基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天線技術(shù)，尤其是一種基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，其可以保持頻率不變的同時(shí)實(shí)現(xiàn)波束控制。
【背景技術(shù)】
[0002]反射面天線具有高增益、低副瓣、主瓣窄等優(yōu)點(diǎn)，可以在形成高增益和要求形狀波束的同時(shí)，饋電簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)比較容易、成本較低，能滿足多種常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)的要求。反射面天線是衛(wèi)星通信地面終端站天線的主要形式之一，在遠(yuǎn)程無(wú)線電通信和高分辨雷達(dá)等方面有廣泛應(yīng)用。反射面天線由一個(gè)反射表面和一個(gè)饋電天線構(gòu)成，通過(guò)反射面對(duì)電磁波的散射效應(yīng)形成期望的輻射方向圖。
[0003]傳統(tǒng)的反射面天線通過(guò)設(shè)計(jì)反射面的形狀來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的輻射方向，設(shè)計(jì)一旦完成，反射面的結(jié)構(gòu)和性能就已經(jīng)固定，無(wú)法根據(jù)實(shí)際需要對(duì)天線進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:提供一種基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。
[0005]技術(shù)方案:一種基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，包括口徑天線和反射數(shù)字電磁表面，所述反射數(shù)字電磁表面由周期性排布的相位單元組成，在不同的控制狀態(tài)下，所述相位單元的反射相位、反射幅度或極化方式不同，獲得周期性分布的狀態(tài)不同相位單元。
[0006]可通過(guò)FPGA等方式控制相位單元的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)不同狀態(tài)相位單元的周期性或預(yù)期性分布，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)制。
[0007]進(jìn)一步的，每mXn個(gè)相鄰且狀態(tài)相同的相位單元組成一個(gè)電磁表面子模塊，相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態(tài)相反，m、η為不小于1的自然數(shù)。
[0008]進(jìn)一步的，所述相位單元包括介質(zhì)基板和位于介質(zhì)基板表面的金屬電路，該金屬電路中連接有用于控制相位單元狀態(tài)的二極管，當(dāng)二極管處于不同的狀態(tài)時(shí)，相位單元的反射相位相差180°。所述二極管為PIN型二極管。各相位單元中的二極管與FPGA電連接，F(xiàn)PGA用以調(diào)節(jié)各二極管的狀態(tài)，獲得相位狀態(tài)排布方式不同的相位單元陣列，實(shí)現(xiàn)波束控制。
[0009]有益效果:通過(guò)實(shí)時(shí)控制相位單元的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)期望的輻射方向圖，在保持頻率不變的條件下，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的波束控制。本發(fā)明具有控制方便，反應(yīng)快速，便于推廣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以通過(guò)改變數(shù)字電磁表面的元件尺寸，使之適用于微波、毫米波或太赫茲波等不同波段。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖la和圖lb為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖2a和圖2b分別為電磁表面子模塊包括5X5個(gè)相位單兀、10X5個(gè)相位單兀時(shí)電磁表面示意圖。
[0012]圖3為相位單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖4a和圖4b分別為電磁表面子模塊包括5X5個(gè)相位單兀、10X5個(gè)相位單兀時(shí)電磁表面的遠(yuǎn)場(chǎng)福射方向圖。
[0014]圖5a和圖5b分別為電磁表面子模塊包括5X5個(gè)相位單兀、10X5個(gè)相位單兀時(shí)電磁表面的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖，其中圖5a和圖5b中的方向角分別為45°和63.4° 。
【具體實(shí)施方式】
[0015]經(jīng)研究【背景技術(shù)】后，申請(qǐng)人認(rèn)為:新型人工電磁材料的媒質(zhì)性質(zhì)與構(gòu)成材料無(wú)關(guān)，而來(lái)自于材料的微結(jié)構(gòu)，它是將具有特定幾何形狀的亞波長(zhǎng)基本單元周期性/非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(nèi)(或表面)所構(gòu)成的一種人工材料。
[0016]新型人工電磁材料和傳統(tǒng)意義材料的區(qū)別就在于用宏觀尺寸單元代替了原來(lái)微觀尺寸單元(原子或分子)，因而具有許多自然界常規(guī)材料所不具備的物理性質(zhì)，對(duì)電磁波具有超常的控制能力。它是一種超薄二維陣列平面，由超材料結(jié)構(gòu)單元組成，它可以靈活有效的操縱電磁波的相位、極化方式、傳播模式等特性。
[0017]下面結(jié)合圖1至圖5b描述本發(fā)明的技術(shù)細(xì)節(jié)和原理。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線主要包括作為饋源的口徑天線101和反射數(shù)字電磁表面1。從圖中可知，發(fā)射數(shù)字電磁表面由一種相位單元縱橫排列而成。
[0019]在該實(shí)施例中，所述反射電磁表面由二元相位元件(具有兩種狀態(tài)的相位單元)組成，通過(guò)FPGA實(shí)時(shí)控制數(shù)字超表面二元單元的狀態(tài)，設(shè)計(jì)兩種狀態(tài)的基本單元的排布，來(lái)實(shí)現(xiàn)期望的輻射方向圖，在保持頻率不變的條件下，實(shí)現(xiàn)波束控制；該反射面天線控制方便，反應(yīng)快速，便于推廣；可通過(guò)改變數(shù)字電磁表面的元件尺寸，適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段。
[0020]圖2a和圖2b提供了兩種實(shí)施案例。在圖2a中，每5X5個(gè)相鄰且狀態(tài)相同的相位單元11組成一個(gè)電磁表面子模塊，而相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態(tài)相反。在圖2b中，每10X5個(gè)相鄰且相位相同的相位單元組成一個(gè)電磁表面子模塊，相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態(tài)相反。在上述兩種實(shí)施例中，相位單元呈棋盤狀分布，每個(gè)電磁表面子模塊相當(dāng)于一個(gè)棋盤格，位于棋盤格內(nèi)相位單元的狀態(tài)相同，而位于相鄰棋盤格中相位單元的狀態(tài)不同。技術(shù)人員可通過(guò)控制棋盤格的尺寸來(lái)控制散射場(chǎng)的主瓣方向。因此，每個(gè)電磁表面子模塊(棋盤格)中的相位單元數(shù)量可以根據(jù)需要調(diào)整，即每個(gè)方向上相位單元的數(shù)量mXn，m、η為非零自然數(shù)。
[0021]轉(zhuǎn)到圖3，描述相位單元的結(jié)構(gòu)，該相位單元11有三層結(jié)構(gòu)，由介質(zhì)基板和表面的金屬電路構(gòu)成，該金屬電路中放置一個(gè)PIN型二極管11a，底部為直流饋電11b，以控制二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)相位單元反射相位的二元特征。在二極管的開(kāi)/關(guān)兩種狀態(tài)下，相位單元的反射相位相差180°。
[0022]在該實(shí)施例中，S=lmm，W=4.3mm，二元單元的邊長(zhǎng)為7mm，所有金屬電路的線寬為0.2mm。同時(shí)，可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)實(shí)時(shí)控制二極管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。除此之外，技術(shù)人員通過(guò)調(diào)整相位單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，例如介質(zhì)基板表面金屬電路長(zhǎng)度、寬度來(lái)調(diào)節(jié)其反射特性。即反射數(shù)字電磁表面的反射特性由相位單元的開(kāi)關(guān)狀態(tài)和結(jié)構(gòu)參數(shù)決定。相關(guān)人員通過(guò)FPGA控制各相位單元中二極管的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)相位單元的周期性排布或符合相關(guān)預(yù)期的排布，從而控制反射面天線的工作狀態(tài)。
[0023]作為饋源的口徑天線對(duì)數(shù)字超表面的不同單元存在相位差，所以需要進(jìn)行補(bǔ)償。單元電路的不同尺寸S和W，對(duì)應(yīng)不同的反射相位，通過(guò)建立S和W對(duì)應(yīng)的幅度相位表，對(duì)電磁表面的不同單元的尺寸進(jìn)行調(diào)整，以補(bǔ)償相位差。合適的S和W的值可以通過(guò)最小二乘法計(jì)算獲得。
[0024]如圖4a和圖4b所示，仿真結(jié)果顯示實(shí)施例中的反射面天線可以在保持頻率不變的條件下，實(shí)時(shí)改變波束的主瓣方向。
[0025]如圖4a所不，該實(shí)施例中的反射面天線在電磁表面子模塊(棋盤格)為5X5個(gè)相位單元時(shí)，散射波的主瓣方向出現(xiàn)在(43° ,45° )，(43°，135° )，(43°，- 135° )，(43，-45。)上。
[0026]如圖4b所示，該實(shí)施例中的反射面天線在棋盤格為10X5個(gè)單元時(shí)，散射波的主瓣方向出現(xiàn)在(32.6° ,63.4° ), (32.6° ,116.6° ), (32.6°，- 116.6。), (32.6°，-63.4° )上。
[0027]如圖5a和圖5b所示，可見(jiàn)上述兩個(gè)實(shí)施例的仿真結(jié)果與測(cè)試結(jié)果基本吻合。
[0028]本發(fā)明中的反射面天線根據(jù)工作頻段不同，可采用不同加工工藝實(shí)現(xiàn)。
[0029]總之，在本發(fā)明中，數(shù)字超表面由一種二元基本單元(相位單元)構(gòu)成，二元狀態(tài)可以是兩種反射相位，也可以是兩種反射幅度，或者兩種極化方式，這些方式為等同的，技術(shù)人員可以根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過(guò)FPGA調(diào)節(jié)相位單元的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)兩種狀態(tài)基本單元的排列組合，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的調(diào)制。
[0030]以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)(例如，可通過(guò)改變數(shù)字電磁表面的元件尺寸，適用于微波、毫米波和太赫茲波等不同波段)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，包括口徑天線和反射數(shù)字電磁表面，其特征在于:所述反射數(shù)字電磁表面由周期性排布的相位單元組成，在不同的控制狀態(tài)下，所述相位單元的反射相位、反射幅度或極化方式不同。2.如權(quán)利要求1所述的基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，其特征在于，每mX η個(gè)相鄰且狀態(tài)相同的相位單元組成一個(gè)電磁表面子模塊，相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態(tài)相反，m、η為不小于1的自然數(shù)。3.如權(quán)利要求1所述的基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，其特征在于，所述相位單元包括介質(zhì)基板和位于介質(zhì)基板表面的金屬電路，該金屬電路中連接有用于控制相位單元狀態(tài)的二極管，當(dāng)二極管處于不同的狀態(tài)時(shí)，相位單元的反射相位相差180。。4.如權(quán)利要求3所述的基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，其特征在于，所述二極管為PIN型二極管。5.如權(quán)利要求3所述的基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，各相位單元中的二極管與FPGA電連接，F(xiàn)PGA用以調(diào)節(jié)各二極管的狀態(tài)，獲得相位狀態(tài)排布方式不同的相位單元陣列，實(shí)現(xiàn)波束控制。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種基于新型人工電磁表面的現(xiàn)場(chǎng)可編程發(fā)射面天線，包括口徑天線和反射數(shù)字電磁表面，所述反射數(shù)字電磁表面由周期性排布的相位單元組成，在不同的控制狀態(tài)下，所述相位單元的反射相位、反射幅度或極化方式不同。通過(guò)實(shí)時(shí)控制相位單元的狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)期望的輻射方向圖，在保持頻率不變的條件下，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的波束控制。本發(fā)明具有控制方便，反應(yīng)快速，便于推廣的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)可以通過(guò)改變數(shù)字電磁表面的元件尺寸，使之適用于微波、毫米波或太赫茲波等不同波段。
【IPC分類】H01Q3/44
【公開(kāi)號(hào)】CN105281037
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510729380
【發(fā)明人】萬(wàn)向, 陳曉晴, 崔鐵軍, 周小陽(yáng), 袁浩
【申請(qǐng)人】江蘇賽博防務(wù)技術(shù)有限公司
【公開(kāi)日】2016年1月27日
【申請(qǐng)日】2015年10月30日