一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线

1.本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线。


背景技术：

2.随着微波无线通信技术和微波雷达的发展，透射阵列天线在各种应用中也受到了极大的兴趣，如无线通信、卫星通信和跟踪、汽车雷达、成像等。在过去的二十年里，超材料和超表面作为一种人工周期结构，已被广泛地应用于设计波的传播特性。然而，由于馈源和阵列天线之间还存在较大的空间，阵列天线仍然很难实现一个非常低的轮廓。为了解决这一问题，设计了折叠透射阵列天线，它能把天线整体结构降低2/3的高度，而折叠反射阵列天线只能降低1/2的高度；则折叠透射阵列天线能更有效降低天线整体高度，从而实现一个非常低的轮廓。极化光栅作为折叠透射天线设计的关键部件，由两个正交偏振网格组成，可以高效地实现极化选择。为了实现对超表面散射场的完全控制，必须将亚波长共振粒子设计成提供所有可能的透射/反射相位和幅度的组合。如果表面为反射型，则只能控制反射幅度和相位；然而，如果表面是透射型的，那么问题就更复杂了，因为复杂的透射率和反射率都必须同时被操纵。在目前很少有实现独立反射/透射幅度和相位同时控制的解决方案。
3.幅度和相位调控的实现方法有多种，例如，在单元的位置上添加电阻/集总元件；或增加多层谐振型结构来实现幅度和相位的调控。然而，加载电阻/集总元件和利用多层谐振型结构的方式都会使超表面的结构复杂，设计和加工困难，且电阻/集总元件和单元格相比具有固定的大小，难以调节；多层谐振型结构的工作带宽一般较窄，难以实现对电磁波的宽带调控。为了克服上述天线带来的问题，低轮廓、低副瓣、幅度调控和相位调控的反射和透射超表面、折叠反射和透射超表面成为了近几年的研究热点。


技术实现要素：

4.本发明目的在于提供一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线,以解决上述的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本发明的一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线的具体技术方案如下：一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线，包括透射超表面和反射超表面，所述透射超表面和反射超表面相对设置；所述透射超表面包括二层相互正交的极化光栅、二层rogers ro4003c介质板和多个金属辐射单元，二层相互正交的极化光栅分别在二层rogers ro4003c介质板的上下表面，所述金属辐射单元在二层rogers ro4003c介质板的中间；所述反射超表面包括多个金属单元、一层rogers ro4003c介质板和一层金属地；所述金属单元在rogers ro4003c介质板的上表面，所述金属地在rogers ro4003c介质板的下表面。
6.进一步的，包括喇叭馈源，所述喇叭馈源嵌入在反射超表面的中间。
7.进一步的，所述极化光栅包括一个x极化光栅和一个y极化光栅，所述x极化光栅设置在rogers ro4003c介质板的上表面，所述y极化光栅设置在rogers ro4003c介质板的下表面。
8.进一步的，每个所述金属辐射单元是一个开口谐振环。
9.进一步的，所述金属单元包括一个向左上角开口的第一v型结构和一个向右下角开口的第二v型结构，所述第一v型结构和第二v型结构开口相对。
10.进一步的，所述透射超表面包括16x16个金属辐射单元阵列；所述反射超表面包括16x16个金属单元阵列。
11.进一步的，所述透射超表面和反射超表面平行设置，所述透射超表面和反射超表面形成折叠光路。
12.进一步的，每个金属辐射单元之间的间隔为λ/2，每个金属单元之间的间隔为λ/2，λ为工作波长。
13.进一步的，所述喇叭馈源距离透射超表面为1.53个工作波长。
14.进一步的，所述开口谐振环开口角度可调。
15.本发明的一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线具有以下优点：天线由一个喇叭馈源和一个16x16的透射射超表面阵列和一个16x16的反射超表面阵列组成，采用空间馈电的形式，避免了复杂的馈电网络设计。通过改变透射超表面中开口谐振环的开口大小和利用镜像原理，实现了相位调控并到达了360
°
的相位全覆盖；通过改变开口谐振环的旋转角度，实现了幅度调控。在工作频率下，口径效率可以达到25.38%，3db的工作带宽为26.5-33.5ghz（25%），平均增益可以达到22.5dbi。另外，本发明天线利用泰勒分布可以实现小于-20db的低副瓣效果。本发明通过改变单元结构的几何尺寸，实现每个单元电磁波辐射相位的独立控制；同时，改变单元结构的旋转角度，实现每个单元幅度的独立控制，从而达到降低副瓣的效果。相比较传统的透射阵列天线相比，折叠透射阵列天线不仅降低了2/3的轮廓，而且具有平面结构紧凑等优点。本发明的折叠透射超表面天线具有幅度相位同时独立调控、低副瓣、低轮廓、易于制造、设计简单等特点。
附图说明
16.图1（a）是本发明的透射超表面的金属辐射单元立体结构示意图；图1（b）是本发明的透射超表面的金属辐射单元平面结构示意图。
17.图2（a）是本发明的反射超表面的金属单元立体结构示意图；图2（b）是本发明的反射超表面的金属单元平面结构示意图。
18.图3（a）是本发明的幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线整体结构示意图；图3（b）是本发明的幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线折叠光路示意图；图4（a）是本发明的透射超表面单元镜像和不镜像透射相位和透射幅度随开口谐振环的开口大小变化的关系曲线；图4（b）是本发明的透射超表面开口谐振环开口角度分布示意图；图4（c）是本发明的透射超表面开口谐振环镜像与不镜像分布示意图；
图5（a）是本发明的透射超表面单元透射相位和透射幅度随开口谐振环的旋转角度变化的关系曲线；图5（b）是本发明的透射超表面开口谐振环旋转角度分布示意图；图6（a）是本发明的反射超表面单元反射系数和极化转换后的反射系数随频率变化的关系曲线；图6（b）是本发明的反射超表面极化转换效率随频率变化的关系曲线；图7（a）是本发明的折叠透射超表面天线仿真的xoz平面的远场方向图；图7（b）是本发明的折叠透射超表面天线仿真的yoz平面的远场方向图。
19.图中标记说明：100、透射超表面；200、反射超表面；1、极化光栅；2、rogers ro4003c介质板；3、金属辐射单元；4、x极化光栅；5、y极化光栅；6、开口谐振环；7、金属单元；8、金属地；9、第一v型结构；10、第二v型结构；11、喇叭馈源。
具体实施方式
20.为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线做进一步详细的描述。
21.本发明一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线包括透射超表面100和反射超表面200。如图1（a）、图1（b）所示，为透射超表面100的单元结构图，包括二层相互正交的极化光栅1、二层rogers ro4003c介质板2、多个金属辐射单元3。相互正交的极化光栅1分别在二层rogers ro4003c介质板2的上下表面，金属辐射单元3在二层rogers ro4003c介质板2的中间。两层极化光栅1分别为一个设置在rogers ro4003c介质板2上表面的x极化光栅4和一个设置在rogers ro4003c介质板2下表面的y极化光栅5；x极化光栅4和y极化光栅5相互正交，每个所述金属辐射单元3是一个开口谐振环6。
22.如图2（a）、图2（b）所示，为反射超表面200的单元结构图，包括rogers ro4003c介质板2，一个金属单元7在rogers ro4003c介质板2的上表面，金属地8在rogers ro4003c介质板2的下表面。金属单元7包括一个向左上角开口的第一v型结构9和一个向右下角开口的第二v型结构10。第一v型结构9和第二v型结构10开口相对。
23.如图3（a）所示，本发明的一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线的透射超表面100包括16x16个金属辐射单元3组成的阵列；反射超表面200包括16x16个金属单元7组成的阵列，如图3（b）所示，透射超表面100和反射超表面200通过塑胶平行固定在一定高度，透射超表面100和反射超表面200形成折叠光路。每个金属辐射单元3之间的间隔为λ/2，每个金属单元7之间的间隔为λ/2，λ为其工作波长，设置λ/2间隔大小以减小单元之间的耦合作用并避免了大角度下栅瓣的产生。确定好rogers ro4003c介质板2的介电常数后，对金属辐射单元3和金属单元7尺寸进行合理的设计，就可以实现幅度和相位独立调控，以及90
°
极化转换的效果。
24.如图4（a）所示，是本发明的开口谐振环6在改变其开口角度时，有180
°
的相位变化；当将其镜像后，在同样的开口角度变化范围内又实现了180
°
，原结构和镜像后的结构馈源实现相位调控并达到360
°
相位全覆盖。在此过程中，幅度值没有受到很大影响，变化范围在可接受范围内。总之，通过改变开口谐振环6的角度和镜像原理，能够实现透射相位调控，而透射幅度不受影响。
25.如图4（b）所示，是本发明的开口谐振环6在调节和计算后得到整个透射超表面开口谐振环6开口角度的分布示意图。
26.如图4（c）所示，是本发明的开口谐振环6在调节和计算后得到整个透射超表面开口谐振环6镜像分布示意图，其中0表示镜像：1表示的不镜像。
27.如图5（a）所示，是本发明的开口谐振环6在改变其旋转角度时，有透射幅度变化；而透射相位不受影响，除了在θ为0
°
时有跳变。总之，通过改变开口谐振环6的开口角度的同时改变其旋转角度，能够实现透射幅度和相位同时独立调控，而相互之间不受影响。
28.如图5（b）所示，是本发明的开口谐振环6利用泰勒分布计算得到整个透射超表面开口谐振环6旋转角度的分布示意图。
29.如图6（a）所示，是本发明的金属单元7在频率变化的情况下，y极化的反射系数和经过极化转换后成x极化的反射系数。
30.如图6（b）所示，是本发明的金属单元7通过y极化反射系数和x极化反射系数的计算，得到反射极化转换效率。通过图中可以看出在25-42ghz的频段内，极化转换效率到达了95%以上。
31.如图3（a）所示，本发明的一种幅度和相位同时独立调控的折叠透射超表面天线，采用喇叭馈源11作为天线的馈源，为了保证喇叭馈源11照射的能量能被透射超表面的x极化光栅4大部分反射，然后被反射超表面的金属单元7反射，最后由透射超表面透射出去，喇叭距离超表面约为1.53个工作波长。
32.如图7（a）所示，是本发明的折叠透射超表面天线仿真的xoz平面远场方向图，y极化入射的电磁波通过折叠透射超表面天线，得到y极化的出射波，主瓣增益有22.5db并且有较低的副瓣-20db；其交叉极化（x极化）水平非常低。
33.如图7（b）所示，是本发明的折叠透射超表面天线仿真的yoz平面远场方向图，y极化入射的电磁波通过折叠透射超表面天线，得到y极化的出射波，主瓣增益有22.5db并且有较低的副瓣-21db；其交叉极化（x极化）水平非常低。口径效率可以达到25.38%，3db的工作带宽为26.5-33.5ghz（25%）。
34.与传统透射超表面天线和折叠天线相比，本发明的折叠透射超表面天线具有幅度相位同时独立调控、低副瓣、低轮廓、易于制造、设计简单等特点。
35.可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本技术的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。