本發(fā)明屬于微波，涉及一種超表面天線，具體涉及一種頻率可重構(gòu)的超表面波束掃描天線，可用于無線通信領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

1、漏波天線是一種基于行波模式實(shí)現(xiàn)輻射的特殊天線結(jié)構(gòu)，其基本原理是利用沿著天線結(jié)構(gòu)傳播的電磁行波，將部分能量逐步泄露到自由空間形成輻射波束。傳統(tǒng)的漏波天線在進(jìn)行波束掃描時(shí)具有頻率掃描特性，即隨著工作頻率的不同其波束指向角也隨之改變。當(dāng)天線需要在固定工作頻率下進(jìn)行波束掃描時(shí)，其往往難以實(shí)現(xiàn)。

2、有源全息漏波天線將全息超表面理論與漏波天線技術(shù)相結(jié)合，根據(jù)全息理論公式確定漏波天線在不同波束指向時(shí)的陣列分布狀態(tài)，控制有源器件使陣列單元達(dá)到不同波束指向時(shí)相對應(yīng)的狀態(tài)，能夠?qū)崿F(xiàn)天線在固定頻率下的波束掃描特性。然而，此類天線通常僅能在較窄的工作頻段內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好性能，且工作頻率往往接近于點(diǎn)頻，難以有效滿足多頻段或?qū)掝l段應(yīng)用的需求，限制了其在復(fù)雜通信環(huán)境中的適應(yīng)性和靈活性。例如，申請公布號為cn?116231305a，名稱為“基于幅值調(diào)控的柱面共形有源超表面天線”的專利申請，公布了一種基于幅值調(diào)控的柱面共形有源超表面天線，包括了饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)，其中輻射結(jié)構(gòu)包括介質(zhì)基板以及印制在介質(zhì)基板上表面的輻射貼片，通過pin二極管控制輻射貼片的輻射強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了柱面共形有源超表面的波束掃描。然而，該天線由于其輻射單元僅能在固定工作頻率下實(shí)現(xiàn)輻射狀態(tài)的切換效應(yīng)，導(dǎo)致天線僅能在單一頻點(diǎn)下實(shí)現(xiàn)波束掃描特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述技術(shù)存在的不足，提出了一種頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的因僅能實(shí)現(xiàn)固定頻率波束掃描導(dǎo)致的適用范圍較窄的技術(shù)問題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案包括沿三維坐標(biāo)z軸層疊的饋電結(jié)構(gòu)1和輻射結(jié)構(gòu)2。所述輻射結(jié)構(gòu)2包括輻射用介質(zhì)基板21及印制在其上表面的兩個(gè)并行排布的由多個(gè)輻射單元22組成的陣列，其中一個(gè)陣列與另一個(gè)陣列該中的輻射單元22交錯(cuò)分布；所述輻射單元22包括蝕刻有矩形環(huán)狀縫隙的輻射貼片221，所述矩形環(huán)狀縫隙將該輻射貼片221分割為位于中心的矩形貼片和與其嵌套的矩形環(huán)狀貼片；所述矩形貼片的每個(gè)邊與矩形環(huán)狀貼片之間各設(shè)有一個(gè)有源器件222。

3、通過調(diào)整有源器件222兩端的電壓實(shí)現(xiàn)輻射單元22的頻率可重構(gòu)特性；通過調(diào)整兩個(gè)輻射單元陣列的輻射狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)天線在輻射單元22不同頻率下的波束掃描特性。

4、作為優(yōu)化，所述饋電結(jié)構(gòu)1，包括饋電用介質(zhì)基板11及印刷在其上、下表面的第一金屬貼片12、第二金屬貼片13；所述第一金屬貼片12上蝕刻有兩個(gè)并行排布的耦合縫隙陣列，其中一個(gè)陣列與另外一個(gè)陣列中的耦合縫隙121交錯(cuò)分布，該兩個(gè)耦合縫隙陣列的外側(cè)各設(shè)置有用于連接第一金屬貼片12與第二金屬貼片13的金屬化過孔陣列122；該所述兩個(gè)耦合縫隙陣列中的耦合縫隙121與兩個(gè)輻射單元陣列中的輻射單元22的位置對應(yīng)。

5、作為優(yōu)化，所述耦合縫隙121采用“工”字型耦合縫隙結(jié)構(gòu)，其兩個(gè)橫向枝節(jié)與金屬化過孔陣列122平行。

6、作為優(yōu)化，所述耦合縫隙121，其中心與該耦合縫隙121位置對應(yīng)的輻射單元22中矩形貼片的中心均位于與三維坐標(biāo)z軸平行的軸線上。

7、作為優(yōu)化，所述第一金屬貼片12，其與耦合縫隙陣列平行的兩端各拼接有梯形金屬貼片14，分別用于與饋電輸入端口、負(fù)載端口進(jìn)行阻抗匹配。

8、作為優(yōu)化，所述輻射用介質(zhì)基板21，其上設(shè)置有用于給矩形貼片饋電的第二金屬化過孔224，以及下端與外接偏置電路連接的第一金屬化過孔223和第三金屬化過孔225，第一金屬化過孔223的上端與矩形環(huán)狀貼片連接，第三金屬化過孔225與第二金屬化過孔224連接。

9、作為優(yōu)化，所述輻射單元22的頻率可重構(gòu)特性，其實(shí)現(xiàn)原理是，通過控制外接偏置電路的輸入電壓，使矩形貼片和矩形環(huán)狀貼片間的電壓發(fā)生改變，進(jìn)而改變有源器件222兩端的電壓使其呈現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)，從而改變輻射單元22的等效電路參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射單元22的頻率可重構(gòu)特性。

10、作為優(yōu)化，所述天線在輻射單元22不同頻率下的波束掃描特性，其實(shí)現(xiàn)原理是，通過控制外接偏置電路的輸入電壓，使有源器件222的工作狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而改變輻射單元22的輻射強(qiáng)度，使輻射單元陣列呈現(xiàn)出不同的輻射強(qiáng)度分布，實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線在不同頻率下的波束掃描特性。

11、作為優(yōu)化，所述輻射單元陣列，其中第n個(gè)輻射單元的輻射強(qiáng)度in的計(jì)算公式為：

12、in＝cos(kgxn-k0sin(θ0))

13、

14、其中，λ0為頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線的工作頻率對應(yīng)的波長，εr為饋電用介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，w為兩排金屬化過孔陣列的間距，c為金屬化過孔陣列中兩個(gè)相鄰金屬化過孔中心間的距離，d為金屬化過孔陣列中金屬化過孔的直徑，xn為第n個(gè)輻射單元相對于輻射陣列中起始輻射貼片的距離，θ0為頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線的波束指向角度，k0為自由空間中的傳播常數(shù)，in表示第n個(gè)輻射單元的輻射強(qiáng)度，其中n∈[1,n]，n表示輻射單元的總數(shù)，n≥2。

15、作為優(yōu)化，所述有源器件222，采用變?nèi)荻O管。

16、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

17、本發(fā)明輻射結(jié)構(gòu)中的介質(zhì)基板上印制有兩個(gè)并行排布的由多個(gè)輻射單元組成的陣列，其中一個(gè)陣列與另一個(gè)陣列該中的輻射單元交錯(cuò)分布；輻射單元中的輻射貼片上蝕刻有矩形環(huán)狀縫隙，將該輻射貼片分割為位于中心的矩形貼片和與其嵌套的矩形環(huán)狀貼片；通過調(diào)整有源器件兩端的電壓實(shí)現(xiàn)輻射單元的頻率可重構(gòu)特性；通過調(diào)整兩個(gè)輻射單元陣列的輻射狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)天線在輻射單元不同頻率下的波束掃描特性，避免了現(xiàn)有技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)定頻波束掃描的缺陷，有效拓寬了適用范圍。

技術(shù)特征：

1.一種頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線，包括沿三維坐標(biāo)z軸層疊的饋電結(jié)構(gòu)(1)和輻射結(jié)構(gòu)(2)；其特征在于：所述輻射結(jié)構(gòu)(2)包括輻射用介質(zhì)基板(21)及印制在其上表面的兩個(gè)并行排布的由多個(gè)輻射單元(22)組成的陣列，其中一個(gè)陣列與另一個(gè)陣列該中的輻射單元(22)交錯(cuò)分布；所述輻射單元(22)包括蝕刻有矩形環(huán)狀縫隙的輻射貼片(221)，所述矩形環(huán)狀縫隙將該輻射貼片(221)分割為位于中心的矩形貼片和與其嵌套的矩形環(huán)狀貼片；所述矩形貼片的每個(gè)邊與矩形環(huán)狀貼片之間各設(shè)有一個(gè)有源器件(222)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，所述饋電結(jié)構(gòu)(1)，包括饋電用介質(zhì)基板(11)及印刷在其上、下表面的第一金屬貼片(12)、第二金屬貼片(13)；所述第一金屬貼片(12)上蝕刻有兩個(gè)并行排布的耦合縫隙陣列，其中一個(gè)陣列與另外一個(gè)陣列中的耦合縫隙(121)交錯(cuò)分布，該兩個(gè)耦合縫隙陣列的外側(cè)各設(shè)置有用于連接第一金屬貼片(12)與第二金屬貼片(13)的金屬化過孔陣列(122)；該所述兩個(gè)耦合縫隙陣列中的耦合縫隙(121)與兩個(gè)輻射單元陣列中的輻射單元(22)的位置對應(yīng)。

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，所述耦合縫隙(121)采用“工”字型耦合縫隙結(jié)構(gòu)，其兩個(gè)橫向枝節(jié)與金屬化過孔陣列(122)平行。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的天線，其特征在于，所述耦合縫隙(121)，其中心與該耦合縫隙(121)位置對應(yīng)的輻射單元(22)中矩形貼片的中心均位于與三維坐標(biāo)z軸平行的軸線上。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的天線，其特征在于，所述第一金屬貼片(12)，其與耦合縫隙陣列平行的兩端各拼接有梯形金屬貼片(14)，分別用于與饋電輸入端口、負(fù)載端口進(jìn)行阻抗匹配。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，所述輻射用介質(zhì)基板(21)，其上設(shè)置有用于給矩形貼片饋電的第二金屬化過孔(224)，以及下端與外接偏置電路連接的第一金屬化過孔(223)和第三金屬化過孔(225)，第一金屬化過孔(223)的上端與矩形環(huán)狀貼片連接，第三金屬化過孔(225)與第二金屬化過孔(224)連接。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的天線，其特征在于，所述輻射單元(22)的頻率可重構(gòu)特性，其實(shí)現(xiàn)原理是，通過控制外接偏置電路的輸入電壓，使矩形貼片和矩形環(huán)狀貼片間的電壓發(fā)生改變，進(jìn)而改變有源器件(222)兩端的電壓使其呈現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)，從而改變輻射單元(22)的等效電路參數(shù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)輻射單元(22)的頻率可重構(gòu)特性。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的天線，其特征在于，所述天線在輻射單元(22)不同頻率下的波束掃描特性，其實(shí)現(xiàn)原理是，通過控制外接偏置電路的輸入電壓，使有源器件(222)的工作狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而改變輻射單元(22)的輻射強(qiáng)度，使輻射單元陣列呈現(xiàn)出不同的輻射強(qiáng)度分布，實(shí)現(xiàn)頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線在不同頻率下的波束掃描特性。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的天線，其特征在于，所述輻射單元陣列，其中第n個(gè)輻射單元的輻射強(qiáng)度in的計(jì)算公式為：

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的天線，其特征在于，所述有源器件(222)，采用變?nèi)荻O管。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提出了一種頻率可重構(gòu)波束掃描的全息超表面漏波天線，包括沿三維坐標(biāo)z軸層疊的饋電結(jié)構(gòu)和輻射結(jié)構(gòu)，輻射結(jié)構(gòu)包括輻射用介質(zhì)基板及印制在其上表面的兩個(gè)并行排布的由多個(gè)輻射單元組成的陣列，其中一個(gè)陣列與另一個(gè)陣列該中的輻射單元交錯(cuò)分布；輻射單元包括蝕刻有矩形環(huán)狀縫隙的輻射貼片，所述矩形環(huán)狀縫隙將該輻射貼片分割為位于中心的矩形貼片和與其嵌套的矩形環(huán)狀貼片，在兩者間加載有源器件。本發(fā)明通過調(diào)整有源器件兩端的電壓實(shí)現(xiàn)輻射單元的頻率可重構(gòu)特性；通過調(diào)整兩個(gè)輻射單元陣列的輻射狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)天線在輻射單元不同頻率下的波束掃描特性，避免了現(xiàn)有技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)定頻波束掃描的缺陷。

技術(shù)研發(fā)人員：楊銳,藺九鵬
受保護(hù)的技術(shù)使用者：西安電子科技大學(xué)杭州研究院
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/8