一种具有三个自由度的可重构人工表面天线制造技术

本发明专利技术公开了一种具有三个自由度的可重构人工表面天线。主要由多个结构相同的谐振单元组成，每个谐振单元包括正方形的介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，铜片结构包括两个“H”字型片状结构和两个“H”字型片状结构之间的叉指结构，多个谐振单元沿沿第二方向周期延拓，相邻谐振单元上的“H”字型片状结构对应连接，组成一组谐振单元组；多个谐振单元组沿第一方向周期延拓，组成可重构人工表面；变容二极管选择SMV1234型号，且工作在反偏状态。本发明专利技术通过对谐振单元两端施加的不同电压来实现波束宽度、瞬时工作频段和扫描角度的同时重构，重构可变幅度大。

【技术实现步骤摘要】
一种具有三个自由度的可重构人工表面天线
本专利技术属基于微波变容二极管的可重构天线领域，公开了一种具有三自由度的可重构人工表面天线。
技术介绍
使用软件来控制相控阵天线可以实现高度的可重构目的。通过充分利用数字化基带系统的种种优点，就可以生成可操控的波束，这些波束有着不同的方位角，波束宽度以及可选择的频带。但是，这些系统存在着复杂度高，成本高的问题，不利于广泛应用。相比起相控阵系统，安装有微波变容二极管的人工表面天线只需要由一个球面波馈源即可完成波束扫描。但迄今为止，上述人工表面天线只能在特定的设计频段实现扫描。这种一个自由度的可重构天线限制了人工表面天线的实际应用。基于此，我们通过创新性地采用不同的直流电压对，对人工表面单元中的变容二极管进行偏置，使之对于不同工作频段呈现不同的扫描光栅图形，实现扫描角度，波束宽度以及工作频带的同时可重构。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术公开了一种具有三自由度的可重构人工表面天线。本专利技术天线系统可以工作频率、扫描角度和波束宽度的同时可重构。本天线系统基于安装有变容二极管的单层人工表面，通过改变处在不同位置的二极管的反向偏置电压，实现不同的扫描光栅结构，得到具有三个自由度，即波束宽度、工作频段和扫描角度的可重构天线。本专利技术采用的技术方案是：所述可重构人工表面天线主要由多个结构相同的谐振单元组成，每个谐振单元包括正方形的介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，铜片结构包括两个“H”字型片状结构和两个“H”字型片状结构之间的叉指结构，两个“H”字型片状结构中间布置叉指结构，叉指结构连接在“H”字型片状结构的侧边条，叉指结构中间布置有一个变容二极管。所述的两个“H”字型片状结构平行布置，“H”字型片状结构中的中间横条沿第一方向布置。多个谐振单元沿沿第二方向周期延拓，相邻谐振单元上的“H”字型片状结构对应连接，组成一组谐振单元组；多个谐振单元组沿第一方向周期延拓，组成可重构人工表面；第一方向和第二方向相垂直。所述人工表面天线中，变容二极管选择SMV1234型号，且工作在反偏状态，通过对谐振单元两端施加的不同电压来实现波束宽度、瞬时工作频段和扫描角度的同时重构，即构建不同频率下的扫描光栅结构。通过对谐振单元的两端(即两个“H”字型片状结构各自的一端作为谐振单元的两端)施加反向偏置电压，变容二极管的电容值就会发生变化，谐振单元就会对特定频率的入射波实现透明与不透明的切换。所述的可重构人工表面中，以谐振单元组为单位将可重构人工表面分成多个区域，即将相邻的一个或者多个谐振单元组合并组成一块区域，根据需求对不同的区域通过采用不同的直流电压施加到谐振单元的两端，使得区域中的各个变容二极管反向偏置，使得不同区域的可重构人工表面工作状态不同(工作在透射或者反射状态)，形成不同的扫描光栅结构，同时得到波束宽度、瞬时工作频段和扫描角度的三自由度同时重构。具体实施中，根据需求设定将可重构人工表面划分为多个区域，具体是：可以将人工表面分为两类——透明区域与不透明区域；对应处于透明区域的谐振单元施加可以构成透射模式的反偏电压，对应处于不透明区域的谐振单元施加可以构成反射模式的反偏电压，以保证相干的入射波透射出去，拦截非相干透射波，达到提高增益，控制扫描角度以及波束宽度等目的。本专利技术通过对不同区域的谐振单元施加不同的电压控制扫描光栅的形状，得到不同的波束宽度和扫描角度，实现三自由度的重构。本专利技术还要根据瞬时工作频段要求，从仿真或测量得到的不同偏置电压下的可重构人工表面的传输特性，确定控制工作频段对应的直流电压。所述的直流电压对包括导通电压和截止电压，所述的直流电压使采用以下方式获得：在可重构人工表面施加电压进行测量，每次测量是对可重构人工表面的所有区域的谐振单元组施加同一电压，并用不同工作频率的电磁波信号进行入射测量获得传输系数，然后绘制传输系数和工作频率的关系曲线图；对可重构人工表面施加不同电压进行多次测量，选取工作频率对应传输系数最高的施加电压和最低的施加电压分别作为导通电压和截止电压。在对谐振单元组施加导通电压时，谐振单元组所在的可重构人工表面区域为透射特性，能让入射的电磁波透过；在对谐振单元组施加截止电压时，谐振单元组所在的可重构人工表面区域为反射特性，能让入射的电磁波反射。所述谐振单元中的介质板长度小于1/5工作波长。具体实施中采用的天线系统包含一个球面波馈源以及本专利技术的可重构人工表面，通过实现可重构人工表面上的扫描光栅条纹的移动，就可以实现对波束的控制，进而实现扫描角度以及波束扫描宽度的变化。本专利技术具有的有益效果：本专利技术天线结构简单，质量轻，并且所用的材料均为常见的材料。本专利技术天线结构的频率可重构宽度较宽，经过实例仿真验证，工作频带可达900MHz。本专利技术天线结构的扫描角度可重构范围较大，经过实例仿真验证，波束扫描角可以实现±60°的扫描角度，相比现有其他天线系统提高了一倍的扫描角度，并且增益不发生显著衰退。本专利技术天线结构的波束宽度可重构范围较大，经过实例仿真验证，波束宽度可重构范围在9°-78°，可以构成不同波束宽度的波束。综合来说，本专利技术天线结构多变，参数可变幅度大，可针对不同工作频带要求设计不同形状以及大小。附图说明图1是本专利技术的可重构人工表面天线的总体布置示意图。图2是单层宽频带谐振单元。图3是单层宽频带谐振单元传输性能结果。图4是波束扫描角度可重构示意图。图5是波束宽度可重构示意图。图中：1.球面波馈源，2.可重构人工表面，3.谐振单元，4.变容二极管。具体实施方式下面结合附图和具体实例对本专利技术做进一步说明。如图1所示，整个天线系统大致由两部分组成，发射系统和调节系统。发射系统是一个球面波发射天线1，调节系统是可重构人工表面2。如图2所示，可重构人工表面天线主要由多个结构相同的谐振单元组成，每个谐振单元包括正方形的F4B介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，在F4B介质板上表面的正中间镀有一层铜片结构，铜片结构包括两个“H”字型片状结构和两个“H”字型片状结构之间的叉指结构，两个“H”字型片状结构中间布置叉指结构，叉指结构连接在“H”字型片状结构的侧边条，叉指结构中间布置有一个变容二极管。如图2所示，两个“H”字型片状结构平行布置，“H”字型片状结构中的中间横条沿第一方向x布置。多个谐振单元沿沿第二方向y周期延拓，相邻谐振单元上的“H”字型片状结构对应连接，组成一组谐振单元组；多个谐振单元组沿第一方向x周期延拓，组成可重构人工表面；第一方向x和第二方向y相垂直，均平行于介质板表面。由此形成了单层宽频带谐振单元结构。为解释说明实现波束扫描角度可重构以及波束宽度可重构的原理，本专利技术使用图1来说明透射式扫描光栅的基本原理。馈源模拟球面波入射，当球面波入射到区板时，根据惠更斯原理，将区板视为二次发射源，此时天线远场辐射可以由扫描光栅透射公式得到：其中，E(s)代表从馈源入射到区板的电场，代表倾斜因子，r表示馈源到接收点距离，θ表示馈源与接收点连线与标准坐标轴夹角，s表示积分路径，i表示虚数单位，k表示波矢，表示参考相位，β表示实际路径相位，x表示积分因子。当球面波入射到区板时，因为路径不同，区板上面不同位置的二次发射源相位不一致。如图1所示，如果选本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有三自由度的可重构人工表面天线，其特征在于：所述可重构人工表面天线(2)主要由多个结构相同的谐振单元(3)组成，每个谐振单元(3)包括正方形的介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，铜片结构包括两个“H”字型片状结构和两个“H”字型片状结构之间的叉指结构，两个“H”字型片状结构中间布置叉指结构，叉指结构连接在“H”字型片状结构的侧边条，叉指结构中间布置有一个变容二极管(4)。

【技术特征摘要】
1.一种具有三自由度的可重构人工表面天线，其特征在于：所述可重构人工表面天线(2)主要由多个结构相同的谐振单元(3)组成，每个谐振单元(3)包括正方形的介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，铜片结构包括两个“H”字型片状结构和两个“H”字型片状结构之间的叉指结构，两个“H”字型片状结构中间布置叉指结构，叉指结构连接在“H”字型片状结构的侧边条，叉指结构中间布置有一个变容二极管(4)。2.根据权利要求1所述的一种具有三自由度的可重构人工表面天线，其特征在于：所述的两个“H”字型片状结构平行布置，“H”字型片状结构中的中间横条沿第一方向(x)布置。3.根据权利要求1所述的一种具有三自由度的可重构人工表面天线，其特征在于：多个谐振单元(3)沿沿第二方向(y)周期延拓，相邻谐振单元上的“H”字型片状结构对应连接，组成一组谐振单元组；多个谐振单元组沿第一方向(x)周期延拓，组成可重构人工表面；第一方向(x)和第二方向(y)相垂直。4.根据权利要求3所述的一种具有三自由度的可重构人工表面天线，其特征在于：所述人工表面天线中，变容二极管选择SMV1234型号，且工作在反偏状态，通过对谐振单元两端施加的不同电压来...

【专利技术属性】
技术研发人员：马超，李欢，叶德信，皇甫江涛，冉立新，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33