CN117855859A - 一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法，属于通信技术领域。其中惠更斯超表面单元包括：超表面单元层，所述超表面单元层包括上层超表面单元层和下层超表面单元层；所述上层超表面单元由内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成；所述下层超表面单元与所述上层超表面单元层的结构相同，且与所述上层超表面单元关于单元中心呈旋转对称关系，形成双惠更斯谐振状态和紧耦合状态；介质层，所述介质层位于所述上层超表面单元层和下层超表面单元层之间。本发明通过构造双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，可同时实现惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽的提升，获得了比以往惠更斯超表面单元更宽的损耗带宽和相位带宽。

Description

一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法。

背景技术

随着新一代移动通信技术(B5G/6G)的快速发展，迫切需要大带宽、高增益、高效率、低剖面、低成本的天线。作为一种高增益天线的实现形式，透射阵列天线的主要优势在于高增益、高效率、无遮挡、成本低等，近年来引起了学术界以及工业界的广泛关注。目前经典的透射阵列天线有三种主要形式：多层频率选择结构、接收-再传输结构、超表面传输结构。其中，多层频率选择结构和接收-再传输结构至少需要三层结构才能实现所需的360°传输相位覆盖范围，往往剖面高，结构复杂，制造难度大。超表面传输结构则具有低于3层结构的低剖面，但效率低，并且工作带宽窄。因此，如何实现宽带、高效率，同时具有低剖面的透射阵列天线是亟待研究和攻克的技术难题。

近年来的研究发现，惠更斯超表面可以同时激发电谐振和磁谐振，当电谐振和磁谐振达到平衡时，即可实现损耗近似为零的高效率传输，因此，由惠更斯超表面构成的透射阵列天线由于高效调控电磁波的能力备受关注。然而，惠更斯超表面的谐振被激发时工作带宽非常窄，窄带的工作带宽限制了惠更斯超表面的进一步应用。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法。

本发明采用的第一技术方案如下：

一种宽带惠更斯超表面单元，包括：

超表面单元层，所述超表面单元层包括上层超表面单元层和下层超表面单元层；所述上层超表面单元由内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成；所述下层超表面单元与所述上层超表面单元层的结构相同，且与所述上层超表面单元关于单元中心呈旋转对称关系，形成双惠更斯谐振状态和紧耦合状态；

介质层，所述介质层位于所述上层超表面单元层和下层超表面单元层之间；

其中，所述双惠更斯谐振状态由上、下层超表面单元的内层和外层嵌套的金属微带谐振体分别形成两对惠更斯谐振构成，以提供接近于0dB的传输幅度，建立起低损耗传输的惠更斯超表面单元；所述紧耦合状态由内外层嵌套的金属微带谐振体构成，以提供宽带的惠更斯超表面单元工作带宽。

进一步地，所述双惠更斯谐振状态，是指在预设带宽内同时激励起两个或两个以上谐振频率接近的惠更斯谐振，获得多个临近的传输零点，以提升惠更斯超表面单元的谐振带宽；

所述紧耦合状态，是指内外层金属微带谐振体的谐振频率之差低于中心频率的20％，同时相位带宽因子小于1，以提升惠更斯超表面单元的相位带宽。

进一步地，所述紧耦合状态的表达式为：

式中，f₀是中心频率，f₁、f₂是内外层金属微带谐振体的谐振频率；为相位带宽因子定义，用于描述透射单元的相位带宽大小，定义式如下：

式中，是惠更斯超表面单元在中心频率处的透射相位值，/>是预设带宽内单元的相位覆盖范围；相位带宽因子表示中心频率处相位值和所实现相位覆盖范围的比值。

进一步地，所述超表面单元层中金属微带谐振体的结构包括开口多边形、开口圆弧形、矩形、圆形、扇形或者椭圆形；

通过调控所述两个金属微带谐振体的谐振频率，以调控所述宽带惠更斯超表面单元的带宽、传输幅度和/或传输相位，进而实现传输相位覆盖360°、传输幅度大于-1.5dB的惠更斯超表面单元组合。

进一步地，所述上层超表面单元的外层金属微带谐振体包括两条第一方向臂和一条第二方向臂，两条所述第一方向臂均与所述第二方向臂垂直连接；

所述上层超表面单元的内层金属微带谐振体包括两条第三方向臂和一条第四方向臂，两条所述第三方向臂均与所述第四方向臂垂直连接；

其中，所述第一方向臂与第三方向臂平行，且第一方向臂的长度大于第三方向臂的长度；所述第二方向臂与第四方向臂平行，且第二方向臂的长度大于第四方向臂的长度。

进一步地，所述宽带惠更斯超表面单元的激励方式为单线极化激励，所述单线极化激励包括x极化、y极化或者±45°极化，激励的极化方向沿着金属微带谐振体的主极化方向。

进一步地，所述宽带惠更斯超表面单元采用的基板包括但不限于印刷电路板(PCB)单层介质基板、低温共烧陶瓷(LTCC)基板，由其余单层形式的介质基板所构成的宽带惠更斯超表面单元均在本发明保护之内。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种针对如上所述的宽带惠更斯超表面单元的设计方法，包括以下步骤：

将内层与外层金属微带谐振体的金属臂长度和间隙距离作为调控参数；

通过调控参数的匹配组合，使宽带惠更斯超表面单元满足双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，以提升惠更斯超表面单元的谐振带宽和相位带宽，进而实现宽带惠更斯超表面单元。

本发明所采用的第三技术方案是：

一种宽带惠更斯透射阵列天线，包括：

宽带惠更斯超表面阵列，由多个如上所述的宽带惠更斯超表面单元按照预设规律排布组成；

馈源天线，作为所述宽带惠更斯透射阵列天线的馈源，用于提供覆盖宽带惠更斯超表面阵列的波束宽度。

进一步地，所述宽带惠更斯超表面阵列中的每个所述宽带惠更斯超表面单元所需的传输相位通过下式进行计算：

式中，R_i是馈源相位中心到编号为i的阵面单元之间的距离，F是馈源相位中心到阵面的焦距，k₀是预设频率下的自由空间波数，是引入的参考相位；

其中，所选取的焦距与阵面口径的比值，使馈源照射到所述透射阵面的边缘区域照射信号强度较中央区域的照射信号强度下降10dB。

进一步地，根据计算所得的所需传输相位数值，对所述宽带惠更斯超表面单元组合进行索引，可得到每个单元具体的尺寸参数。

进一步地，所述宽带惠更斯超表面阵列为方形布阵的方形阵列、方形布阵的圆形阵列或者三角形布阵的方形阵列；

馈源类型包括喇叭馈源、维瓦尔第天线馈源或者贴片天线阵列馈源，馈源入射波束与阵面的夹角为预设角度。

本发明所采用的第四技术方案是：

一种针对如上所述的宽带惠更斯透射阵列天线的设计方法，包括以下步骤：

在惠更斯透射阵列天线的阵面计算中引入参考相位使阵列实际相位和所需相位的相位误差值低于预设值，进而实现宽带惠更斯透射阵列天线。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

(1)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元，包括单层介质基板以及由内层与外层金属微带谐振体构成的金属贴片单元，获得平缓的0-360°反射相位覆盖与低于1.5dB的透射损耗，具有紧凑的结构和简单的设计优势。

(2)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元，通过构造双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，可同时实现惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽的提升，突破了现有单谐振惠更斯单元构造的限制，获得了比以往惠更斯超表面单元更宽的损耗带宽和相位带宽。

(3)本发明提出的宽带惠更斯透射阵列天线，与以往的惠更斯透射阵列研究相比，同时兼顾带宽和效率，获得了更宽的3-dB增益带宽(33％)和更高的辐射口径效率(49.65％)，在以往的设计中很少能做到带宽和效率的兼顾。

(4)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元与透射阵列天线的设计方法，突破了现有设计方法的限制，使惠更斯超表面单元和惠更斯透射阵列的性能都获得大幅提升，并且方法具有通用性，适用于不同频段的宽带、高效率透射超表面的设计需求。

(5)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元及宽带惠更斯透射阵列天线，仅由单层介质基板和双面的金属结构构成，无需金属通孔结构，与以往透射阵天线单元相比，结构简单，加工容易，剖面低，成本低，便于大规模生产，可广泛应用于毫米波及太赫兹频段的宽带、高效率透射阵列器件中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1a是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元的三维结构示意图；

图1b是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元的侧视图；

图1c是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元的顶视图；

图1d是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元的底视图；

图2是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元的在t＝0，1/4T，1/2T，3/4T时刻上下层金属贴片单元表面电流分布图，T为周期；

图3是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元60～100GHz内平均传输幅度与调控参数gapy，dx的变化关系；

图4是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元60～100GHz内传输相位覆盖范围与调控参数gapy，dx的变化关系；

图5是本发明实施例1所述宽带惠更斯超表面单元60～100GHz内相位带宽因子与调控参数gapy，dx的变化关系；

图6是本发明实施例1所述所有13个宽带惠更斯超表面单元在中心频率80GHz的传输幅度和传输相位特性曲线；

图7是本发明实施例1所述所有13个宽带惠更斯超表面单元的传输幅度和传输相位特性随频率的变化关系；

图8a是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列的阵面所需相位分布；

图8b是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列的阵面所需单元的序号分布；

图8c是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列的阵面实际相位与所需相位差值的分布；

图8d是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列的阵面实际的损耗分布；

图9a是本发明实施例1中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的三维示意图，单元结构采用开口方形环、馈源正馈的方形阵列；

图9b是本发明实施例1中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的侧视图，单元结构采用开口方形环、馈源正馈的方形阵列；

图10是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列的S参数曲线；

图11a是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列在75GHz的主极化与交叉极化归一化辐射方向图(E面)；

图11b是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列在80GHz的主极化与交叉极化归一化辐射方向图(E面)；

图11c是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列在85GHz的主极化与交叉极化归一化辐射方向图(E面)；

图12是本发明实施例1中所述宽带惠更斯透射天线阵列的增益和口径效率与频率的变化关系。

图13a是本发明实施例2中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的三维示意图，单元结构采用开口方形环、馈源偏馈角为10°的圆形阵列；

图13b是本发明实施例2中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的侧视图，单元结构采用开口方形环、馈源偏馈角为10°的圆形阵列；

图14a是本发明实施例3中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的三维示意图，单元结构采用开口方形环、馈源偏馈角为30°的三角布阵阵列；

图14b是本发明实施例3中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的侧视图，单元结构采用开口方形环、馈源偏馈角为30°的三角布阵阵列；

图15a是本发明实施例4中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的三维示意图，单元结构采用开口圆形环、馈源偏馈角为-20°的方形阵列；

图15b是本发明实施例4中所述宽带惠更斯超表面阵列与喇叭馈源整体结构的侧视图，单元结构采用开口圆形环、馈源偏馈角为-20°的方形阵列。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

针对现有的技术问题，本发明提出一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法。本发明所提出的宽带惠更斯超表面单元基于单层介质基板和双面金属贴片即可实现低于-1.5dB的传输幅度和覆盖360°的相位覆盖范围，并且具有宽谐振带宽和相位带宽。基于所提出的宽带惠更斯超表面单元，可实现宽带惠更斯透射阵列天线，可获得大于33％的3-dB增益带宽，同时保持近50％的高口径效率，兼顾带宽和效率，同时具有低剖面的优点。本发明不仅具有大工作带宽、高口径效率、高增益、低交叉极化的特点，而且结构简单，加工容易、剖面低、成本低，便于大规模生产。所提出的设计方法作为一种通用性的方法，非常适合平面透射天线阵列设计，可广泛应用于毫米波及太赫兹频段的宽带高增益高效率透射阵列器件中。

以下结合具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明，在以下实施例中，关注频率范围为60～100GHz。提到的xy坐标系方向，以附图为准，原点为所述介质基板的中心点，介质基板的x轴方向为水平方向，y轴方向为竖直方向，介质基板摆放在xoy平面，z轴方向为介质基板的厚度方向。

实施例1：单元结构采用开口方形环、馈源正馈的方形透射阵列

本实施例中，超表面单元结构采用开口方形环，馈源入射波束与阵面成90°，阵面轮廓为按照方形布阵方式组成的方形阵列。

宽带惠更斯超表面单元包括超表面单元层和介质层3，如图1所示，所述超表面单元层包括上层超表面单元层1和下层超表面单元层2，所述上层超表面单元层1由内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成；所述下层超表面单元层2由同样的内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成(即上层超表面单元层1和下层超表面单元层2的结构相同)，且与上层超表面单元层关于单元中心呈旋转对称关系。

以下所述第一方向以y轴方向为例：外层金属微带谐振体包括两条第一方向臂4、5和一条第二方向臂6，两条第一方向臂4、5与入射波的主极化方向一致，并且第一方向臂4、5与单元边界存在间隙gapx，一条第二方向臂6与两条第一方向臂4、5垂直连接，并且第二方向臂6与单元边界也存在间隙距离gapy；所述内层金属微带谐振体包括两条第一方向臂7、8和一条第二方向臂9，摆放方式与外层金属微带谐振体相同，所述金属微带谐振体的第一方向臂7、8的长度l₃和第二方向臂9的长度l₄分别短于外层金属微带谐振体的第一方向臂4、5的长度l₁和第二方向臂6的长度l₂，并且所述内层金属微带谐振体位于外层金属微带谐振体内侧，内层金属微带谐振体第一方向臂7与外层金属微带谐振体第一方向臂4存在间距dx，内层金属微带谐振体第二方向臂9与外层金属微带谐振体第二方向臂6存在间距dy；内层与外层金属微带谐振体形成嵌套的位置关系，能够有效提供宽带的单元工作带宽。

具体地，所述宽带惠更斯超表面单元的参数尺寸如下：周期P为[0.01λ，0.5λ]，每条臂线宽w为[0.01λ，0.05λ]，内层金属微带谐振体第一方向臂7与外层金属微带谐振体第一方向臂4的间距dx为[0.01λ，0.05λ]，内层金属微带谐振体第二方向臂9与外层金属微带谐振体第二方向臂6的间距dy为[0.01λ，0.05λ]，外层金属微带谐振体第一方向臂4、5与单元边界的间隙gapx为[0.01λ，0.1λ]，外层金属微带谐振体第二方向臂6与单元边界的间隙gapy为[0.01λ，0.1λ]，其中λ为自由空间波长。

在本实施例中，所述的宽带惠更斯超表面单元参数之间存在一定尺寸关系：外层金属微带谐振体的第二方向臂6的长度l₂＝P-2gapx，内层金属微带谐振体的第二方向臂9的长度l₄＝l₂-2dx-2w，内层金属微带谐振体第一方向臂7与外层金属微带谐振体第一方向臂4的间距与内层金属微带谐振体第二方向臂9与外层金属微带谐振体第二方向臂6的间距相等，dx＝dy。

作为一种可选的实施方式，所述宽带惠更斯超表面单元的激励方式为单线极化激励，包括x极化、y极化以及±45°极化，激励的极化方向需沿着第一方向；图1中所示的第一方向是沿y极化方向，第二方向是沿x极化方向，以此为例。

需要注意到是，所述宽带惠更斯超表面单元的第一方向臂4、5、7、8和一条第二方向臂6、9的形状可以采用开口多边形(如图1所示)，还可以采用开口圆弧形、矩形、圆形、扇形或者椭圆形，这些形状同样可以实现相应的功能。

在本实施例中，所述宽带惠更斯超表面单元中，上下层金属微带谐振体之间的反向电流可形成等效磁谐振，上下层金属微带谐振体的第一方向臂上同向电流可形成电谐振，因此，将内层与外层金属微带谐振体的第一方向臂4、5、7、8的长度l₁、l₃和间隙距离gapx、gapy、dx作为惠更斯超表面的调控参数，该五个调控参数用于调控磁谐振和电谐振的强弱，进一步调控惠更斯超表面单元的带宽、传输幅度和传输相位。

其中，外层金属微带谐振体第二方向臂6与单元边界的间隙gapy和内层金属微带谐振体第一方向臂7与外层金属微带谐振体第一方向臂4的间距dx，是用于调控惠更斯超表面带宽的两个关键参数，通过调节gapy和dx参数的匹配组合，可实现所需的宽带惠更斯超表面单元。

外层金属微带谐振体的第一方向臂4、5的长度l₁，内层金属微带谐振体的第一方向臂7、8的长度l₃，以及外层金属微带谐振体第一方向臂4、5与单元边界的间隙gapx，是用于调控惠更斯超表面谐振的三个关键参数，可用于实现所需的360°传输相位范围。

在本实施例中，当对于上述惠更斯谐振的调控参数实施适当的匹配组合时，会激发所需的惠更斯谐振，所述宽带惠更斯超表面单元在一个周期内不同时刻的金属表面电流分布如图2所示。在t＝0和t＝T/2时刻，上下层之间外层金属微带谐振体的第一方向臂上的电流呈现反向分布，同时，内层金属微带谐振体的第一方向臂上的电流也呈现反向分布，为奇模电流模式，感应出沿第二方向的等效磁流；而在t＝T/4和t＝3T/4时刻，上下层之间外层金属微带谐振体的第一方向臂上的电流均呈现同向分布，同时，内层金属微带谐振体的第一方向臂上的电流也呈现同向分布，为偶模电流模式，感应出沿第一方向的等效电流。另外，第二方向臂上的电流在每个时刻都呈现反向，在单元内部效果产生抵消。因此，感应出的电流和磁流相互正交，在单元中等效形成惠更斯源，所激发的磁谐振与电谐振强度平衡，形成惠更斯谐振；由于外层金属微带谐振体和内层金属微带谐振体由于尺寸相近，同时受到激励，故可实现两个惠更斯谐振，实现接近于1的传输幅度，进一步建立起低损耗传输的惠更斯超表面单元。

在本实施例中，通过调节上述惠更斯超表面带宽调控参数的匹配组合，需要使惠更斯超表面单元在所需频率范围内实现高效率传输。经过参数调节，在关注带宽内同时激励起两个惠更斯谐振，这两个相近的惠更斯谐振频率之间的差值小于中心频率的20％，即可获得多个临近的传输零点，从而拓宽惠更斯超表面单元的谐振带宽。得到惠更斯超表面单元在60～100GHz内平均传输幅度与调控参数gapy，dx的变化关系如图3所示。

在本实施例中，通过调节上述惠更斯超表面带宽调控参数的匹配组合，需要使惠更斯超表面单元在所需频率范围内的传输相位至少覆盖360°。经过参数调节，得到惠更斯超表面单元在60～100GHz内的传输相位覆盖范围与调控参数gapy，dx的变化关系如图4所示。

在本实施例中，为了准确描述惠更斯单元的相位带宽，定义相位带宽因子为

其中是单元在中心频率处的传输相位值，/>是所关注带宽内单元的相位覆盖范围。相位带宽因子表示中心频率处相位值和所实现相位覆盖范围的比值，因此相位带宽因子越小，相位带宽越大。

本实施例中，通过调节上述惠更斯超表面带宽调控参数的匹配组合，为了使惠更斯超表面单元达到尽可能大的相位带宽，需要使单元的相位带宽因子尽可能小。惠更斯超表面单元的相位带宽因子与调控参数gapy，dx的变化关系如图5所示。根据图3至图5的调控参数变化规律，为了获得最大的平均传输幅度、最大的传输相位覆盖范围以及最小的相位带宽因子，并且考虑实际物理加工限制，最终选择gapy＝0.07mm，dx＝0.05mm作为带宽调控的基础参数(图3至图5中标出)，在60～100GHz范围内可实现最大平均传输幅度为-1.17dB，最大传输相位覆盖范围达653°，最小相位带宽因子为0.72，因此，可进一步实现高传输效率、宽相位带宽的兼顾。

在本实施例中，通过构造不同的参数匹配组合，可以实现多组上述低损耗传输的惠更斯超表面单元，如表1所示，各个惠更斯超表面单元的谐振调控参数l₁,l₃,gapx在不断变化，从而使得各个单元的传输幅度和传输相位发生变化，可获得由13个单元组合而成的单元库。可见，通过调控参数的组合变化，可以实现的传输幅度在-1.5dB以上，传输相位覆盖360°，实现了高传输效率的惠更斯超表面单元，同时所有单元的相位带宽因子均小于1，实现了宽带的惠更斯超表面单元。

表1

本实施例中，所有13个宽带惠更斯超表面单元在中心频率80GHz的传输幅度和传输相位特性曲线如图6所示，可以看出所有单元的传输幅度均在-1.5dB以上，可实现高效率传输，不同单元的传输相位特性具有良好的线性度。

本实施例中，所有13个宽带惠更斯超表面单元的传输幅度和传输相位特性随频率的变化关系如图7所示，可以看出在73GHz～95GHz频段内，每个单元都实现了高于-2.5dB的传输幅度和平滑覆盖超过400°的传输相位，具有非常大的谐振带宽(27.5％)；不同单元之间相位平行度良好，具有非常大的相位带宽。因此，同时实现了惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽的提升。综上，本实施例实现了高效率的宽带惠更斯超表面单元。

基于上述的宽带惠更斯超表面单元，本实施例还提供一种宽带惠更斯透射阵列天线，所述的宽带惠更斯透射阵列天线包括馈源17和透射阵面16(即宽带惠更斯超表面阵列)两部分，其中，馈源用于对透射阵面进行照射馈电，可采用喇叭天线等形式；透射阵面用于将馈源发射的球面电磁波转换成为平面电磁波，由若干个宽带惠更斯超表面单元按照一定规律排布所组成，产生高增益的透射波束。

作为一种可选的实施方式，馈源入射波束与阵面垂直，出射波束与阵面垂直。为了将喇叭天线垂直入射的球面波转换为平面波，透射阵面上的每一个惠更斯超表面单元都应产生不同的相位调节，每个单元所需的传输相位可通过下式计算：

其中，R_i是馈源相位中心到编号为i的阵面单元之间的距离，F是馈源等效相位中心到阵面的焦距，k₀是该频率下的自由空间波数，是引入的参考相位。为了得到高效率同时大带宽的惠更斯透射阵列，需要使实际相位和所需相位的相位误差值低于20°，本实施例中参考相位/>

进一步地，根据所需相位数值对本实施例中得出的13个宽带惠更斯超表面单元进行索引，即可得到每个宽带惠更斯超表面单元具体的尺寸参数。计算得到的透射阵面所需的相位分布、所需单元的序号分布、实际相位与所需相位差值的分布以及阵面实际的损耗分布如图8a～8d所示，可以看出，实际相位与所需相位差值的最大值为18°，相位误差值低于20°。通过阵面实际的损耗分布图可知，阵面损耗分布不超过-1.4dB，可以实现高增益高效率的设计目标。

本实施例中，所述宽带惠更斯超表面透射阵列天线整体结构如图9a和图9b所示。其中，透射阵面是由若干个宽带惠更斯超表面单元按照上述规律排布所组成，馈源是采用波导馈电的喇叭天线。

本实施例中，馈源喇叭天线为波导馈电型，波导口尺寸3.098×1.549mm²，喇叭开口口径9×6.4mm²，馈源喇叭天线在中心频率80GHz时增益为15.9dBi，10-dB波宽为54°。为了获得最佳的阵面照射效率，使馈源照射到所述透射阵面的边缘区域照射信号强度较中央区域的照射信号强度下降10dB，根据馈源喇叭的10-dB波宽，获得焦径比为0.98，阵面口径大小为40×40mm²，由20×20个单元构成。

本实施例中，所述宽带惠更斯超表面透射阵列天线的反射系数如图10所示，S11<-10dB频率范围覆盖全部所关注频段60～100GHz，证明了实施例具有宽阻抗带宽，可实现较好的宽带匹配。

本实施例中，所述的宽带惠更斯透射阵列天线在75GHz～85GHz时归一化E面辐射方向图如图11a～11c所示，可以看出，方向图的交叉极化低于-22dB，10-dB透射波束宽度一致性较好，说明本实施例中的宽带惠更斯透射阵列天线具有稳定的宽带性能。

本实施例中，所述的宽带惠更斯透射阵列天线的增益和口径效率与频率的变化关系如图12所示，可见在中心频率80GHz时峰值增益达28.51dBi，口径效率为49.65％，实现了高增益高效率的惠更斯透射阵列；1-dB增益带宽覆盖76.1～90.1GHz，绝对带宽为14GHz，3-dB增益带宽覆盖72.5～99GHz，绝对带宽为26.5GHz，1-dB和3-dB增益的相对带宽分别达到17.5％和33.14％，达到当前已知惠更斯透射阵列的最宽增益带宽，实现了高效率同时具备大带宽的惠更斯透射阵列。

基于上述的宽带惠更斯超表面单元和宽带惠更斯透射阵列天线，本实施例还提供相应的设计方法，具体包括宽带惠更斯超表面单元的设计方法和宽带惠更斯透射阵列天线的设计方法两部分：

(1)宽带惠更斯超表面单元设计方法

所述设计方法表述为：以金属贴片单元中，内层与外层金属微带谐振体的第一方向臂长度和间隙距离作为调控参数，通过调控参数的匹配组合，使惠更斯单元满足双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，提升惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽，实现宽带惠更斯超表面单元；

所述双惠更斯谐振状态，是指在关注带宽内同时激励起两个(及以上)谐振频率接近的惠更斯谐振，即可获得多个临近的传输零点，从而提升惠更斯超表面单元的谐振带宽。

所述紧耦合状态，是指基于双惠更斯谐振状态的单元，两个相近的惠更斯谐振频率之差低于中心频率的20％，同时相位带宽因子低于1，从而提升惠更斯超表面单元的相位带宽。紧耦合状态的定义如下：

其中，f₀是中心频率，f₁、f₂是两个相近的惠更斯谐振的频率，所述相位带宽因子定义为用于描述透射单元的相位带宽大小，定义式如下：

其中是单元在中心频率处的透射相位值，/>是所关注带宽内单元的相位覆盖范围。相位带宽因子表示中心频率处相位值和所实现相位覆盖范围的比值，因此相位带宽因子越小，相位带宽越大。

本实施例中所述设计方法的有效性，已在实施例1的结果中得到证明：根据该设计方法设计的13个宽带惠更斯超表面单元，每个单元在中心频率都实现了高于-1.5dB的传输幅度和平滑覆盖360°的传输相位，每个单元均能实现高效率传输；在73GHz～95GHz频段内，每个单元都实现了高于-2.5dB的传输幅度和平滑覆盖超过400°的传输相位，具有非常大的谐振带宽(27.5％)，不同单元之间相位平行度良好，具有非常大的相位带宽。因此，同时实现了惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽的提升，最后，实现了高效率的宽带惠更斯超表面单元。

(2)宽带惠更斯透射阵列天线设计方法

本实施例中，所述设计方法表述为：在透射阵面计算中引入合适的参考相位使设计方法(1)所述的宽带惠更斯超表面单元进行组阵后，实际相位和所需相位的相位误差值低于20°，即可实现宽带惠更斯透射阵列天线；

透射阵面上的每一个惠更斯超表面单元所需的传输相位值可通过下式计算得到：

其中，R_i是馈源相位中心到编号为i的阵面单元之间的距离，F是馈源到阵面的焦距，k₀是该频率下的自由空间波数。

本实施例中所述设计方法的有效性，已在实施例1的结果中得到证明：根据该设计方法设计的惠更斯透射阵列天线，口径效率接近50％，获得高达17.5％和33.14％的1-dB和3-dB增益带宽，达到当前已知惠更斯透射阵列的最大带宽，实现了高效率同时具备大带宽的惠更斯透射阵列。

由以上可知，本发明的宽带惠更斯超表面单元、宽带惠更斯透射阵列天线及设计方法，从单元角度，本发明不但能够有效提升单元传输幅度，从而实现高效率传输，而且能有效改善惠更斯超表面单元的谐振带宽和相位带宽，从而实现大工作带宽的惠更斯超表面单元；从阵列角度，本发明基于宽带惠更斯超表面单元进行组阵，降低惠更斯透射阵列天线的相位误差值，实现高效率的同时具备大带宽的惠更斯透射阵列天线。

作为一种可选的实施方式，本实施例的介质基板的介电常数ε_r为[1,10]，损耗角正切为[0.0001,0.01]，厚度均为[0.01λ,0.3λ]，金属贴片单元厚度为[0.005λ,0.1λ]，其中λ为自由空间波长。上述实施例中所给数据参数是中心频率为80GHz时的尺寸。

实施例2：单元结构采用开口方形环、馈源偏馈角为10°的圆形阵列

实施例2中的宽带惠更斯超表面透射阵列，超表面单元结构采用开口方形环(与实施例1中的相同)，馈源入射波束与阵面的夹角为10°，阵面轮廓为方形布阵的圆形阵列，类似实施例1的实施过程，可得到所述宽带惠更斯超表面透射阵列天线整体结构如图13a和图13b所示。其中，透射阵面是由若干个开口方形环惠更斯超表面单元按照方形布阵方式组成的圆形阵列18，馈源喇叭天线19的偏馈角为10°。

实施例3：单元结构采用开口方形环、馈源偏馈角为30°的三角布阵阵列

实施例3中的宽带惠更斯超表面透射阵列，超表面单元结构采用开口方形环(与实施例1中的相同)，馈源入射波束与阵面的夹角为30°，阵面轮廓为三角形布阵的方形阵列，类似实施例1的实施过程，可得到所述宽带惠更斯超表面透射阵列天线整体结构如图14a和图14b所示。其中，透射阵面是由若干个开口方形环惠更斯超表面单元按照三角布阵方式组成的方形阵列20，馈源喇叭天线21的偏馈角为30°。

实施例4：单元结构采用开口圆形环、馈源偏馈角为-20°的方形阵列

实施例4中的宽带惠更斯超表面透射阵列，超表面单元结构采用开口圆形环，馈源入射波束与阵面的夹角为-20°，阵面轮廓为方形布阵的方形阵列，类似实施例1的实施过程，可得到所述宽带惠更斯超表面透射阵列天线整体结构如图15a和图15b所示。其中，透射阵面是由若干个开口圆形环惠更斯超表面单元按照方形布阵方式组成的方形阵列22，馈源喇叭天线23的偏馈角为-20°。

综上所述，本发明提出的宽带惠更斯超表面单元包括超表面单元层和介质层，超表面层包括上层和下层超表面单元层，上层超表面单元由内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成；下层超表面单元由同样的内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成，与上层超表面单元关于单元中心呈旋转对称关系；通过构造双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，该宽带惠更斯超表面单元在中心频率实现了高于-1.5dB的传输幅度和平滑覆盖360°的传输相位，同时在高达27.5％的带宽内，惠更斯超表面单元组合中的每个单元均实现了高于-2.5dB的传输幅度和平滑覆盖超过400°的传输相位，在低损耗传输的同时实现了惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽的提升，突破了现有单谐振惠更斯单元窄带宽的限制。本发明提出的宽带惠更斯透射阵列天线是基于所述宽带惠更斯超表面单元按照一定规律组成，实现了高达33.14％的3-dB增益带宽和接近50％的口径效率，与以往的惠更斯透射阵列研究相比，同时兼顾带宽和效率，达到当前已知惠更斯透射阵列的最大带宽，在以往的设计中很少能做到带宽和效率的兼顾。本发明提出的设计方法使惠更斯超表面单元和惠更斯透射阵列的带宽均获得大幅提升，并且该方法具有通用性，适用于不同频段的宽带、高效率透射超表面及阵列的设计需求。

另外，本发明提出的宽带惠更斯超表面单元及宽带惠更斯透射阵列天线，仅由单层介质基板和双面的金属结构构成，无需金属通孔结构，与以往透射阵天线单元相比，结构简单，加工容易，剖面低，成本低，便于大规模生产，可广泛应用于毫米波及太赫兹频段的宽带高效率透射阵列器件中。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式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方式或示例中。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方式或示例。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方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本发明权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种宽带惠更斯超表面单元，其特征在于，包括：

超表面单元层，所述超表面单元层包括上层超表面单元层和下层超表面单元层；所述上层超表面单元由内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成；所述下层超表面单元与所述上层超表面单元层的结构相同，且与所述上层超表面单元关于单元中心呈旋转对称关系，形成双惠更斯谐振状态和紧耦合状态；

介质层，所述介质层位于所述上层超表面单元层和下层超表面单元层之间；

其中，所述双惠更斯谐振状态由上、下层超表面单元的内层和外层嵌套的金属微带谐振体分别形成两对惠更斯谐振构成；所述紧耦合状态由内外层嵌套的金属微带谐振体构成。

2.根据权利要求1所述的一种宽带惠更斯超表面单元，其特征在于，所述双惠更斯谐振状态，是指在预设带宽内同时激励起两个或两个以上谐振频率接近的惠更斯谐振，获得多个临近的传输零点，以提升惠更斯超表面单元的谐振带宽；

所述紧耦合状态，是指内外层金属微带谐振体的谐振频率之差低于中心频率的20％，同时相位带宽因子小于1，以提升惠更斯超表面单元的相位带宽。

3.根据权利要求1所述的一种宽带惠更斯超表面单元，其特征在于，所述超表面单元层中金属微带谐振体的结构包括开口多边形、开口圆弧形、矩形、圆形、扇形或者椭圆形；通过调控所述两个金属微带谐振体的谐振频率，以调控所述宽带惠更斯超表面单元的带宽、传输幅度和/或传输相位，进而实现传输相位覆盖360°、传输幅度大于-1.5dB的惠更斯超表面单元组合。

4.根据权利要求1所述的一种宽带惠更斯超表面单元，其特征在于，所述上层超表面单元的外层金属微带谐振体包括两条第一方向臂和一条第二方向臂，两条所述第一方向臂均与所述第二方向臂垂直连接；

所述上层超表面单元的内层金属微带谐振体包括两条第三方向臂和一条第四方向臂，两条所述第三方向臂均与所述第四方向臂垂直连接；

其中，所述第一方向臂与第三方向臂平行，且第一方向臂的长度大于第三方向臂的长度；

所述第二方向臂与第四方向臂平行，且第二方向臂的长度大于第四方向臂的长度。

5.根据权利要求1所述的一种宽带惠更斯超表面单元，其特征在于，所述宽带惠更斯超表面单元的激励方式为单线极化激励，所述单线极化激励包括x极化、y极化或者±45°极化，激励的极化方向沿着金属微带谐振体的主极化方向。

6.一种针对如权利要求1-5所述的宽带惠更斯超表面单元的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

将内层与外层金属微带谐振体的金属臂长度和间隙距离作为调控参数；

通过调控参数的匹配组合，使宽带惠更斯超表面单元满足双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，以提升惠更斯超表面单元的谐振带宽和相位带宽，进而实现宽带惠更斯超表面单元。

7.一种宽带惠更斯透射阵列天线，其特征在于，包括：

宽带惠更斯超表面阵列，由多个如权利要求1-5所述的宽带惠更斯超表面单元按照预设规律排布组成；

馈源天线，作为所述宽带惠更斯透射阵列天线的馈源，用于提供覆盖宽带惠更斯超表面阵列的波束宽度。

8.根据权利要求7所述的一种宽带惠更斯透射阵列天线，其特征在于，所述宽带惠更斯超表面阵列中的每个所述宽带惠更斯超表面单元所需的传输相位通过下式进行计算：

式中，R_i是馈源相位中心到编号为i的阵面单元之间的距离，F是馈源相位中心到阵面的焦距，k₀是预设频率下的自由空间波数，是参考相位。

9.根据权利要求7所述的一种宽带惠更斯透射阵列天线，其特征在于，所述宽带惠更斯超表面阵列为方形布阵的方形阵列、方形布阵的圆形阵列或者三角形布阵的方形阵列；

馈源类型包括喇叭馈源、维瓦尔第天线馈源或者贴片天线阵列馈源，馈源入射波束与阵面的夹角为预设角度。

10.一种针对如权利要求7-9所述的宽带惠更斯透射阵列天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

在惠更斯透射阵列天线的阵面计算中引入参考相位使阵列实际相位和所需相位的相位误差值低于预设值，进而实现宽带惠更斯透射阵列天线。