本發(fā)明屬于電磁場(chǎng)與微波，特別涉及一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線。

背景技術(shù)：

1、超表面作為一種二維形式的人工復(fù)合電磁材料，通過(guò)在電磁波入射分界面上引入場(chǎng)的不連續(xù)性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波固有性質(zhì)的復(fù)雜調(diào)控。但是，目前基于超表面實(shí)現(xiàn)的波束調(diào)控天線主要由無(wú)源超表面單元組成，即單元電磁響應(yīng)固定、功能固定，無(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用中的動(dòng)態(tài)調(diào)控需求。

2、可重構(gòu)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)有源形式的超表面提供了一種新的工作機(jī)制。通過(guò)加載到有源器件上的外部控制電路實(shí)時(shí)地調(diào)控電磁波傳播，形成可調(diào)諧超表面?，F(xiàn)有的可調(diào)諧超表面設(shè)計(jì)中，大多數(shù)對(duì)其上的可調(diào)器件進(jìn)行控制，從而能夠?qū)椛洳ㄟM(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)波束掃描的特性，或者對(duì)散射波束調(diào)控，但同時(shí)實(shí)現(xiàn)輻射波束和散射波束獨(dú)立調(diào)控的設(shè)計(jì)存在一定的難度，并且在環(huán)境復(fù)雜化、功能多樣化的發(fā)展需求之下，單一的功能無(wú)法滿足日益增長(zhǎng)的需求，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能電磁波調(diào)控逐漸成為超表面的研究熱點(diǎn)之一。此外，目前的有源超表面天線多為平面結(jié)構(gòu)。當(dāng)天線共形至柱面載體平臺(tái)時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波束調(diào)控。

3、基于全息原理的超表面天線由于具有低剖面、饋源設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、易于共形和加工成本低等優(yōu)勢(shì)，使得全息表面天線能夠應(yīng)用于小型化、共形化的無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)景。傳統(tǒng)的全息天線一旦全息圖案建立，其遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖也就固定了，無(wú)法滿足無(wú)線通信的需求?？芍貥?gòu)全息表面天線的設(shè)計(jì)改善了傳統(tǒng)全息表面天線的不足，無(wú)需復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)裝置和移相電路就可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波束成形?，F(xiàn)有研究工作大致集中于實(shí)現(xiàn)在平面平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)單一功能的可重構(gòu)全息表面天線，且僅證明了可重構(gòu)全息表面實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)波束調(diào)控的可行性。目前還沒有研究共形可重構(gòu)全息表面的輻射和散射波束動(dòng)態(tài)獨(dú)立調(diào)控的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，全息表面在柱形載體平臺(tái)上共形，實(shí)現(xiàn)了輻射和散射方向圖同時(shí)獨(dú)立定向調(diào)控，散射性能上可重構(gòu)全息表面同時(shí)具有入射角度不敏感性和低雷達(dá)散射特性。以期解決現(xiàn)有波束調(diào)控手段中僅考慮平面平臺(tái)、僅考慮定向調(diào)控輻射波束方向和僅考慮低雷達(dá)散射截面的不全面設(shè)計(jì)，從而拓寬全息表面應(yīng)用領(lǐng)域。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，包括輻射器和位于輻射器中心位置的饋源；所述輻射器為由m×n個(gè)共形可重構(gòu)全息表面單元呈陣列排列構(gòu)成的柱面結(jié)構(gòu)，m表示軸向數(shù)量，n表示周向數(shù)量，m≥1，n≥1，每個(gè)所述共形可重構(gòu)全息表面單元包括介質(zhì)層和金屬層；

4、所述介質(zhì)層包括上方的第一柱面介質(zhì)層和下方的第二柱面介質(zhì)層；

5、所述金屬層包括位于第一柱面介質(zhì)層上表面的全息表面貼片層；位于第一柱面介質(zhì)層下表面的金屬地面層；位于第一柱面介質(zhì)層的銅柱層；以及位于第二柱面介質(zhì)層下表面的直流偏置層；

6、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，所述全息表面貼片層利用可重構(gòu)技術(shù)和全息原理在遠(yuǎn)場(chǎng)形成期望的干涉場(chǎng)；金屬地面層作為整個(gè)天線的地板層；銅柱層和直流偏置層為共形重構(gòu)全息表面單元提供電壓差。

7、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，全息表面貼片層為h字形，包括兩個(gè)相同的柱面矩形金屬貼片一、柱面矩形金屬貼片二，柱面矩形金屬貼片一和柱面矩形金屬貼片二沿軸向布置，在兩個(gè)金屬貼片之間水平方向上設(shè)置有一個(gè)變?nèi)荻O管，變?nèi)荻O管位于第一柱面介質(zhì)層上表面，連接在柱面矩形金屬貼片一和柱面矩形金屬貼片二之間。

8、所述柱面矩形金屬貼片一和柱面矩形金屬貼片二的長(zhǎng)度l1為3.6mm，寬度w1為1.6mm，柱面矩形金屬貼片一、柱面矩形金屬貼片二分別到共形可重構(gòu)全息表面單元邊緣的距離d1為0.7mm，兩個(gè)柱面矩形金屬貼片之間的間距寬度w2為0.4mm。

9、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，所述銅柱層由銅柱一和銅柱二構(gòu)成，其中銅柱一同時(shí)穿過(guò)第一柱面介質(zhì)層和第二柱面介質(zhì)層，與直流偏置層連接，銅柱二穿過(guò)第一柱面介質(zhì)層，與金屬地面層連接。

10、所述銅柱一的半徑r1為0.35mm，高度h1為1.398mm，銅柱二的半徑r2為0.4mm，高度h2為1.27mm。

11、所述銅柱一位于柱面矩形金屬貼片一的中心位置。銅柱二位于柱面矩形金屬貼片二的中心位置。

12、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，所述金屬地面層位于第一柱面介質(zhì)層的下表面，且在其上開有過(guò)孔，使得銅柱一從該孔穿過(guò)，過(guò)孔的半徑r3為0.7mm，到共形可重構(gòu)全息表面單元邊緣的距離與銅柱一到共形可重構(gòu)全息表面單元邊緣的距離相同。

13、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，所述共形可重構(gòu)全息表面單元長(zhǎng)度和寬度均為a＝5mm。

14、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，所述的第一柱面介質(zhì)層的厚度h3為1.27mm，半徑為160mm，圓心角度數(shù)為37.6°；第二柱面介質(zhì)層的厚度h4為0.128mm，半徑為158.73mm，圓心角度數(shù)為37.9°。共形可重構(gòu)全息表面單元總厚度為1.398mm，所述柱面介質(zhì)層的材質(zhì)均是相對(duì)介電常數(shù)為6.15的taconic?rf-60材料。

15、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，在對(duì)銅柱一施加的電壓變化時(shí)，變?nèi)荻O管會(huì)呈現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，全息表面單元同時(shí)會(huì)擁有隨變?nèi)荻O管工作狀態(tài)變化的表面阻抗。能夠?qū)椛淦鞯母缮鎴D樣阻抗分布進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射和散射波束可重構(gòu)。

16、上述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，所述饋源，采用單極子天線結(jié)構(gòu)。且單極子天線圓柱導(dǎo)體的中心與輻射器的中心法線重合。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

18、第一，本發(fā)明創(chuàng)新地將共形可重構(gòu)全息表面用于同時(shí)且獨(dú)立調(diào)控輻射和散射波，實(shí)現(xiàn)了輻射動(dòng)態(tài)波束成形，在散射狀態(tài)下具有入射角度不敏感性，實(shí)現(xiàn)了散射多波束分裂和定向調(diào)控，大大提高了應(yīng)用的靈活性。

19、第二，本發(fā)明創(chuàng)新地將可重構(gòu)全息表面應(yīng)用于共形平臺(tái)的雷達(dá)散射截面減縮，具有良好的隱身特性，拓寬了其應(yīng)用場(chǎng)景。

20、第三，本發(fā)明利用可重構(gòu)全息表面單元，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活度高，適用于無(wú)線通信、雷達(dá)系統(tǒng)多目標(biāo)追蹤和低雷達(dá)散射截面等多功能器件。

21、綜上，本發(fā)明柱面共形可重構(gòu)全息表面同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)輻射波束和散射波束獨(dú)立連續(xù)調(diào)控，有望應(yīng)用于柱面結(jié)構(gòu)載體平臺(tái)的新體制無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)、減小雷達(dá)散射截面等領(lǐng)域。

技術(shù)特征：

1.一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，包括輻射器(1)和位于輻射器(1)中心位置的饋源(2)；所述輻射器(1)為由m×n個(gè)共形可重構(gòu)全息表面單元(11)呈陣列排列構(gòu)成的柱面結(jié)構(gòu)，m表示軸向數(shù)量，n表示周向數(shù)量，m≥1，n≥1，每個(gè)所述共形可重構(gòu)全息表面單元(11)包括介質(zhì)層和金屬層；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述全息表面貼片層(111)利用可重構(gòu)技術(shù)和全息原理在遠(yuǎn)場(chǎng)形成期望的干涉場(chǎng)；金屬地面層(112)作為整個(gè)天線的地板層；銅柱層(113)和直流偏置層(114)為共形可重構(gòu)全息表面單元(11)提供電壓差。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述全息表面貼片層(111)為h字形，包括相同的柱面矩形金屬貼片一(1111)和柱面矩形金屬貼片二(1112)，柱面矩形金屬貼片一(1111)和柱面矩形金屬貼片二(1112)沿軸向布置，在兩個(gè)金屬貼片之間水平方向上設(shè)置一個(gè)變?nèi)荻O管(1113)，變?nèi)荻O管(1113)位于第一柱面介質(zhì)層(3)上表面，連接在柱面矩形金屬貼片一(1111)和柱面矩形金屬貼片二(1112)之間。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述共形可重構(gòu)全息表面單元(11)長(zhǎng)度和寬度均為a＝5mm，所述柱面矩形金屬貼片一(1111)和柱面矩形金屬貼片二(1112)的長(zhǎng)度l1為3.6mm，寬度w1為1.6mm，柱面矩形金屬貼片一(1111)、柱面矩形金屬貼片二(1112)分別到共形可重構(gòu)全息表面單元(11)邊緣的距離d1為0.7mm，柱面矩形金屬貼片一(1111)和柱面矩形金屬貼片二(1112)之間的間距w2為0.4mm。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述銅柱層(113)由銅柱一(1131)和銅柱二(1132)構(gòu)成，其中銅柱一(1131)同時(shí)穿過(guò)第一柱面介質(zhì)層(3)和第二介柱面質(zhì)層(4)，與直流偏置層(114)連接，銅柱二(1132)穿過(guò)第一柱面介質(zhì)層(4)，與金屬地面層(112)連接。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，對(duì)銅柱一(1131)施加的電壓變化時(shí)，變?nèi)荻O管(1112)呈現(xiàn)不同的工作狀態(tài)，共形可重構(gòu)全息表面單元(11)會(huì)擁有隨變?nèi)荻O管(1112)工作狀態(tài)變化的表面阻抗，能夠?qū)椛淦?1)的干涉圖樣阻抗分布進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射和散射波束可重構(gòu)。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述銅柱一(1131)位于柱面矩形金屬貼片一(1111)的中心位置，銅柱二(1132)位于柱面矩形金屬貼片二(1112)的中心位置。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述銅柱一(1131)的半徑r1為0.35mm，高度h1為1.398mm，銅柱二(1132)的半徑r2為0.4mm，高度h2為1.27mm；所述的第一柱面介質(zhì)層(3)的厚度h3為1.27mm，半徑為160mm，圓心角度數(shù)為37.6°；第二柱面介質(zhì)層(4)的厚度h4為0.128mm，半徑為158.73mm，圓心角度數(shù)為37.9°，共形可重構(gòu)全息表面單元(11)總厚度為1.398mm，所述介質(zhì)層的材質(zhì)是相對(duì)介電常數(shù)為6.15的taconic?rf-60材料。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述金屬地面層(112)上開有過(guò)孔(5)，使得銅柱一(1131)從該孔穿過(guò)，過(guò)孔(5)的半徑r3為0.7mm，到共形可重構(gòu)全息表面單元(11)邊緣的距離與銅柱一(1131)到共形可重構(gòu)全息表面單元(11)邊緣的距離相同。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，其特征在于，所述饋源(2)采用單極子天線結(jié)構(gòu)，且單極子天線圓柱導(dǎo)體的中心與輻射器(1)的中心法線重合。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種輻射和散射動(dòng)態(tài)調(diào)控的柱面共形可重構(gòu)全息表面天線，包括輻射器及饋源，輻射器包括M×N個(gè)共形可重構(gòu)全息表面單元，共形可重構(gòu)全息表面單元包括兩層介質(zhì)層和三層金屬層，介質(zhì)層由上而下分布的第一柱面介質(zhì)層和第二柱面介質(zhì)層構(gòu)成；金屬層自上而下分別為第一金屬層的全息表面貼片層、第二金屬層的金屬地面層、第三金屬層的銅柱層和直流偏置層；全息表面貼片層為H字形，包括兩個(gè)柱面矩形金屬貼片且在金屬貼片之間設(shè)置有一個(gè)變?nèi)荻O管；金屬地面層作為整個(gè)天線的地板層；銅柱層和直流偏置層給變?nèi)荻O管提供電壓差，控制共形可重構(gòu)全息表面單元的干涉圖樣阻抗分布，實(shí)現(xiàn)輻射和散射波束及方向圖重構(gòu)。

技術(shù)研發(fā)人員：洪濤,張昕雨,李鑫,高雨辰,魏昆,姜文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/23