一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法

1.本发明属于sar天线技术领域,具体涉及一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法。


背景技术：

2.星载合成孔径雷达(sar)是微波遥感载荷，具有全天时、全天候的特点。随着对复杂目标成像的技术指标需求不断提高，高分辨率星载sar技术得到长足发展。天线是sar系统的重要组成部分，其电性能直接影响了sar系统的工作特性。常用的sar系统天线有相控阵天线及焦平面阵列天线。
3.信息超材料技术是最近比较火热的话题，涵盖了数字编码超材料、现场可编程超材料以及未来的软件化超材料等，是物理学与信息科学的有机融合。编码超材料(coding metamaterial)的主要特点在于它可以实现电磁波的自由调控，将超材料和数字信息建立起联系。其主要优点为可实时、宽角度地控制电磁波；在物理空间上搭建了数字空间，可对物理和数字信息同时调控；可基于多种介质基板构建，容易与目标外壳共型。
4.与传统的机械驱动阵列天线或者相控阵天线等具有波束扫描能力的雷达系统相比，信息超材料在sar雷达天线子系统方面具有实时调控、低成本等优势。相控电磁表面，是利用可重构的技术手段设计的基于pcb工艺的低成本反射阵天线单元阵列，并在其中加入可电调的器件和材料，从而实现一种对电磁波进行实时调相控制的新技术。基于二极管的可重构天线技术，与液晶、微机电系统等可电调器件或材料相比，具有易加工、切换速度快、射频损耗小等优点。
5.现有的雷达天线系统主要技术缺陷有以下几点：
6.相控阵天线主要技术缺陷在于相控阵系统依赖大规模天线阵的相干波束扫描，由于需要控制每个单元的相位，需要复杂的功分网络以及大量的造价昂贵的t/r组件，成本很高。
7.传统的机械驱动的焦平面阵列天线技术缺陷在于依赖天线的机械扫描，数据获取效率低，无法满足实时感知的需求。


技术实现要素：

8.为了解决相控阵成本较高以及机械扫描数据获取率低的问题，本发明提出了一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法。本发明用数字编码信息(
‘0’
和
‘1’
)表征超材料，通过改变超材料空间编码进而改变超材料反射单元的物理状态和信息状态，实现了电磁物理与信息的一体化调控。通过控制超材料反射单元的0、1状态实现超材料反射单元180
°
相移，进而实现整个阵列的波束控制。
9.为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
10.一种编码超材料可重构反射面天线，包括介质层、反射层、加电层和fpga控制板；所述介质层，以f4b介质板为基础，在内部共有2*a*b个金属通孔，用于对二极管进行加电；
所述反射层包括a*b个超材料反射单元，用于实现对入射电磁波的反射角度控制及波束赋型；所述加电层为独立层，用于单独对每个二极管进行控制；所述加电层的输出端与所述介质层的金属通孔相连接，通过所述fpga控制板控制二极管通断，达到控制反射波束的目的；a，b为正整数。
11.进一步地，所述超材料反射单元共分为3层，超材料反射单元表层由两个l型金属贴片和在其中间开设的l型槽组成，中间为f4b介质层，底层为金属接地层，中间通过两个金属通孔将上层的l型金属贴片与地相连，两个l型金属贴片中间由一个pin二极管连接。
12.进一步地，当二极管的通断发生变化时，超材料反射单元的整体电长度和电流走向发生改变，入射电磁波经过超材料反射单元反射后相位发生改变，实现180
°
相移的
‘0’
和
‘1’
两种模式。
13.本发明还提供一种编码超材料可重构反射面天线设计方法，包括初始相位计算、补偿相位计算和相位归一化处理；
14.所述初始相位计算包括计算编码超材料可重构反射面天线每个超材料反射单元最初的相位状态；
15.所述补偿相位计算根据电磁波传输理论计算馈源到每个超材料反射单元的相位；
16.所述归一化处理包括在二极管控制的超材料反射单元只有0
°
和180
°
两种相位补偿模式时，将计算出的相位补偿归一化，相位在-90
°
到 90
°
的超材料反射单元计为
‘0’
模式，相位在 90
°
到 270
°
的超材料反射单元计为
‘1’
模式。
17.有益效果：
18.本发明可以控制二极管(pin)实现电流翻转，能轻便地、低成本地在x波段保证稳定的180
°
调相效果。通过输入合适的空间编码，编码超材料可重构反射面天线可以形成不同指向的波束；此种天线具有易加工、成本低、控制速度快等优点，是x波段雷达系统的一种可选方案，具有很高的应用价值。本发明提出的编码超材料可重构反射面天线设计方法利用二极管的可重构手段对超材料反射面天线进行编码，不需要复杂的功分网络及高成本移相网络即可实现二维波束控制。
附图说明
19.图1为本发明的编码超材料可重构反射面天线设计方法的具体设计流程图；
20.图2为超材料反射单元结构图；
21.图3为超材料反射单元0/1模式相位曲线图；
22.图4为编码超材料可重构反射面天线阵面结构图；
23.图5为喇叭馈源结构图；
24.图6为超材料反射单元初始相位分布色块图；
25.图7为超材料反射单元相位补偿色块图；
26.图8为超材料反射单元相位归一化色块图；
27.图9为二极管通断控制图；
28.图10为编码超材料可重构反射面波束扫描仿真结果；
29.图11为本发明的编码超材料可重构反射面天线设计方法的具体操作流程图。
具体实施方式
30.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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
31.本发明提出了一种编码超材料可重构反射面天线，可以实现宽带稳定相移，天线由a*b个超材料反射单元组成阵面，可以实现二维高精度波束扫描，适用于星载sar雷达天线系统。本发明的编码超材料可重构反射面天线包括介质层、反射层、加电层、fpga控制板。所述介质层，采用f4b介质板为基础，在内部共有2*a*b个金属通孔，用于对二极管进行加电。所述反射层包括a*b个超材料反射单元，用于实现对入射电磁波的反射角度控制及波束赋型。所述加电层为独立层，用于单独对每个二极管进行控制。加电层的输出端与介质层的金属通孔相连接，通过所述fpga控制板控制二极管通断，达到控制反射波束的目的。其中，a，b为正整数。
32.所述编码超材料可重构反射面天线直接对电磁波进行操控，具体方式是阵面每个超材料反射单元结构的相位补偿不同，那么调控的电磁波具有不同的反射方向和波束赋型形状，其中波束赋型与操控由编码超材料可重构反射面的超材料反射单元贴片表面上焊接的pin二极管实现；编码超材料可重构反射面天线的超材料反射单元通过控制二极管两端电压通断，改变超材料反射单元结构的谐振频率，进而产生不同的相位补偿角，再经过归一化处理最后实现对入射电磁波的信道管理和波束赋型。
33.如图1所示，本发明的编码超材料可重构反射面天线设计方法，分为以下六个步骤进行，并对最终的设计结果进行实例分析。
34.步骤s1：设计超材料反射单元。为了能够实现编码超材料可重构反射面天线波束扫描，超材料反射单元需要具有可电调的特点。常用的一种方法是采用液晶材料，通过给液晶材料加电改变液晶材料的介电常数从而实现单元反射相位的改变，但由于液晶材料是液体，不易于星载sar的使用，所以一般采用二极管的形式实现。超材料反射单元对反射相位的要求是能够在0
°
到360
°
区间内产生稳定间隔的相位差，比较简单的就是0
°
和180
°
两种模式相位差，超材料反射单元形式并不固定。以本发明的实例中的超材料反射单元为例，超材料反射单元的结构如图2所示：超材料反射单元共分为3层，超材料反射单元表层由两个l型金属贴片1和在其中间开的l型槽2组成，中间为f4b介质层3，底层为金属接地层4，中间有两个金属通孔5将上层的l型金属贴片1与地相连，两个l型金属贴片1中间由一个pin二极管6连接。
35.超材料反射单元的具体原理为：当二极管的通断发生变化时，超材料反射单元的整体电长度和电流走向会发生改变，入射电磁波经过超材料反射单元反射后相位会发生改变，可以实现180
°
相移的
‘0’
或
‘1’
两种模式。超材料反射单元的反射相位图如图3所示，经过波导法仿真以及实际实物的测量，该实例的超材料反射单元可以在比较宽的频率范围内实现十分稳定的180
°
相位差。
36.步骤s2：确定编码超材料可重构反射面天线的阵面大小及超材料反射单元数量。根据sar系统对分辨率的要求，方位向分辨率为合成孔径的一半。为了满足方位向波束扫描的精度，设计阵面包括的超材料反射单元为a*b个，超材料反射单元间距为7.04mm。阵面大
小为7，04a*7.04b mm，厚度为2.04mm，阵面采用上层为超材料反射单元表层；中间为f4b介质层；下层为金属接地层的形式，单独制作fpga控制板通过中间的金属通孔控制每一个超材料反射单元的二极管通断。所述阵面如图4所示，其中a＝30，b＝30。
37.步骤s3：根据编码超材料可重构反射面天线的阵面大小确定馈源位置及尺寸。馈源采用比较常见的喇叭天线形式。首先根据编码超材料可重构发射面天线的阵面的焦点位置确定馈源位置大致在阵面直径的0.85-0.95倍，经过仿真确定馈源距离阵面的高度。再根据馈源到阵面边界的张角大致为喇叭方向图的-13db波束宽度确定喇叭的尺寸。最终得到的馈源喇叭天线如图5所示，馈源距离阵面的高度为0.95*a mm。
38.步骤s4：通过软件计算阵面的初始相位，在设定好编码超材料可重构反射面天线的阵面大小、超材料反射单元间距以及馈源位置的前提下，超材料反射单元初始相位如图6所示，横纵轴表示超材料反射单元在二维分布的序号，右侧色谱代表相位度数从1到360度的渐变；当入射电磁波垂直入射编码超材料可重构反射面天线时，在某种场景下假如需要反射角为0
°
即垂直出射，根据电磁波传输理论可以计算出馈源到每个超材料反射单元的相位，其相位色块图如图7所示，横纵轴表示超材料反射单元在二维分布的序号，右侧色谱代表相位度数从1到360度的渐变，叠加后得到的相位即是最终需要通过控制二极管实现对每个超材料反射单元的相位补偿。由于超材料反射单元能够实现的相位补偿模式数量有限，以本发明为例，由于二极管控制的超材料反射单元只有0
°
和180
°
两种相位补偿模式，所以要对这些相位分区域进行归一化处理。
39.步骤s5：将计算出的相位补偿归一化，以本发明的超材料基本单元相位补偿为例，相位在-90
°
到 90
°
的超材料反射单元计为
‘0’
模式，相位在 90
°
到 270
°
的超材料反射单元计为
‘1’
模式，根据计算得到的新的色块图控制二极管的通断，超材料反射单元的模式越多，相位划分越细致，天线的效率就越高。归一化相位补偿色块图如图8所示，横纵轴表示超材料反射单元在二维分布的序号，右侧色谱为
‘0’
模式与
‘1’
模式的颜色分布。
40.步骤s6：根据软件计算得到的相位补偿通过fpga控制板控制每个二极管的通断实现天线的波束扫描，以本发明为例，在设定好出射角后计算出每个超材料反射单元的相位补偿，从而判断每个超材料反射单元的二极管的工作状态。如图9所示当电磁波垂直入射垂直反射时，深色部分为二极管加电位置，其余二极管断开。hfss仿真的波束角指向与软件计算的得到的预期吻合。本发明的编码超材料可重构反射面天线可以在
±
30
°
内实现高精度步进的波束扫描。扫描结果如图10所示。
41.以上是编码超材料可重构反射面天线具体设计流程及实例，接下来以本发明的实例说明编码超材料可重构反射面天线实现波束扫描的具体操作：
42.如图11所示，本发明的编码超材料可重构反射面天线的具体波束扫描操作为：在某种应用场景中将设计的编码超材料可重构反射面天线阵面放置于合适位置；将馈源放置在据阵面0.95*a mm处，可以垂直入射电磁波也可以斜向入射；设定好想要出射的二维角度，以(15
°
,15
°
)举例；通过软件编写好的程序输入入射角度以及所需要的出射角度，得到二极管工作通断模式图；通过fpga控制板按照仿真得到的结果控制实际编码超材料可重构反射面天线的二极管；用另一个同波段的喇叭天线接收反射的电磁波看所得到的结果是否吻合。
43.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。