一种基于多层脊波导结构的CTS波束扫描天线的制作方法

transverse stub antenna array using metamaterial
‑
based phase shifters for beam steering,”ieee transactions on antennas and propagation,2013.61(7):3511
‑
3518)，cpw传输线上集成了若干超材料移相器，其中每个移相器可以等效为一个串联电容值和两个对称分布的并联电感，天线的波束扫描功能是通过调节移相器的相位特性而实现的，虽然该类型cpw
‑
cts天线可以实现天线的一维扫描波束，但是存在介质损耗大，偏置电路设计复杂等问题。
6.已知使用波导技术设计的阵列天线馈电网络具有较低的导体损耗，较高的功率容量以及较低的剖面高度。
7.针对波束扫描，采用加载变容管的有源超表面波束扫描设计，可以避免产生直流功耗。超表面波束扫描结构由于引入变容管结构，其表面电流变化不同于无源结构，重要的是，不同的变容管的电容值值对透射波有明显影响，根据不同的扫描角度需求设计控制电压，可通过简单切换灵活实现了波束扫描角度，透射波扫描带宽宽，切换灵活，且结构损耗小，轮廓低，效率高，不混入入射波。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于动中通系统特别是航空系统的ghz频率范围的基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线，该cts天线能够以最小的尺寸利用最大的功率密度进行符合规定的发射操作，在接收操作中具有较高的天线效率和低的背景噪声，同时能够实现电子扫描波束，本发明可用于高性能的电扫天线阵列场合，具有频带宽，调控灵活，损耗低等特点。
9.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线，包括：基于多层脊波导结构的cts天线和超表面移相结构；所述基于多层脊波导结构的cts天线包括线源结构、脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构、脊波导h面功率分配结构和辐射结构；所述超表面移相结构包括第一超表面移相结构和第二超表面移相结构，用于控制电磁波的相位分布，并实现电子扫描波束；所述第一超表面移相结构位于基于多层脊波导结构的cts天线的线源结构内部，用于实现h面的电子扫描波束；所述第二超表面移相结构位于基于多层脊波导结构的cts天线的辐射结构表面，用于实现e面或h面电子扫描波束。
10.进一步地，所述基于多层脊波导结构的cts天线的线源结构由平行板波导组成，为cts天线提供平面波馈源；脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构，将平行板波导方向上平面电磁波离散化，包括输入波导结构、金属隔板、模式转换结构和多路脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口，所述输入波导结构的末端设有若干等间距排布的金属隔板，相邻金属隔板之间中心位置设置有模式转换结构，连接各路脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口；所述脊波导h面功率分配结构的输入端口连接各路脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口，用于能量在平行板波导传播方向的均匀或不均匀分配，所述脊波导h面功率分配结构为具有h面t型功率分配器的二叉树形式，所述h面t型功率分配器分支波导平面与脊波导模式的磁场所在平面平行；所述辐射结构用于将能量分配后的电磁波辐射至自由空间。
11.进一步地，所述模式转换结构可以为探针型结构或缝隙/圆孔耦合型结构，作用是
实现平行板波导模式与脊波导模式的相互转换，其中探针型结构中的探针垂直于平行板波导的上下表面放置，连通平行板波导结构与脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口；缝隙/圆孔耦合型结构的缝隙/圆孔开口平行于平行板波导表面，连通平行板波导结构与脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口。
12.进一步地，所述脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构还能实现阻抗匹配，所述阻抗匹配实现了平行板波导与脊波导的阻抗匹配；能量转向，所述能量转向实现了平行板波导传播方向到平行板波导窄边方向的电磁波传播；模式转换，所述模式转换即实现了平行板波导模式与脊波导模式的相互转换。
13.进一步地，所述超表面移相结构包括介质基板、金属图案和变容二极管；超表面移相结构相邻两层介质基板之间印刷有一层金属图案，最外侧介质基板的外表面印刷有金属图案，金属图案的层数比介质基板多一层；所述超表面移相结构最外侧介质基板的金属图案上加载有变容二极管。
14.进一步地，每个超表面移相结构最外侧的介质基板表面印刷有相同的金属环嵌套内实心金属片，所述金属环与所述内实心金属片之间印刷有金属焊盘，用于对称加载变容二极管。
15.进一步地，所述金属焊盘在y方向连接在金属环与内实心金属片之间，在y方向加载两个中心对称的变容二极管。
16.进一步地，所述超表面移相结构相邻两层介质基板之间的金属图案由倒t型金属条关于介质基板中心对称旋转获得，每个倒t型金属条的横边靠近对称旋转中心，竖边指向介质基板外侧，且对称旋转后的每个金属条相接。
17.进一步地，两层介质基板之间的金属图案印刷在上层介质基板的下表面或者下层介质基板的上表面。
18.进一步地，所述第一超表面移相结构置于基于多层脊波导结构的cts天线的线源结构内部，与馈源波导端口平行放置，用于控制透射电磁波的h面相位分布。
19.进一步地，所述第一超表面移相结构外接垂直偏置电源，通过更改垂直偏置电压的电压大小，可以调整变容二极管的电容值大小，从而得到不同递进相位差的透射波，进而形成不同角度的扫描波束。
20.进一步地，所述第二超表面移相结构置于基于多层脊波导结构的cts天线的辐射结构表面，用于控制透射电磁波的e面或/和h面相位分布。
21.进一步地，所述第二超表面移相结构外接水平偏置电源，通过更改水平偏置电压的电压大小，可以调整变容二极管的电容值大小，从而得到不同递进相位差的透射波，进而形成不同角度的扫描波束。
22.进一步地，所述超表面移相结构同时放置第一超表面移相结构和第二超表面移相结构，能够实现电子扫描波束。
23.进一步地，若将两个所述基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线并排放置，还能够实现和差波束功能。
24.进一步地，所述基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线，所述脊波导结构可以是单脊结构，双脊结构，对称结构，以及非对称结构，还可以是非标脊波导，介于波导和脊波导之间的结构。
25.进一步地，所述基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线，所述脊波导壁采用金属良导体，所述脊波导结构包括但不限于加脊/介质填充基片集成波导(rsiw)。
26.进一步地，所述基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线用于卫星通信应用。
27.本发明与现有技术相比具有如下优点：
28.1.采用了脊波导馈电结构，天线损耗较低。
29.2.采用了脊波导馈电结构，频带较宽。
30.3.超表面移相结构简单且易于加工实现，直流功耗较低。
31.4.由于采用超表面移相结构，在实现电子扫描波束的同时，不增加馈电结构的复杂程度，整体剖面较低，从而简化设计，整体结构更加易于加工。
附图说明
32.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
33.图1是本发明实施例的基于多层脊波导结构的cts天线整体结构透视图；
34.图2是本发明实施例的基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线示意图；
35.图3是本发明实施例的脊波导h面功率分配结构的电场分布图；
36.图4是本发明实施例的基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线辐射结构的剖面侧视图；
37.图5是本发明实施例的脊波导的剖面正视图；
38.图6是本发明实施例的脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构ⅰ剖面侧视图；
39.图7是本发明实施例的脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构ⅱ剖面侧视图；
40.图8是本发明实施例的脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构ⅲ剖面侧视图；
41.图9是本发明实施例的缝隙/圆孔耦合结构俯视图；
42.图10是本发明实施例的超表面移相结构单元示意图；
43.图11是本发明实施例的超表面移相结构单元层叠示意图；
44.图12为本发明实施例的超表面移相结构阵列示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动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。
46.需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
47.本发明实施例提供的一种基于多层脊波导的波束扫描cts天线，包括基于多层脊波导结构的cts天线和超表面移相结构。
48.参考图1、2和3所示，本发明实施例提供的基于多层脊波导结构的cts天线，包括：线源结构1、脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构2、脊波导h面功率分配结构3和辐射结构4；线源结构1为平行板波导，一端连接外部输入馈源，另一端连接脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构2，为cts天线提供平面波馈源，同时设置有短路面，用于反射电磁波；脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构2，将平面波离散化并输入至脊波导h面功率分配结构3；脊波导h面功率分配结构3，用于能量均匀或不均匀分配后输入至辐射结构4；辐射结构4，用于将能量分配后的电磁波辐射至自由空间。
49.所述脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构2，相邻离散化单元之间设置有金属隔板5，金属隔板5的作用是将相邻离散化单元的电磁波进行隔离，通过设置合适的厚度尺寸可以达到较好的匹配效果，本实施例的金属隔板5采用金属立方体进行设计，可以设想金属隔板5还可以由圆柱状结构组成，所述金属隔板5高度与平行板波导结构高度相同；相邻金属隔板5的距离d等于离散化间距d，d＜λ0，λ0为发射或接收电磁波的最小自由空间波长；通过调节金属隔板5的长度和宽度，实现阻抗匹配。相邻金属隔板5中心位置对应的波导上表面开槽，作为各路脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口6，该脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口6分别与脊波导h面功率分配结构功分输入端口相连接，所述脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口6设置为单脊或双脊波导，根据脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口6不同，对应的波导上表面所开槽也不同，单脊波导为c型槽，双脊波导为i型槽。
50.参考图4所示，所述基于多层脊波导结构的cts天线还包含辐射结构4，所述辐射结构极化方式一致，各个辐射结构分别对应各路脊波导h面功率分配结构功分输出端口11，用于将分流后的电磁波辐射到自由空间，选择合适的辐射元件尺寸及其孔径面积的大小，使得各辐射元件的相位中心之间的沿着两个坐标方向上的间隔比λ0小，其中λ0表示发射或接收电磁波的最小自由空间波长。该间隔保证了在天线方向图中的最大有用频率范围内，在任意方向上不会产生称为“栅瓣”的寄生旁瓣。左图所示为直接连接各路脊波导h面功率分配结构的辐射结构，波导喇叭14开口向上，辐射结构的输入端口连接各路脊波导h面功率分配结构功分输出端口11，右图所示为包含探针模式转换结构的辐射结构，其中探针25与辐射阵面平行放置，刻蚀在电路板20之上，相邻辐射结构4之间设有金属隔板12进行隔离。
51.参考图5所示，所述脊波导结构可看作由矩形波导把宽壁弯折而成，脊波导结构可以是单脊结构30，双脊结构31，对称结构，以及非对称结构，还可以是非标脊波导，介于波导和脊波导之间的结构。
52.参考图6、7、8和9所示，所述脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构2包括一个水平放置的平行板波导、多路竖直放置的脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口6、若干金属隔板5和模式转换结构，其中模式转换结构可以为探针型结构(如脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构ⅲ、脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构ⅱ所示)或缝隙/圆孔耦合型结构(如脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构ⅰ所示)，作用是实现平行板波导模式与脊波导模式的相互转换，其中探针型结构中的探针可以为直探针21或弯折探针22，刻蚀在电路板20之上，连通平行板波导结构与脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口；缝隙/圆孔耦合模式转换结构23的缝隙开口26或圆孔开口27平行于平行板波导表面，连通平行板波导结构与脊波导
‑
平行板波导宽边离散化结构输出端口。
53.然而，同样可以设想模块的其他布置和其他的辐射结构尺寸。例如还能够将方形的辐射结构布置成圆。也不需要所有的辐射结构具有相同的尺寸。
54.根据应用和要求的频率带宽，能够将诸如传统的脊波导改为圆形波导或更加宽带的脊波导这样的多重波导作用于波导结构，其中脊波导可以设置为单脊波导或双脊波导。还可以设想填充有电介质的波导。
55.本发明实施例提供的超表面移相结构，包括第一超表面移相结构7和第二超表面移相结构8，所述第一超表面移相结构7位于基于多层脊波导结构的cts天线的线源结构1内部，用于控制电磁波的h面相位分布，用于实现h面的电子扫描波束，所述第二超表面移相结构8位于基于多层脊波导结构的cts天线的辐射结构4表面，用于控制透射电磁波的e面或/和h面相位分布，用于实现e面或/和h面的电子扫描波束。同时放置第一超表面移相结构7和第二超表面移相结构8时，能同时实现e面和h面的电子扫描波束。
56.参考图10和11所示，本发明实施例提供的超表面移相结构，所述超表面移相结构包含多层介质板的每级超表面之间为厚度渐变的空气层，厚度由外侧向中心减小。超表面最外侧的介质基板上下表面都周期印刷金属图案，其顶层与底层为有源层，层图案为金属环嵌套内实心金属片。方形金属环等效为电感结构，环内边与实心金属片外边连接长方形金属贴片作为变容二极管的焊盘。有源层在方形金属条焊盘与内方形金属贴片间沿y方向对称焊接的2个变容二极管，2个变容二极管的偏置电压大小相同，方向相反。x方向单元的变容管偏置电压不连通，可分方向单独馈电。通过外方形金属环连接长方形金属条与金属贴片馈电，变容二极管电容值与结构等效电容值并联。每两个介质基板之间印刷有一层金属图案作为无源层，有源层间通过介质基板印刷的无源超表面层间隔，无源层印刷图案由倒t型金属条关于介质基板中心对称旋转获得，每条倒t型金属条的横边靠近对称旋转中心，竖边指向介质基板外侧，且对称旋转后的每个金属条相接。单独调整沿x方向单元变容管的偏置电压改变电容值值，控制透射波的相位分布，从而实现透射波等相位差，完成对波面相位的调控。
57.隔n个周期的超表面单元产生的相移γ
n
通过下式计算获得：
[0058][0059]
其中，λ0为自由空间中波长，p为周期的长度，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γ
n
需要每个超表面产生的相移a
n
＝
‑
γ
n
α0 2πi，α0为第一个超表面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，变容管电容值值等于ci，产生的相移为φ
i
，第j个单元的变容管的偏置电压为vj，变容管电容值值等于cj，产生的相移为φ
j
。当φ
j
‑
φ
i
＝γ
j
‑
i
2πm，m为自然数，则透射波仍为平面波，波束偏转角度为θ。
[0060]
本发明结构沿x方向的不同的单元等效电容值值不同，透射波垂直分量与入射波间的相位差不同，当改变偏置电压使得两个分量的相位差达到所需的角度，就可以使得线极化入射波透射后实现任意角度扫描。
[0061]
本实施例中超表面单元采用4级结构，每级由三层周期排列的单元组成，第一、三层外正方形金属环边长取p，宽度为t；长方形金属贴片长度为l1，宽度为d；内正方形实心金
属片边长取w
o
；第二层中间金属环的边长取w2，内挖空方片边长为w1，四个金属臂的长度为l2，宽度为uw；级间距分别为g2，g1，g2。定义行方向为x方向，列方向为y方向。
[0062]
参考图12所示，为超表面单元构成的超表面移相结构阵列。
[0063]
以上是本发明的具体实施方式，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基于多层脊波导结构的cts波束扫描天线。本发明是cts天线的一种改善，使得天线结构具有低剖面、宽带、高功率、低副瓣和易加工的优点，同时能实现电子扫描波束，本发明可用于高性能的电扫天线阵列场合，具有频带宽，调控灵活，损耗低等特点。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。