基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及天線技術，尤其是一種基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，其可以保持頻率不變的同時實現波束控制。
【背景技術】
[0002]反射面天線具有高增益、低副瓣、主瓣窄等優點，可以在形成高增益和要求形狀波束的同時，饋電簡單、設計比較容易、成本較低，能滿足多種常規雷達系統的要求。反射面天線是衛星通信地面終端站天線的主要形式之一，在遠程無線電通信和高分辨雷達等方面有廣泛應用。反射面天線由一個反射表面和一個饋電天線構成，通過反射面對電磁波的散射效應形成期望的輻射方向圖。
[0003]傳統的反射面天線通過設計反射面的形狀來實現期望的輻射方向，設計一旦完成，反射面的結構和性能就已經固定，無法根據實際需要對天線進行實時控制。
【發明內容】
[0004]發明目的:提供一種基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，以解決現有技術存在的上述問題。
[0005]技術方案:一種基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，包括口徑天線和反射數字電磁表面，所述反射數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不同相位單元。
[0006]可通過FPGA等方式控制相位單元的狀態，從而實現不同狀態相位單元的周期性或預期性分布，實現對電磁波的調制。
[0007]進一步的，每mXn個相鄰且狀態相同的相位單元組成一個電磁表面子模塊，相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態相反，m、η為不小于1的自然數。
[0008]進一步的，所述相位單元包括介質基板和位于介質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的二極管，當二極管處于不同的狀態時，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，FPGA用以調節各二極管的狀態，獲得相位狀態排布方式不同的相位單元陣列，實現波束控制。
[0009]有益效果:通過實時控制相位單元的狀態，可實現期望的輻射方向圖，在保持頻率不變的條件下，可實現實時的波束控制。本發明具有控制方便，反應快速，便于推廣的優點，同時可以通過改變數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。
【附圖說明】
[0010]圖la和圖lb為本發明的結構示意圖。
[0011]圖2a和圖2b分別為電磁表面子模塊包括5X5個相位單兀、10X5個相位單兀時電磁表面示意圖。
[0012]圖3為相位單元的結構示意圖。
[0013]圖4a和圖4b分別為電磁表面子模塊包括5X5個相位單兀、10X5個相位單兀時電磁表面的遠場福射方向圖。
[0014]圖5a和圖5b分別為電磁表面子模塊包括5X5個相位單兀、10X5個相位單兀時電磁表面的仿真結果與測試結果對比圖，其中圖5a和圖5b中的方向角分別為45°和63.4° 。
【具體實施方式】
[0015]經研究【背景技術】后，申請人認為:新型人工電磁材料的媒質性質與構成材料無關，而來自于材料的微結構，它是將具有特定幾何形狀的亞波長基本單元周期性/非周期性地排列，或者植入到基體材料體內(或表面)所構成的一種人工材料。
[0016]新型人工電磁材料和傳統意義材料的區別就在于用宏觀尺寸單元代替了原來微觀尺寸單元(原子或分子)，因而具有許多自然界常規材料所不具備的物理性質，對電磁波具有超常的控制能力。它是一種超薄二維陣列平面，由超材料結構單元組成，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]下面結合圖1至圖5b描述本發明的技術細節和原理。
[0018]如圖1所示，本發明基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線主要包括作為饋源的口徑天線101和反射數字電磁表面1。從圖中可知，發射數字電磁表面由一種相位單元縱橫排列而成。
[0019]在該實施例中，所述反射電磁表面由二元相位元件(具有兩種狀態的相位單元)組成，通過FPGA實時控制數字超表面二元單元的狀態，設計兩種狀態的基本單元的排布，來實現期望的輻射方向圖，在保持頻率不變的條件下，實現波束控制；該反射面天線控制方便，反應快速，便于推廣；可通過改變數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提供了兩種實施案例。在圖2a中，每5X5個相鄰且狀態相同的相位單元11組成一個電磁表面子模塊，而相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態相反。在圖2b中，每10X5個相鄰且相位相同的相位單元組成一個電磁表面子模塊，相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態相反。在上述兩種實施例中，相位單元呈棋盤狀分布，每個電磁表面子模塊相當于一個棋盤格，位于棋盤格內相位單元的狀態相同，而位于相鄰棋盤格中相位單元的狀態不同。技術人員可通過控制棋盤格的尺寸來控制散射場的主瓣方向。因此，每個電磁表面子模塊(棋盤格)中的相位單元數量可以根據需要調整，即每個方向上相位單元的數量mXn，m、η為非零自然數。
[0021]轉到圖3，描述相位單元的結構，該相位單元11有三層結構，由介質基板和表面的金屬電路構成，該金屬電路中放置一個PIN型二極管11a，底部為直流饋電11b，以控制二極管的開關狀態，實現相位單元反射相位的二元特征。在二極管的開/關兩種狀態下，相位單元的反射相位相差180°。
[0022]在該實施例中，S=lmm，W=4.3mm，二元單元的邊長為7mm，所有金屬電路的線寬為0.2mm。同時，可通過現場可編程門陣列(FPGA)實時控制二極管的開關狀態。除此之外，技術人員通過調整相位單元的結構參數，例如介質基板表面金屬電路長度、寬度來調節其反射特性。即反射數字電磁表面的反射特性由相位單元的開關狀態和結構參數決定。相關人員通過FPGA控制各相位單元中二極管的狀態，可實現相位單元的周期性排布或符合相關預期的排布，從而控制反射面天線的工作狀態。
[0023]作為饋源的口徑天線對數字超表面的不同單元存在相位差，所以需要進行補償。單元電路的不同尺寸S和W，對應不同的反射相位，通過建立S和W對應的幅度相位表，對電磁表面的不同單元的尺寸進行調整，以補償相位差。合適的S和W的值可以通過最小二乘法計算獲得。
[0024]如圖4a和圖4b所示，仿真結果顯示實施例中的反射面天線可以在保持頻率不變的條件下，實時改變波束的主瓣方向。
[0025]如圖4a所不，該實施例中的反射面天線在電磁表面子模塊(棋盤格)為5X5個相位單元時，散射波的主瓣方向出現在(43° ,45° )，(43°，135° )，(43°，- 135° )，(43，-45。)上。
[0026]如圖4b所示，該實施例中的反射面天線在棋盤格為10X5個單元時，散射波的主瓣方向出現在(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，可見上述兩個實施例的仿真結果與測試結果基本吻合。
[0028]本發明中的反射面天線根據工作頻段不同，可采用不同加工工藝實現。
[0029]總之，在本發明中，數字超表面由一種二元基本單元(相位單元)構成，二元狀態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，技術人員可以根據需要進行設計。通過FPGA調節相位單元的狀態，可實現兩種狀態基本單元的排列組合，從而實現對電磁波的調制。
[0030]以上詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節(例如，可通過改變數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)，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，包括口徑天線和反射數字電磁表面，其特征在于:所述反射數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.如權利要求1所述的基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，其特征在于，每mX η個相鄰且狀態相同的相位單元組成一個電磁表面子模塊，相鄰電磁表面子模塊中相位單元的狀態相反，m、η為不小于1的自然數。3.如權利要求1所述的基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，其特征在于，所述相位單元包括介質基板和位于介質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的二極管，當二極管處于不同的狀態時，相位單元的反射相位相差180。。4.如權利要求3所述的基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，其特征在于，所述二極管為PIN型二極管。5.如權利要求3所述的基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，各相位單元中的二極管與FPGA電連接，FPGA用以調節各二極管的狀態，獲得相位狀態排布方式不同的相位單元陣列，實現波束控制。
【專利摘要】本發明公開了一種基于新型人工電磁表面的現場可編程發射面天線，包括口徑天線和反射數字電磁表面，所述反射數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。通過實時控制相位單元的狀態，可實現期望的輻射方向圖，在保持頻率不變的條件下，可實現實時的波束控制。本發明具有控制方便，反應快速，便于推廣的優點，同時可以通過改變數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
【公開號】CN105281037
【申請號】CN201510729380
【發明人】萬向, 陳曉晴, 崔鐵軍, 周小陽, 袁浩
【申請人】江蘇賽博防務技術有限公司
【公開日】2016年1月27日
【申請日】2015年10月30日