用于对馈源天线辐射出的圆极化波进行透射后得到透射波，在透射的同时还对所述圆极化波进行幅度和相位的调制，超构表面单元包括叠放设置的第一介质板和第二介质板；
第一介质板在远离第二介质板的表面设置有工作极化方式为椭圆极化的接收贴片，接收贴片的中心蚀刻有第一矩形缝隙，第一介质板在靠近第二介质板的表面设置有第一金属地板；
第二介质板在远离第一介质板的表面设置有工作极化方式为圆极化的发射贴片，第二介质板在靠近第一介质板的表面设置有第二金属地板；
接收贴片与发射贴片通过自第一介质板至第二介质板方向贯穿设置的金属化过孔连接。
2.根据权利要求1所述的幅相联合调制超构表面，其特征在于，
超构表面单元对所述圆极化波进行幅度调制时，第一矩形缝隙围绕过接收贴片中心的第一轴线进行旋转，且第一轴线与接收贴片垂直，第一矩形缝隙的旋转角根据透射波的幅度补偿分布确定；
超构表面单元对所述圆极化波进行相位调制时，接收贴片、发射贴片和金属化过孔作为整体围绕超构表面单元自身的中心轴线进行旋转，接收贴片、发射贴片和金属化过孔作为整体的旋转角根据透射波的相位补偿分布确定。
3.根据权利要求2所述的幅相联合调制超构表面，其特征在于，所述幅度补偿分布根据馈源天线在焦平面的幅度分布、透射波的目标副瓣电平和基于泰勒分布计算得到的透射波的目标幅度确定，所述相位补偿分布根据馈源天线在焦平面的相位分布确定。
4.根据权利要求1所述的幅相联合调制超构表面，其特征在于，所述金属化过孔包括开设在所述接收贴片上的第一金属化过孔、开设在第一金属地板上的第一过孔、开设在所述发射贴片上的第二金属化过孔和开设在第二金属地板上的第二过孔，第一金属化过孔、第二金属化过孔、第一过孔和第二过孔的中心均重合。
5.根据权利要求1所述的幅相联合调制超构表面，其特征在于，所述接收贴片为偏馈圆形贴片。
6.根据权利要求1所述的幅相联合调制超构表面，其特征在于，所述发射贴片为偏馈圆形贴片，发射贴片的中心蚀刻有第二矩形缝隙。
7.透射阵天线，其特征在于，包括工作极化方式为圆极化的馈源天线和权利要求1-6项任一项所述的幅相联合调制超构表面，所述馈源天线用于辐射出圆极化波，所述幅相联合调制超构表面用于对馈源天线辐射出的所述圆极化波进行透射，在透射的同时还对圆极化波进行幅度和相位的调制。
8.根据权利要求7所述的透射阵天线，其特征在于，所述幅相联合调制超构表面内的所有超构表面单元组成圆形阵列。
9.根据权利要求7所述的透射阵天线，其特征在于，所述馈源天线为微带型切角圆极化天线。
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