CN117039427A - 一种可调全息超材料天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可调全息超材料天线结构，所述结构包括：表面波导馈电网络，被配置为连接功分网络；变容二极管偏置电路，被配置为包括直流偏置电路和与所述直流偏置电路关联的若干个变容二极管；超材料表面，设置于所述直流偏置电路上方，通过偏置过孔，将所述超材料表面和所述直流偏置电路连接起来；其中，所述超材料表面和所述直流偏置电路分别对每个所述变容二极管进行直流偏置馈电，改变所述超材料表面的干涉图案，以实现辐射方向图的扫描。本发明通过创造性的应用线格栅作为超表面中晶格单元的偏置线，解决了全息‑超材料天线二维馈电网络布局困难、容易对射频信号产生干扰的难题。

Description

一种可调全息超材料天线结构
技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及到一种可调全息超材料天线结构。
背景技术
相比传统反射器和透镜技术，全息-超材料天线具有低剖面、低复杂度和重量轻、易于调制等优点，在发展紧凑可调天线系统方面具有非常光明的前景。因此，在要求高增益、高效率、电可调的卫星通信应用中，全息-超材料天线极具优势。
全息天线基于全息理论，如图1所示，其工作原理是将参考波1（导行馈电电磁波）转换为主辐射波束5。全息天线的关键部件是基板2上的超材料表面结构3，用于记录参考波1和物波4的干涉图案。超材料是人工复合材料，专门设计用于展示在自然界不易出现的特性。在由亚波长单元周期阵列构成的表面上，通过使用低剖面低成本硬件控制相位，提供独特的控制电磁波的能力。同时，通过在每一个亚波长晶格单元中嵌入可调压控单元，如二极管，超材料可实现重构。因此，超材料表面（超表面）的可调表面阻抗为设计可重构全息卫星通信天线提供了一个好的选择。可调全息-超材料天线由三个主要部分组成，如图2所示，包括馈电网络、变容二极管偏置电路和超材料表面。馈电网络用于给每一个超材料单元馈电，变容二极管通过改变偏置电压，改变超材料表面的相位分布，实现对辐射波束指向的控制。
目前已实现的全息-超材料天线普遍采用共面波导和微带阵列进行馈电，存在口径效率低、介质损耗严重和带宽窄等缺陷。因此，如何解决现有技术中全息-超材料天线二维馈电网络布局困难、容易对射频信号产生干扰的难题，是一个亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种可调全息超材料天线结构，旨在解决目前现有技术中全息-超材料天线二维馈电网络布局困难、容易对射频信号产生干扰的难题。
为实现上述目的，本发明提供了一种可调全息超材料天线结构，包括：
表面波导馈电网络，所述表面波导馈电网络被配置为连接功分网络；
变容二极管偏置电路，所述变容二极管偏置电路被配置为包括直流偏置电路和与所述直流偏置电路关联的若干个变容二极管；
超材料表面，所述超材料表面设置于所述直流偏置电路上方，通过偏置过孔，将所述超材料表面和所述直流偏置电路连接起来；
其中，所述超材料表面和所述直流偏置电路分别对每个所述变容二极管进行直流偏置馈电，改变所述超材料表面的干涉图案，以实现辐射方向图的扫描。
可选的，所述表面波导馈电网络被配置为与所述超材料表面的尺寸相匹配。
可选的，所述超材料表面被配置为采用线格栅作为所述超材料表面上晶格单元的偏置线。
可选的，若干个所述变容二极管分别设置于所述超材料表面上的晶格单元。
可选的，所述超材料表面和所述直流偏置电路对超材料表面上的每个晶格的变容二极管分别进行直流偏置馈电。
可选的，所述线格栅被配置为采用一组平行金属线形成，构成线格栅偏置电路。
可选的，所述超材料表面和所述线格栅偏置电路被配置为集成于同一PCB板。
可选的，还包括：可调单元；其中，所述可调单元被配置为通过连接线格栅偏置电路实现可调。
本发明的有益效果在于：提出了一种可调全息超材料天线结构，所述结构包括：表面波导馈电网络，所述表面波导馈电网络被配置为连接功分网络；变容二极管偏置电路，所述变容二极管偏置电路被配置为包括直流偏置电路和与所述直流偏置电路关联的若干个变容二极管；超材料表面，所述超材料表面设置于所述直流偏置电路上方，通过偏置过孔，将所述超材料表面和所述直流偏置电路连接起来；其中，所述超材料表面和所述直流偏置电路分别对每个所述变容二极管进行直流偏置馈电，改变所述超材料表面的干涉图案，以实现辐射方向图的扫描。本发明通过创造性的应用线格栅作为超表面中晶格单元的偏置线，解决了全息-超材料天线二维馈电网络布局困难、容易对射频信号产生干扰的难题。
附图说明
图1为全息天线基于全息理论的原理示意图；
图2为可调全息-超材料天线的原理示意图；
图3为本发明新型表面波导馈电网络包括功分网络和表面波导馈电网络的结构示意图；
图4为本发明超材料表面与直流偏置电路的连接示意图；
图5为本发明可调全息-超材料天线系统的线格栅偏置电路的示意图；
图6为本发明可调全息超材料天线结构的示意图；
图7为本发明超材料表面和线格栅偏置电路在同一个PCB上的结构示意图；
图8为本发明可调单元的结构示意图；
图9为本发明调谐超表面阵列的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
附图标记说明：
1-参考波；2-基板；3-超材料表面结构；4-物波；5-主辐射波束；6-功分网络；7-表面波导馈电网络；8-偏置过孔；9-直流偏置电路；10-超材料表面；11-变容二极管；12-平行金属线；13-同轴馈电口；14-含偏置电路的超材料表面；15-可调单元；16-K型微带结构；17-PIN二极管；18-偏压柱；19-调谐超表面阵列。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了一种可调全息超材料天线结构，参照图6，图6为本发明一种可调全息超材料天线结构实施例的结构示意图。
本实施例中，一种可调全息超材料天线结构，包括：一种可调全息超材料天线结构，包括：
表面波导馈电网络7，所述表面波导馈电网络7被配置为连接功分网络6；
变容二极管偏置电路，所述变容二极管偏置电路被配置为包括直流偏置电路9和与所述直流偏置电路9关联的若干个变容二极管11；
超材料表面10，所述超材料表面10设置于所述直流偏置电路9上方，通过偏置过孔8，将所述超材料表面10和所述直流偏置电路9连接起来；
其中，所述超材料表面10和所述直流偏置电路9分别对每个所述变容二极管11进行直流偏置馈电，改变所述超材料表面10的干涉图案，以实现辐射方向图的扫描。
在优选的实施例中，所述表面波导馈电网络7被配置为与所述超材料表面10的尺寸相匹配。
在优选的实施例中，所述超材料表面10被配置为采用线格栅作为所述超材料表面10上晶格单元的偏置线。其中，若干个所述变容二极管11分别设置于所述超材料表面10上的晶格单元。所述超材料表面10和所述直流偏置电路9对超材料表面10上的每个晶格的变容二极管11分别进行直流偏置馈电。
在此基础上，所述线格栅被配置为采用一组平行金属线12形成，构成线格栅偏置电路。所述超材料表面10和所述线格栅偏置电路被配置为集成于同一PCB板。
在优选的实施例中，所述可调全息超材料天线结构还包括：可调单元15；其中，所述可调单元15被配置为通过连接线格栅偏置电路实现可调。
在本实施例中，提供了一种可调全息超材料天线结构，通过创造性的应用线格栅作为超表面中晶格单元的偏置线，解决了全息-超材料天线二维馈电网络布局困难、容易对射频信号产生干扰的难题。
为了更清楚的解释本申请，下面提供本申请可调全息超材料天线结构的具体实例。
本实施例采用一种新型表面波导馈电网络，如图3所示，包括功分网络6和表面波导馈电网络7两部分。这种凹槽表面波导被设计为与超材料表面尺寸相匹配，以提升效率。全息天线被设计为假定参考波1为平面波，凹槽表面波导中传输的电磁波近似为平面波。本发明中的馈电网络未采用有耗介质材料，损耗远远小于贴片阵列；相比矩形波导馈电网络，效率更高，最大限度地利用了超材料表面。
在可重构全息-超材料天线中，超材料晶格单元都需要直流偏置电压，直流偏置电路的设计是一大挑战，其需要将所有的偏置线布置在超材料表面下方或穿过超材料表面，且不得阻碍射频信号在超材料表面的传播。本实施例创造性地应用线格栅作为2D超材料表面上晶格单元的偏置线，如图4所示，超材料表面10放置在基于线格栅的直流偏置电路9的上方，通过偏置过孔8，将超材料表面10和基于线格栅的直流偏置电路9连接起来，对每一个超材料晶格上的变容二极管11进行直流偏置馈电，改变超材料表面的干涉图案，以实现辐射方向图的扫描。图5为可调全息-超材料天线系统的线格栅偏置电路的示意图，点为过孔，一组平行金属线12形成线格栅，其能够在不阻碍射频信号传输的情况下实现对超材料表面的直流偏置馈电，13为同轴馈电口。
在实际应用中，线格栅可以在普通PCB板上加工以降低成本和制造难度，可采用多层板工艺与超材料表面加工在一块PCB板上，能够以更低的成本和更小的尺寸在标准PCB上实现。
本实施例通过集成线格栅偏置电路和新型表面波导馈电网络，提出了一种新型的集成的低剖面、高效率、宽带的可调全息-超材料天线系统。如图7所示，超材料表面和线格栅偏置电路可以在同一个PCB上集成和制造，合成一个含偏置电路的超材料表面14，可调单元15通过线格栅偏置电路实现可调，如图8所示，可调单元由K型微带结构16、PIN二极管17、变容二极管11、偏压线组成，偏压线通过偏压柱18连接至K型微带结构16，调节输入电压控制变容二极管11的电容以及PIN二极管17的导通状态来实现相位可调，如图9所示，含偏置电路的超材料表面14由若干个可调单元15形成调谐超表面阵列19。含偏置电路的超材料表面14放置在表面波导馈电网络7的上方。
具体而言，本实施例采用一种新型表面波导馈电网络，大大简化了馈电网络的复杂度和天线结构，损耗非常低，口径效率高，具有宽带特性。本发明创造性的应用线格栅作为超表面中晶格单元的偏置线，解决了全息-超材料天线二维馈电网络布局困难、容易对射频信号产生干扰的难题。
本技术方案的关键保护点是采用新型表面波导馈电网络和基于线格栅的直流偏置电路的可调全息-超材料天线的技术方案。相比于现有全息-超材料天线普遍采用共面波导和微带阵列进行馈电的方案，具有低插入损耗；低功耗；制造简单；超轻薄；快速可调，调制简单可靠；由新型表面波导馈电结构带来的宽带特性；由新型表面波导馈电结构提供的均匀平面馈电波带来的高效率；由基于线格栅的直流偏置电路带来的直流偏置电路设计简易性等技术优势。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，包括：
表面波导馈电网络，所述表面波导馈电网络被配置为连接功分网络；
变容二极管偏置电路，所述变容二极管偏置电路被配置为包括直流偏置电路和与所述直流偏置电路关联的若干个变容二极管；
超材料表面，所述超材料表面设置于所述直流偏置电路上方，通过偏置过孔，将所述超材料表面和所述直流偏置电路连接起来；
其中，所述超材料表面和所述直流偏置电路分别对每个所述变容二极管进行直流偏置馈电，改变所述超材料表面的干涉图案，以实现辐射方向图的扫描。
2.如权利要求1所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，所述表面波导馈电网络被配置为与所述超材料表面的尺寸相匹配。
3.如权利要求1所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，所述超材料表面被配置为采用线格栅作为所述超材料表面上晶格单元的偏置线。
4.如权利要求3所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，若干个所述变容二极管分别设置于所述超材料表面上的晶格单元。
5.如权利要求4所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，所述超材料表面和所述直流偏置电路对超材料表面上的每个晶格的变容二极管分别进行直流偏置馈电。
6.如权利要求3-5任意一项所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，所述线格栅被配置为采用一组平行金属线形成，构成线格栅偏置电路。
7.如权利要求6所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，所述超材料表面和所述线格栅偏置电路被配置为集成于同一PCB板。
8.如权利要求7所述的一种可调全息超材料天线结构，其特征在于，还包括：可调单元；其中，所述可调单元被配置为通过连接线格栅偏置电路实现可调。
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