CN117060079A - 一种可编程双圆极化超表面反射阵 - Google Patents

一种可编程双圆极化超表面反射阵 Download PDF

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Abstract

该发明公开了一种可编程双圆极化超表面反射阵，涉及无线通信技术领域。包括介质基板，粘合层、辐射贴片、反射金属板、接地金属板、多个金属过孔，与所述辐射单元一一对应连接设置的馈电网络、二极管、以及双圆极化的馈电喇叭；所述辐射贴片由一个圆环贴片围绕四个中心对称的扇形贴片，扇形贴片之间与圆环与扇形贴片之间通过矩形贴片连接，形成的一个类似于“田”字型结构；所述双圆极化的馈电喇叭用以形成两种圆极化电磁波的辐射。因此本发明的可编程双圆极化反射阵天线相对于现有的圆极化反射阵天线，可以实现右旋圆极化波入射右旋圆极化波出射、左旋圆极化波入射左旋圆极化波出射，且同时具有圆极化反射阵天线的高增益、波束可重构的特性。

Description

一种可编程双圆极化超表面反射阵
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体地，涉及一种可编程双圆极化超表面反射阵的研究
背景技术
天线是一种将传输线上的导行波，转换为在无界空间中传播的电磁波的转换器，在生活军事等方面具有广泛应用。在无线通信领域中，为了提高数据的传输速率以及减少极化失配导致的损失，往往将圆极化天线作为通信的首选。圆极化天线对比线极化天线的优势在于不会遭受极化失配的影响，发射天线与接受天线之间的对齐方式可以灵活的选择，限制更小，并可以在一定程度上减弱天气干扰以及多径反射干扰。因此圆极化天线也被广泛的应用与雷达、卫星通信、电子对抗系统、深空探测等各个领域中。例如在卫星通信中，圆极化天线可以减少极化偏转效应的影响，实现信号的高效传输；在雷达系统中，圆极化天线可以检测敌方目标的各种线极化天线设备，从而准确定位目标；而对于电子对抗系统中的圆极化天线来说，其作用不仅可以检测敌方目标发射的线极化电磁波，而且可以干扰对方侦查设备的灵敏度，制造虚假目标。
而随着雷达侦测、卫星通信、深空探测等领域的快速发展，各个领域对天线的机械体积、辐射特性的要求越来越高，尤其是对高增益、可重构、多极化等特性的需求。因此，在实现圆极化的基础上，同时能够具有高增益、可重构等特性的天线具有很高的实用价值。而圆极化超表面反射阵可以满足上述的需求。
按照圆极化的原理，圆极化超表面反射阵可以分为三种类型：(1)线极化转圆极化，单元可以是与入射波极化方向成45°的金属条或者双“V”型结构或者双层T型结构等，将线极化入射波转化为圆极化反射波；(2)圆极化转圆极化，单元可以是变尺寸结构、加载延迟线结构或者旋转角度结构等；(3)圆极化转线极化转圆极化，该反射面为圆极化选择表面，将馈源发出的圆极化波通过圆极化器转为线极化，线极化栅对不同极化的电磁波分别进行透射和反射，最后在通过圆极化器将线极化波转换为圆极化波。
现阶段，圆极化超表面反射阵的研究主要聚焦于宽带以及双频率，鲜少有关于双圆极化的研究，上述三种类型的圆极化超表面反射阵天线的研究均局限于单一圆极化波，即左旋圆极化或右旋圆极化，当馈源发出的圆极化波由左旋圆极化转为右旋圆极化或者相反时，圆极化超表面天线就无法发挥作用。
因此，针对上述圆极化超表面反射阵的局限，本发明提供了一种可编程双圆极化超表面反射阵，能够发出两种圆极化波，且通过控制超表面单元上的二极管状态可实现出射电磁波1-bit的相位变化，具有波束可重构的特性。
发明内容
鉴于上诉问题，本发明提出一种可编程双圆极化超表面反射阵，相比于现有的圆极化反射阵，能够实现双圆极化的反射，且通过控制二极管状态实现了出射电磁波相位1-bit的变化。
本发明提出的一种可编程双圆极化超表面反射阵，改反射阵列包括多个阵列设置的反射单元，每个反射单元的结构包括由下至上依次层叠的：第三介质基板(206)、接地金属板(210)、第二粘合层(209)、第二介质基板(205)、第一粘合层(208)、金属反射板(207)、第一介质基板(204)、辐射贴片(203)，所述辐射贴片(203)包括圆环贴片和设置于圆环贴片内的四片扇形贴片，四片扇形贴片呈中心对称，其顶点都指向圆环贴片的圆心，并且顶点处相连，每片扇形区域的弧形边的中点采用连接贴片与圆环形贴片连接；
所述金属反射板(207)为圆形贴片，大小与辐射贴片(203)的圆环贴片大小相同，圆心重叠；
各反射单元的馈电网络设置于第三介质基板的下方；馈电网络包括：第一二极管(212)、第二二极管(213)、扇形滤波结构(303)、金属通孔；第一二极管(212)和第二二极管(213)的一端通过金属通孔连接接地金属板(210)另一端通过金属通孔连接辐射贴片(203)，连接点为相邻两片扇形区域与圆环形贴片连接的连接贴片；第一二极管(212)和第二二极管(213)的导通方向相反；扇形滤波结构(303)包括“L”形微带线和扇形贴片，扇形贴片的的顶点与“L”形微带线的长边连接，“L”形微带线长边的末端通过金属通孔与辐射贴片(203)连接，连接点为四片扇形贴片的对称中心；
该反射阵由各反射单元按照设定的公式逻辑选择“0”“1”状态排布，通过改变阵列“0”“1”状态分布，形成不同的波束指向，实现可编程波束扫描的功能。
进一步的，该反射阵采用圆极化喇叭作为馈源，将喇叭馈源斜入射的准球面波经过反射阵电磁表面相位补偿后反射形成指向波束,电磁表面上的第m行第n列的反射单元所需要的相位补偿计算公式如下:
其中k是自由空间传播常数，dmn是馈源等效相位中心到有源反射阵面上各个单元的距离，(xmn,ymn)是有源反射天线阵面上单元的位置坐标，θ0和是天线波束指向角度，/>是相位补偿常数；/>为单元时有源反射阵面上单元的反射相位分布；/>为PIN二极管的ON和OFF状态，对应的0度和180度的相位补偿。
进一步的，所述辐射贴片(203)中的四片扇形贴片为一个圆形贴片沿直径方向开设四条不联通的槽，这四条槽依次间隔90度。
本发明的技术方案中的可编程双圆极化反射阵，包括介质基板，粘合层、在介质基板上表面周期排布的M×N个辐射贴片、M×N反射金属板、接地金属板、多个金属过孔，与所述辐射单元一一对应连接设置的馈电网络、二极管、以及双圆极化的馈电喇叭；其中，所述辐射贴片由一个圆环贴片围绕四个中心对称的扇形贴片，扇形贴片之间与圆环与扇形贴片之间通过矩形贴片连接，形成的一个类似于“田”字型结构；所述双圆极化的馈电喇叭用以形成两种圆极化电磁波的辐射。因此本发明的可编程双圆极化反射阵天线相对于现有的圆极化反射阵天线，可以实现右旋圆极化波入射右旋圆极化波出射、左旋圆极化波入射左旋圆极化波出射，且同时具有圆极化反射阵天线的高增益、波束可重构的特性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种双圆极化反射阵的三维整体示意图；
图2为本发明实施例提供的一种辐射单元的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种辐射单元的底层馈电结构以及顶层辐射贴片结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种可编程双圆极化反射阵列天线的反射系数与频率的变化曲线图；
图5为本发明实施例提供的一种双圆极化喇叭的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，一下结合具体实施例子，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明实施例提出的一种可编程双圆极化反射阵，整体结构如图1所示，包括超表面反射阵列101，以及发出两种圆极化波的圆极化喇叭102。
其中,圆极化喇叭102用以形成左旋或右旋圆极化电磁波的辐射，M、N均为大于2的整数。
超表面反射阵列101中包括:质基板，粘合层、在介质基板上表面周期排布的M×N个辐射贴片单元、M×N反射金属板、接地金属板、与辐射单元一一对应连接的馈电网络、二极管、以及与所述介质基板上表面相对的双圆极化的馈电喇叭，其中M、N均为大于2的数字。
其中,所述辐射贴片单元由多层介质层以及金属板组成，其结构如图2所示，包括：辐射贴片203，第一介质基板204、第二介质基板205、第三介质基板206，反射金属板207，第一粘合层208、第二粘合层209，接地金属板210，馈电网络211，第一二极管212、第二二极管213.
辐射贴片203其由一个圆环贴片围绕着四个中心对称的扇形贴片组成，扇形贴片之间以及扇形贴片与圆环贴片之间通过矩形贴片相连接，形成了一个类似“田”字型的单元。具体地，所述四个中心对称的扇形贴片通过矩形贴片连接形成了一个十字架，在十字架的外环增加一个圆环贴片(圆环贴片的中心与扇形贴片的对称中心相重合)。这样，入射来的圆极化波可以分为两个正交方向上的电磁场进行调控，通过在圆环贴片上相差90°的金属通孔连接到第一二极管212与第二二极管213，在两个正交方向上增加短路或开路的延长线，从而改变两个正交方向上的电磁场相位，实现右旋圆极化入射，反射波同样为右旋圆极化；左旋圆极化波入射，反射波同样的为左旋圆极化波。
所述反射金属板207位于第一粘合层208的上表面，是大小与辐射贴片203相同的圆形金属贴片，可以调节辐射单元的谐振频率，拓宽辐射带宽。具体的，辐射贴片与反射金属板的结构如图3(b)所示，包括辐射贴片206，反射金属板207，第一介质基板204与第一粘合层208.
此外，通过改变第一二极管212与第二二极管213的通断情况，可以使得出射的圆极化电磁场呈现0或180°的相位变化。第一二极管212与第二二极管213导通方向是相反的，这意味着第一二极管212导通时，第二二极管213关闭；212关闭时，213导通。又因为辐射单元是旋转对称的，两个二极管状态的改变相当于将辐射单元旋转了90°，对于圆极化单元而言，单元旋转90°，圆极化波的反射相位改变180°。
所述馈电网络211通过金属通孔与辐射贴片的中心点相连接，由狭窄的微带线以及扇形滤波结构组成，通过输入高电压或低电压控制两个二极管的通断状态，或者控制出射圆极化波的相位。同时，狭窄的微带线与扇形滤波结构限制了高频信号的传输，而不影响直流信号。或者馈电网络211将直流信号与高频信号相互隔离，互不影响，能够很好的控制二极管的状态而不影响高频信号的辐射性能。通过改变辐射单元馈电电压，实现“0”或“1”两种状态，根据公式逻辑设计，得到每个单元所处的状态环境，从而得到编码表，实现可编程的功能。
具体的，馈电网络与二极管的排布如图3(a)所示，金属通孔301与上层辐射贴片等金属板相连接；210为接地金属板，与二极管的另一端相连接，构成电路回路；303为扇形滤波结构，作用为隔离高频信号；第一二极管212、第二二极管213为两个电流方向相反的二极管。
所述可编程双圆极化反射阵天线是由上述单元按照设定的公式逻辑选择“0”“1”状态排布的，通过改变阵列“0”“1”状态分布，可以形成不同的波束指向，实现可编程波束扫描的功能。
具体地，双圆极化反射阵采用圆极化喇叭作为馈源，将喇叭馈源斜入射的准球面波经过反射阵列101电磁表面相位补偿后反射形成指向波束,电磁表面上的第m行第n列的超表面单元所需要的相位补偿计算公式如下:
其中k是自由空间传播常数，dmn是馈源等效相位中心到有源反射阵面上各个单元的距离，(xmn,ymn)是有源反射天线阵面上单元的位置坐标，θ0和是天线波束指向角度，/>是相位补偿常数。/>为单元时有源反射阵面上单元的反射相位分布；/>为PIN二极管的ON和OFF状态，对应的0度和180度的相位补偿。
图3显示了本发明实施例子的一种双圆极化反射阵列天线的在频率为14GHz时的带宽为，相对带宽为，增益达到了18.7dB
上述的圆极化喇叭结构如图4所示，包括圆形波导，和喇叭口径面。
本发明的技术方案中的可编程双圆极化反射阵，包括介质基板，粘合层、在介质基板上表面周期排布的M×N个辐射贴片、M×N反射金属板、接地金属板、多个金属过孔，与所述辐射单元一一对应连接设置的馈电网络、二极管、以及双圆极化的馈电喇叭；其中，所述辐射贴片由一个圆环贴片围绕四个中心对称的扇形贴片，扇形贴片之间与圆环与扇形贴片之间通过矩形贴片连接，形成的一个类似于“田”字型结构；所述双圆极化的馈电喇叭用以形成两种圆极化电磁波的辐射。因此本发明的可编程双圆极化反射阵天线相对于现有的圆极化反射阵天线，可以实现右旋圆极化波入射右旋圆极化波出射、左旋圆极化波入射左旋圆极化波出射，且仿真验证其同时具有圆极化反射阵天线的高增益、波束可重构的特性。

Claims (3)

1.一种可编程双圆极化超表面反射阵，改反射阵列包括多个阵列设置的反射单元，每个反射单元的结构包括由下至上依次层叠的：第三介质基板(206)、接地金属板(210)、第二粘合层(209)、第二介质基板(205)、第一粘合层(208)、金属反射板(207)、第一介质基板(204)、辐射贴片(203)，所述辐射贴片(203)包括圆环贴片和设置于圆环贴片内的四片扇形贴片，四片扇形贴片呈中心对称，其顶点都指向圆环贴片的圆心，并且顶点处相连，每片扇形区域的弧形边的中点采用连接贴片与圆环形贴片连接；
所述金属反射板(207)为圆形贴片，大小与辐射贴片(203)的圆环贴片大小相同，圆心重叠；
各反射单元的馈电网络设置于第三介质基板的下方；馈电网络包括：第一二极管(212)、第二二极管(213)、扇形滤波结构(303)、金属通孔；第一二极管(212)和第二二极管(213)的一端通过金属通孔连接接地金属板(210)另一端通过金属通孔连接辐射贴片(203)，连接点为相邻两片扇形区域与圆环形贴片连接的连接贴片；第一二极管(212)和第二二极管(213)的导通方向相反；扇形滤波结构(303)包括“L”形微带线和扇形贴片，扇形贴片的的顶点与“L”形微带线的长边连接，“L”形微带线长边的末端通过金属通孔与辐射贴片(203)连接，连接点为四片扇形贴片的对称中心；
该反射阵由各反射单元按照设定的公式逻辑选择“0”“1”状态排布，通过改变阵列“0”“1”状态分布，形成不同的波束指向，实现可编程波束扫描的功能。
2.如权利要求1所述的一种可编程双圆极化超表面反射阵，其特征在于，该反射阵采用圆极化喇叭作为馈源，将喇叭馈源斜入射的准球面波经过反射阵电磁表面相位补偿后反射形成指向波束,电磁表面上的第m行第n列的反射单元所需要的相位补偿计算公式如下:
其中k是自由空间传播常数，dmn是馈源等效相位中心到有源反射阵面上各个单元的距离，(xmn,ymn)是有源反射天线阵面上单元的位置坐标，θ0和是天线波束指向角度，/>是相位补偿常数；/>为单元时有源反射阵面上单元的反射相位分布；/>为PIN二极管的ON和OFF状态，对应的0度和180度的相位补偿。
3.如权利要求1所述的一种可编程双圆极化超表面反射阵，其特征在于，所述辐射贴片(203)中的四片扇形贴片为一个圆形贴片沿直径方向开设四条不联通的槽，这四条槽依次间隔90度。
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