本發(fā)明屬于移動(dòng)通信天線，具體涉及一種基于新型雙頻相移超表面的雙頻寬角掃描天線。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)代無(wú)線通信已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪袩o(wú)處不在的一部分，在無(wú)線通信中，天線陣列以其獨(dú)特的波束控制能力被廣泛應(yīng)用于雷達(dá)、通信等領(lǐng)域。天線陣列的寬波束掃描簡(jiǎn)稱寬角掃描，為了實(shí)現(xiàn)高速長(zhǎng)距離通信，增加覆蓋范圍，改善多徑效應(yīng)，天線陣列需要具有寬角度掃描的性能，擴(kuò)展天線陣列掃描范圍和保持高質(zhì)量的寬角掃描性能是目前所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

2、為了解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)者們采用各種超表面用來(lái)提高天線陣列的性能。為了提高天線陣列的掃描性能，超表面被設(shè)計(jì)為阻抗匹配層或介質(zhì)。但是這些超表面必須協(xié)同天線專門(mén)設(shè)計(jì)以適應(yīng)天線陣列，限制了設(shè)計(jì)的靈活性。而對(duì)于固定的天線陣列，由相移超表面單元組成的相位梯度超表面可用于擴(kuò)展其的掃描范圍。然而，這些超表面只能在單個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)相移，這限制了其在多頻段天線中的應(yīng)用。因此，相移超表面在多頻段天線上的應(yīng)用仍有很大發(fā)掘空間。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的主要目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)與不足，提供一種基于新型雙頻相移超表面的雙頻寬角掃描天線。

2、本發(fā)明通過(guò)將擁有雙頻獨(dú)立相移功能的超表面單元形成對(duì)稱的梯度排列，并將超表面單元加載在雙頻天線陣列上，使雙頻天線陣列的掃描性能在兩個(gè)頻段上都能被提高，擴(kuò)展了超表面在多頻段天線陣列中的應(yīng)用；本發(fā)明通過(guò)復(fù)用雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，使超表面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶上的獨(dú)立相移，最終實(shí)現(xiàn)提高兩個(gè)工作在不同頻段的天線陣列的掃描范圍。

3、為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

4、一種基于雙頻相移超表面的雙頻寬角掃描天線，包括超表面結(jié)構(gòu)，雙頻天線陣列以及反射面，所述超表面結(jié)構(gòu)設(shè)置在雙頻天線陣列的上方[12mm，13mm]，優(yōu)選為12.5mm處，超表面結(jié)構(gòu)尺寸為[250，260]mm×[60，65]mm，優(yōu)選為252mm×63mm，雙頻天線陣列設(shè)置在介質(zhì)基板的上表面，反射面設(shè)置在下表面，介質(zhì)基板尺寸為[240，260]mm×[58，65]mm，優(yōu)選為240mm×60mm，以反射面為xoy面，反射面中心為原點(diǎn)，超表面結(jié)構(gòu)、雙頻天線陣列以及反射面都關(guān)于xoz面對(duì)稱，且中心位于z軸上。

5、進(jìn)一步地，所述超表面結(jié)構(gòu)由12×3個(gè)超表面單元呈陣列排布構(gòu)成，所述超表面結(jié)構(gòu)用于偏轉(zhuǎn)雙頻天線陣列的掃描波束，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)大雙頻天線陣列的掃描性能。

6、進(jìn)一步地，所述超表面單元由三層金屬層與兩層介質(zhì)層組成，三層金屬層均由一個(gè)方環(huán)與內(nèi)嵌方環(huán)的兩個(gè)圓環(huán)組成，其中，兩個(gè)圓環(huán)分為內(nèi)環(huán)與外環(huán)，三者中心在同一條軸上，在低頻時(shí)，方環(huán)部分可視為感性，在低頻實(shí)現(xiàn)較高的透射性能，外環(huán)可視為容性，在低頻實(shí)現(xiàn)較大相移，內(nèi)環(huán)可視為斷路。

7、在高頻時(shí)，方環(huán)可視為斷路，外環(huán)在高頻時(shí)可視為感性，在高頻實(shí)現(xiàn)較高的投射性能，內(nèi)環(huán)可視為容性，在高頻實(shí)現(xiàn)較大相移。

8、進(jìn)一步地，所述超表面單元中，內(nèi)環(huán)與外環(huán)尺寸不同，通過(guò)調(diào)整超表面單元的外環(huán)尺寸，控制超表面單元在低頻的相移，通過(guò)調(diào)整超表面單元的內(nèi)環(huán)尺寸，控制超表面結(jié)構(gòu)在高頻的相移，且兩者相互獨(dú)立，外環(huán)尺寸變化不會(huì)對(duì)高頻相移產(chǎn)生影響，內(nèi)環(huán)尺寸變化不會(huì)對(duì)高頻相移產(chǎn)生影響。通過(guò)改變內(nèi)環(huán)與外環(huán)的尺寸可以在兩個(gè)頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)每個(gè)超表面單元之間產(chǎn)生-30°的傳輸相位差，可在0°到-150°間形成6種相位梯度。以超表面單元中層金屬層為xoy面，超表面單元中心為原點(diǎn)，將具有6種不同相位梯度的超表面單元按照沿y方向按相位遞增的方式排列組成一維相位梯度超表面，該超表面在兩個(gè)頻段均有相同的相位分布根據(jù)廣義snell定律，當(dāng)相位梯度超表面被平面波照射時(shí)，平面波將在兩個(gè)頻段向y方向偏轉(zhuǎn),，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)頻段的掃描波束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。

9、進(jìn)一步地，以反射面為xoy面，反射面中心為原點(diǎn)，所述超表面結(jié)構(gòu)根據(jù)廣義snell定律，將具有6種不同相位梯度的超表面單元按照相位由xoz平面向±y方向遞減的方式排列組成一維對(duì)稱相位梯度分布，超表面結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻段均有相同的相位分布，且相位分布相對(duì)xoz平面對(duì)稱，當(dāng)y<0部分的超表面結(jié)構(gòu)被平面波照射時(shí)，平面波將被逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)y>0部分的超表面結(jié)構(gòu)被平面波照射時(shí)，平面波將被順時(shí)針偏轉(zhuǎn)。

10、進(jìn)一步地，所述超表面結(jié)構(gòu)加載在雙頻天線陣列上方后，當(dāng)陣列波束向順時(shí)針?lè)较驋呙?，y>0部分的超表面結(jié)構(gòu)將被波束照射，波束將向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)陣列波束向逆時(shí)針?lè)较驋呙钑r(shí)，y<0部分的超表面結(jié)構(gòu)將被波束照射，波束將向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了波束掃描范圍的提升，由于超表面結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻段都有相同的相位分布，所述超表面結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)雙頻天線陣列掃描性能的提升。

11、進(jìn)一步地，所述雙頻天線陣列具體由6個(gè)高頻微帶天線和5個(gè)低頻微帶天線組成線陣排列，采用同軸饋電，微帶天線擁有較寬的波束，且能使陣列結(jié)構(gòu)更為緊湊，有利于超表面結(jié)構(gòu)更好地覆蓋雙頻天線陣列輻射的波前。

12、進(jìn)一步地，所述超表面結(jié)構(gòu)距離反射面的高度為0.15 λ l， λ l為低頻最低頻點(diǎn)自由空間波長(zhǎng)。

13、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

14、（1）本發(fā)明所涉及的超表面單元在3.5?ghz和6?ghz獨(dú)立相移(50°~-200°)，同時(shí)保持較高的傳輸幅度(平均傳輸幅度超過(guò)80%)。相較于傳統(tǒng)的相移超表面，其可應(yīng)用于提升雙頻天線的性能，具有更高的靈活度，具有明顯優(yōu)勢(shì)；

15、（2）本發(fā)明中超表面單元包括方環(huán)及內(nèi)嵌方環(huán)的兩個(gè)圓環(huán)，內(nèi)嵌方環(huán)的兩個(gè)圓環(huán)分為內(nèi)環(huán)與外環(huán)，內(nèi)環(huán)與外環(huán)尺寸不同，通過(guò)調(diào)整超表面單元的外環(huán)尺寸，可以控制超表面單元在低頻的相移，通過(guò)調(diào)整超表面單元的內(nèi)環(huán)尺寸，可以控制超表面結(jié)構(gòu)在高頻的相移，且兩者相互獨(dú)立，外環(huán)尺寸變化不會(huì)對(duì)高頻相移產(chǎn)生影響，內(nèi)環(huán)尺寸變化不會(huì)對(duì)高頻相移產(chǎn)生影響，提高了超表面設(shè)計(jì)的自由度；

16、（3）本發(fā)明中超表面結(jié)構(gòu)采用一維對(duì)稱梯度分布的形式，具體是，以反射面為xoy面，反射面中心為原點(diǎn)，超表面單元的內(nèi)環(huán)與外環(huán)尺寸由xoz面向±y方向遞增，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)頻段上的相位梯度分布，在一維方向上同時(shí)實(shí)現(xiàn)高頻和低頻掃描性能的提升；

17、（4）本發(fā)明利用微帶天線實(shí)現(xiàn)雙頻天線陣列，高頻段和低頻段具有寬的半功率波束寬度，分別在3.5ghz和6ghz時(shí)約為87°和105°，且陣列較為緊湊，使得超表面能完全覆蓋陣列輻射的波前，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)天線兩個(gè)頻段掃描性能的提升，天線陣的掃描范圍在3.5ghz時(shí)從±43°擴(kuò)展到±60°，增益波動(dòng)2.2db;在6ghz時(shí)從±47°擴(kuò)展到±60°，增益波動(dòng)2.24db。

技術(shù)特征：

1.一種基于新型雙頻相移超表面的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，所述雙頻寬角掃描天線包括超表面結(jié)構(gòu)、雙頻天線陣列以及反射面，所述超表面結(jié)構(gòu)設(shè)置在雙頻天線陣列的上方，雙頻天線陣列設(shè)置在介質(zhì)基板的上表面，反射面設(shè)置在介質(zhì)基板的下表面，以反射面為xoy面，反射面中心為原點(diǎn)，超表面結(jié)構(gòu)、雙頻天線陣列以及反射面都關(guān)于xoz面對(duì)稱，且中心位于z軸上。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，所述超表面結(jié)構(gòu)由12×3個(gè)超表面單元按照一定規(guī)律呈陣列排布構(gòu)成。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，每個(gè)超表面單元由三層金屬層與兩層介質(zhì)層組成，三層金屬層均由一個(gè)方環(huán)與內(nèi)嵌于方環(huán)內(nèi)的兩個(gè)圓環(huán)組成，其中，兩個(gè)圓環(huán)分為內(nèi)環(huán)與外環(huán)，方環(huán)、內(nèi)環(huán)與外環(huán)三者中心在同一條軸上。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，所述超表面結(jié)構(gòu)的每個(gè)超表面單元內(nèi)環(huán)與外環(huán)尺寸不同，通過(guò)調(diào)整超表面單元的外環(huán)尺寸，控制超表面單元在低頻的相移，通過(guò)調(diào)整超表面單元的內(nèi)環(huán)尺寸，控制超表面結(jié)構(gòu)在高頻的相移。

5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，以反射面為xoy面，反射面中心為原點(diǎn)，所述超表面結(jié)構(gòu)根據(jù)廣義snell定律，將具有6種不同相位梯度的超表面單元按照相位由xoz平面向±y方向遞減的方式排列組成一維對(duì)稱相位梯度分布，且相位分布相對(duì)xoz平面對(duì)稱，當(dāng)y<0部分的超表面結(jié)構(gòu)被平面波照射時(shí)，平面波將被逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)，當(dāng)y>0部分的超表面結(jié)構(gòu)被平面波照射時(shí)，平面波將被順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，且超表面結(jié)構(gòu)在兩個(gè)頻段均有相同的相位分布，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)頻段的掃描波束進(jìn)行偏轉(zhuǎn)。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，所述雙頻天線陣列所用的高頻與地頻天線單元均為由sma連接器饋電的短微帶天線。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，所述雙頻天線陣列由6個(gè)高頻天線以及5個(gè)低頻天線組成。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻寬角掃描天線，其特征在于，所述超表面結(jié)構(gòu)距離反射面的高度為0.15λl?，λl為雙頻寬角掃描天線的低頻最低頻點(diǎn)自由空間波長(zhǎng)。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種基于新型雙頻相移超表面的雙頻寬角掃描天線，雙頻寬角掃描天線包括超表面結(jié)構(gòu)、雙頻天線陣列以及反射面。本發(fā)明通過(guò)將擁有雙頻獨(dú)立相移功能的超表面單元形成對(duì)稱的梯度排列，并將超表面單元加載在雙頻天線陣列上，使雙頻天線陣列的掃描性能在兩個(gè)頻段上都能被提高，擴(kuò)展了超表面在多頻段天線陣列中的應(yīng)用；本發(fā)明通過(guò)復(fù)用雙環(huán)形結(jié)構(gòu)，使超表面實(shí)現(xiàn)兩個(gè)頻帶上的獨(dú)立相移，最終實(shí)現(xiàn)提高兩個(gè)工作在不同頻段的天線陣列的掃描范圍。本發(fā)明將雙頻天線陣列的掃描范圍在3.5?GHz時(shí)從±43°擴(kuò)展到±60°，增益波動(dòng)2.2?dB;在6?GHz時(shí)從±47°擴(kuò)展到±60°，增益波動(dòng)2.24?dB。

技術(shù)研發(fā)人員：崔悅慧,陳奧,李融林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華南理工大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6