本發(fā)明涉及線極化可重構(gòu)天線，尤其涉及一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線。

背景技術(shù)：

1、為了提升天線的功能性和信道容量，近年來(lái)極化重構(gòu)技術(shù)被廣泛應(yīng)用在天線設(shè)計(jì)中，所研發(fā)的天線樣件具有集成度高、靈活性好、功能豐富等特點(diǎn)，被應(yīng)用于合成孔徑雷達(dá)、衛(wèi)星通信、極化編碼通信等場(chǎng)合中，實(shí)現(xiàn)了通信和成像質(zhì)量的有效提高。其中，線極化旋轉(zhuǎn)天線可通過(guò)功能狀態(tài)分時(shí)切換的方式，基于單一通道來(lái)進(jìn)行多角度線極化波的收發(fā)，可以用于克服對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的極化失配問題，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)傳輸過(guò)程中的極化對(duì)準(zhǔn)，且有利于系統(tǒng)的重量、功耗和成本的降低，在星載、機(jī)載等平臺(tái)中具有很好的應(yīng)用前景。

2、當(dāng)前國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)提出了多種與電控射頻元件相結(jié)合的線極化旋轉(zhuǎn)天線設(shè)計(jì)，但普遍只能完成極化角度的90°步進(jìn)，功能狀態(tài)較少。為實(shí)現(xiàn)對(duì)線極化角度的連續(xù)自由調(diào)節(jié)，有研究者以正交雙圓極化天線為基礎(chǔ)，利用移相器來(lái)調(diào)節(jié)兩種圓極化信號(hào)間的相位差，實(shí)現(xiàn)了任意傾角線極化波的合成。但該方案工作頻帶較窄，且在引入移相器的同時(shí)會(huì)增加天線尺寸并使饋電線路復(fù)雜化。超表面是一種由亞波長(zhǎng)周期性電磁單元所組成的二維復(fù)合材料，具有性質(zhì)靈活可控、輕薄易集成的優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在電磁調(diào)控領(lǐng)域，尤其是新型天線設(shè)計(jì)方面取得了一系列重大進(jìn)展，為構(gòu)建小型化高集成度的天線提供了優(yōu)良途徑。有研究人員依托超表面理念設(shè)計(jì)了一種人工磁導(dǎo)體，并在此之上結(jié)合偶極子天線提出了極化重構(gòu)方法，但其極化狀態(tài)的切換是通過(guò)改變電容來(lái)完成的，容值變化時(shí)工作頻率隨之偏移，導(dǎo)致這類天線在不同狀態(tài)下難以獲得較寬的重疊頻帶。為調(diào)節(jié)喇叭天線的極化角度，國(guó)內(nèi)研究者提出了一種反射式極化旋轉(zhuǎn)超表面，同樣采用調(diào)控正交圓極化分量相位的方式，操控線極化喇叭天線出射波的極化角度，但該設(shè)計(jì)仍然存在工作頻帶過(guò)窄的問題，限制了其應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，通過(guò)在單一線極化天線上方加載電控超表面的方式實(shí)現(xiàn)了電磁波極化角度的實(shí)時(shí)變化，同時(shí)得益于阻性調(diào)節(jié)方法，天線在寬頻帶內(nèi)展現(xiàn)出了良好的工作特性，可有效提升線極化天線的兼容性及集成度，在機(jī)載通信、電子對(duì)抗、極化成像等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

3、本發(fā)明利用線極化縫隙耦合微帶天線作為饋源，在上方加載電控極化轉(zhuǎn)換超表面，實(shí)現(xiàn)了出射線極化波的傾角連續(xù)調(diào)節(jié)。本發(fā)明所提出的有源電控超表面由周期排列的電磁單元組成，單元兩側(cè)均覆有h形金屬條帶結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部集成有pin二極管。隨著pin二極管兩端正偏電壓的幅度變化，pin二極管導(dǎo)通電阻也隨之改變。這種阻性調(diào)控機(jī)制與h形金屬條帶結(jié)構(gòu)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)正交透射線極化電場(chǎng)分量的幅值調(diào)控，從而合成具有不同傾角的線極化透射波。

4、一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，包括線極化縫隙耦合微帶天線以及設(shè)置在其上方的有源電控超表面。所述有源電控超表面具備極化調(diào)控能力，實(shí)現(xiàn)極化調(diào)控是對(duì)線極化電磁波中的正交線極化分量進(jìn)行幅度調(diào)控，通過(guò)改變幅度比來(lái)實(shí)現(xiàn)極化角度的旋轉(zhuǎn)。

5、所述有源電控超表面由多個(gè)電磁單元陣列排布而成，所述電磁單元包括介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板包括相對(duì)的第一表面和第二表面；所述第一表面和第二表面均設(shè)有2個(gè)對(duì)稱設(shè)置的h形金屬條帶結(jié)構(gòu)；所述第二表面上的h形金屬條帶結(jié)構(gòu)與第一表面上的h形金屬條帶結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)相同，方向?yàn)榈谝槐砻嫔系膆形金屬條帶結(jié)構(gòu)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°后再水平翻轉(zhuǎn)后所得。

6、所述h形金屬條帶結(jié)構(gòu)中部設(shè)有pin二極管，2個(gè)h形金屬條帶結(jié)構(gòu)通過(guò)dc偏置線相連，dc偏置線的兩端分別連接pin二極管的正向偏置端和反向偏置端上。正向偏置情況下可等效為電阻與電感的串聯(lián)支路，通過(guò)改變pin二極管兩端電壓可對(duì)該電阻進(jìn)行非線性調(diào)節(jié)。

7、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述線極化縫隙耦合微帶天線與有源電控超表面之間有間隙，有源電控超表面完全覆蓋線極化縫隙耦合微帶天線。

8、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述h形金屬條帶結(jié)構(gòu)的外側(cè)設(shè)有饋電細(xì)線，饋電細(xì)線與h形金屬條帶結(jié)構(gòu)之間通過(guò)dc偏置線相連，所述饋電細(xì)線使不同電磁單元內(nèi)的pin二極管通過(guò)并聯(lián)方式進(jìn)行饋電。所述饋電細(xì)線使不同電磁單元內(nèi)的pin二極管通過(guò)并聯(lián)方式進(jìn)行饋電。

9、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，2個(gè)所述h形金屬條帶結(jié)構(gòu)之間的dc偏置線上設(shè)有第一電感，所述饋電細(xì)線與h形金屬條帶結(jié)構(gòu)之間的dc偏置線上設(shè)有第二電感。

10、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述線極化縫隙耦合微帶天線包括饋電層和設(shè)置在饋電層上方的輻射層，所述輻射層和饋電層之間留有間隙。

11、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述輻射層包括介質(zhì)基板以及設(shè)置在介質(zhì)基板表面的輻射貼片，用于輻射u極化波。

12、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述饋電層包括：介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板包括相對(duì)的第一表面和第二表面；所述第一表面設(shè)有金屬探針微帶線，第二表面為金屬薄層，金屬薄層上刻蝕有縫隙，所述金屬探針微帶線的在金屬薄層上的投影與所述縫隙相交，金屬探針微帶線用于對(duì)所述縫隙耦合饋電。

13、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述金屬探針微帶線為u形結(jié)構(gòu)，u形結(jié)構(gòu)的金屬探針微帶線的兩條臂在金屬薄層上的投影與所述縫隙垂直。

14、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，u形結(jié)構(gòu)的金屬探針微帶線的兩條臂末端均設(shè)有向外彎折的彎折部。

15、在一個(gè)具體的實(shí)施例中，所述金屬探針微帶線的兩條臂與水平方向成45°設(shè)置，所述縫隙與水平方向成135°設(shè)置。

16、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有如下有益效果：

17、本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)線極化傾角連續(xù)調(diào)節(jié)的同時(shí)一定程度解決了現(xiàn)有設(shè)計(jì)中存在的帶寬過(guò)窄的問題，同時(shí)具有構(gòu)型簡(jiǎn)單、易于推廣的特點(diǎn)，為天線極化參量的靈活調(diào)控以及現(xiàn)代無(wú)線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本多功能集成提供了有益借鑒。

18、本發(fā)明的線極化縫隙耦合微帶天線可在寬頻帶內(nèi)進(jìn)行電磁波高效收發(fā)，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)與有源電控超表面的良好兼容。當(dāng)有源電控超表面與微帶天線相結(jié)合后，通過(guò)外部偏置電壓可進(jìn)行輻射波極化角度的連續(xù)調(diào)節(jié)。

技術(shù)特征：

1.一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，包括線極化縫隙耦合微帶天線以及設(shè)置在其上方的有源電控超表面(1)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述線極化縫隙耦合微帶天線與有源電控超表面(1)之間有間隙，有源電控超表面完全覆蓋線極化縫隙耦合微帶天線。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述h形金屬條帶結(jié)構(gòu)的外側(cè)設(shè)有饋電細(xì)線(7)，饋電細(xì)線(7)與h形金屬條帶結(jié)構(gòu)之間通過(guò)dc偏置線(8)相連，所述饋電細(xì)線(7)使不同電磁單元內(nèi)的pin二極管(4)通過(guò)并聯(lián)方式進(jìn)行饋電。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，2個(gè)所述h形金屬條帶結(jié)構(gòu)之間的dc偏置線(8)上設(shè)有第一電感(5)，所述饋電細(xì)線(7)與h形金屬條帶結(jié)構(gòu)之間的dc偏置線(8)上設(shè)有第二電感(6)。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述線極化縫隙耦合微帶天線包括饋電層(3)和設(shè)置在饋電層(3)上方的輻射層(2)。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述輻射層(2)包括介質(zhì)基板以及設(shè)置在介質(zhì)基板表面的輻射貼片(14)。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述饋電層(3)包括：介質(zhì)基板，所述介質(zhì)基板包括相對(duì)的第一表面和第二表面；所述第一表面設(shè)有金屬探針微帶線(15)，第二表面為金屬薄層，金屬薄層上刻蝕有縫隙(13)，所述金屬探針微帶線(15)的在金屬薄層上的投影與所述縫隙(13)相交，金屬探針微帶線(15)用于對(duì)所述縫隙(13)耦合饋電。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述金屬探針微帶線(15)為u形結(jié)構(gòu)，u形結(jié)構(gòu)的金屬探針微帶線(15)的兩條臂在金屬薄層上的投影與所述縫隙(13)垂直。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，u形結(jié)構(gòu)的金屬探針微帶線(15)的兩條臂末端均設(shè)有向外彎折的彎折部(9)。

10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，其特征在于，所述金屬探針微帶線(15)的兩條臂與水平方向成45°設(shè)置，所述縫隙(13)與水平方向成135°設(shè)置。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于電控超表面的寬帶極化角度連續(xù)調(diào)節(jié)天線，包括線極化縫隙耦合微帶天線以及可對(duì)線極化傾角進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)的有源電控超表面。所述線極化縫隙耦合微帶天線為饋源，由縫隙耦合方式進(jìn)行激勵(lì)，可在寬頻帶內(nèi)輻射單一線極化波。有源電控超表面由陣列排布的電磁單元構(gòu)成，其內(nèi)部集成H形金屬條帶結(jié)構(gòu)及二極管，通過(guò)改變二極管的正偏電壓來(lái)調(diào)節(jié)其導(dǎo)通電阻，帶動(dòng)正交透射電場(chǎng)分量的幅值發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)天線的極化角度調(diào)控。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了電磁波極化角度的實(shí)時(shí)變化，天線在寬頻帶內(nèi)展現(xiàn)出了良好的工作特性，可有效提升線極化天線的兼容性及集成度，在機(jī)載通信、電子對(duì)抗、極化成像等領(lǐng)域具有較好的應(yīng)用前景。

技術(shù)研發(fā)人員：王平,王豫,嚴(yán)仲明,周洪澄,秦藝菲
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西南交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6