极化切换超表面天线罩制造技术

本发明专利技术公开了极化切换超表面天线罩，涉及人工电磁材料技术领域。包括前介质板和后介质板，前介质板的前面具有馈线和前光栅，后侧面具有极化旋转单元，后介质板的后侧面具有后光栅，极化旋转单元包括两个断开的子谐振环，子谐振环之间通过开关二极管连接，而且子谐振环与馈线电连接，后光栅为断开状态，相邻后光栅之间通过开关二极管连接，后光栅的方向与馈线的方向垂直。将本发明专利技术的天线罩加载在雷达天线的口径面上后，通过天线罩透射电磁波极化状态的动态调控实现多个脉冲内的单极化、双极化、多极化与全极化天线工作模式的瞬时切换。解决了单极化体制雷达极化信息单一，多极化雷达孔径大成本高的问题。

【技术实现步骤摘要】
极化切换超表面天线罩
本专利技术涉及人工电磁材料
，特别是涉及极化切换超表面天线罩。
技术介绍
随着隐身技术的不断发展，雷达回波的极化特征越来越丰富，通过雷达天线“发射”，“接收”的双极化工作模式切换，在不增大天线口径面积的条件下获取目标的双极化散射特征，可提高雷达对目标对象的分辨、识别和认知能力。这就需要在不改变单极化雷达波馈源结构的同时将发射的电磁波进行极化开关调制，从而实现不增加天线口径的同时增加极化工作模式。电磁超表面是由尺度远小于波长的结构单元在二维平面内按照特定规律排列所构成的人工表面，具有诸多奇异的电磁效应，例如：负折射、负反射、极化旋转等，在隐身、电子对抗等领域具有极为重要的应用潜力，因而引起了学术界的广泛关注。然而由于传统的超材料结构一但确定，其功能也就固定，这大大降低了超表面的实际应用范围。所以目前提出了许多可重构超表面的方案，例如使用机械的方式或者采用相变材料，晶体材料，石墨烯以及一些微型器件与超表面结合来实现超表面的功能可调。近年来，超表面的可重构特性因其在诸多领域中的巨大优势而受到广泛关注，可重构的超表面将诸多不同的电磁功能集成到单个超表面中，使得可以动态调整超表面的电磁响应，进而定制超表面的不同属性。例如，超表面的可重构特性可以动态调谐工作频率以适用于多频带或宽带频率响应；超表面的可重构特性也可能够调控电磁波的极化、相位状态等。但就目前来说，通过一些机理来实现微波段高效的共极化和交叉极化传输快速切换是非常困难的，原因在于相变材料、晶体材料和石墨烯对于微波的调制已经作用不大，必须通过加载有源器件，而温控、光控器件由于其切换延迟较大并不满足切换瞬时性的要求，所以就必须使用一些电驱动器件来完成对电流的调节，典型的有PIN二极管，变容二极管等。但其带来的问题是馈线的布置方式对超表面透射效率的影响较大，同时存在交叉极化转换效率低的问题。
技术实现思路
本专利技术借助超表面加载有源器件的方式来实现传输电磁波的极化状态切换，来实现单极化雷达在不增加口径面积，不增加体积的情况下通过在雷达系统中天线阵口面上加载有源变极化超表面天线罩，通过天线罩透射电磁波极化状态的动态调控实现多个脉冲内的单极化、双极化、多极化与全极化天线工作模式的瞬时切换。解决了单极化体制雷达极化信息单一，多极化雷达孔径大成本高的问题。本专利技术提供了极化切换超表面天线罩，包括相对设置的前介质板和后介质板，所述前介质板的前侧面上蚀刻有多组馈线和前光栅，后侧面上蚀刻有多个极化旋转单元；所述后介质板的后侧面上蚀刻有多组后光栅；每组馈线和前光栅中包括两条馈线和两条前光栅，两条馈线和两条前光栅均保持平行；多个所述极化旋转单元包括成行成列排列的开口谐振环，一列中所述极化旋转单元的排列方向与一组中所述馈线的延伸方向平行，每列所述极化旋转单元的位置均与一组所述馈线和前光栅的位置正对；每组所述后光栅中包括多个间断的后光栅，一组中所述后光栅的排列方向与所述馈线的延伸方向垂直；每组所述后光栅的位置均与一行所述极化旋转单元的位置正对；所述开口谐振环包括两个c型的子谐振环，两个子谐振环的开口相对设置，且两个所述子谐振环的末端之间存在两个间隙，其中一个间隙中通过开关二极管将两个子谐振环的末端电连接在一起，两个所述子谐振环分别通过穿过前介质板的过孔与对应位置上的两条馈线电连接，一组中相邻两个所述后馈线之间也通过开关二极管电连接。优选地，所述后介质板和前介质板的后侧面之间通过泡沫板隔开。优选地，所述泡沫板的介电常数为1.1，厚度为d2＝7mm。优选地，与一组中两条所述馈线电连接的开关二极管具有相同的正负极方向，且多组所述馈线均与FPGA芯片电连接；一组中所述后馈线之间的开关二极管也具有相同的正负极方向，且多组所述后馈线的一端连接在一起，另一端也连接在一起，多组所述后馈线的两端分别与所述FPGA芯片电连接；所述FPGA芯片控制所有的开关二极管同时导通或断开。优选地，一个所述极化旋转单元、与一个极化旋转单元正对的馈线、前光栅和后光栅组成一个超表面单元，一个所述超表面单元的周期为p＝10mm，所述前介质板的厚度为d1＝4mm，一组中两条所述馈线之间的间隔为0.35mm，所述馈线和前光栅的线宽分别为w1＝0.3mm、w2＝0.5mm，所述子谐振环的线宽为w3＝0.5mm，外径为3.6mm，所述后介质板的厚度为d3＝0.2mm，所述后光栅的线宽为w＝4mm，相邻两后光栅之间的间隙为g＝0.6mm。优选地，一个所述开口谐振环中两个子谐振环之间间隙的角度为6.75°，一个子谐振环的末端与开口谐振环的圆心的连线与x轴正方向夹角为45°，两个子谐振环之间的开关二极管所在的间隙中心与开口谐振环的圆心连线与x轴负方向的夹角为37.85°。优选地，所述开关二极管的型号为MAXOM14020。本专利技术中的极化切换超表面天线罩，优势在于：1.实现了对于透射波的极化瞬时控制。2.由于单元周期仅为波长的1/6，所以透射的波方向性保持较好。3.结构简单、易于制备。可在原有的单极化雷达基础上，直接通过加载超表面来实现交叉极化的切换，大大降低了成本。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术中雷达天线的工作模式示意图。图2为天线罩中超表面单元的示意图，其中a为利用腔体效应导致多次反射叠加导致透射增强的示意图；b与c是超表面单元的透视图；d为极化旋转单元的示意图；e为所用开关二极管在3～9GHz频段的等效电路图。图3为超表面的示意图，其中a为超表面正面局部视图；b为透视示意图；c为从后向看的示意图。图4为基于商业电磁仿真软件CST仿真验证。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。如图1所示，在雷达系统中天线阵口径面(圆形)上加载本专利技术的极化切换超表面天线罩(方形)，通过天线罩透射电磁波极化状态的动态调控可实现多个脉冲内的单极化、双极化、多极化与全极化天线工作模式。如果超表面天线罩一直处于“通”状态，则超表面天线罩为交叉极化透射传输，即透射波恒为垂直极化波，此时雷达天线为单极化工作模式，如图1中a。如果超表面天线罩发射时一直处于“通”状态，即发射电磁波为垂直极化波；而接收时，超表面天线罩在“断”和“通”两种状态之间快速切换，即分时双极化接收，雷达天线发射一种极化波，同极化接收两种极化的雷达回波，此时，雷达天线为双极化工作模式，如图1中b和c。...

【技术保护点】
1.极化切换超表面天线罩，其特征在于，包括相对设置的前介质板和后介质板，所述前介质板的前侧面上蚀刻有多组馈线和前光栅，后侧面上蚀刻有多个极化旋转单元；所述后介质板的后侧面上蚀刻有多组后光栅；/n每组馈线和前光栅中包括两条馈线和两条前光栅，两条馈线和两条前光栅均保持平行；多个所述极化旋转单元包括成行成列排列的开口谐振环，一列中所述极化旋转单元的排列方向与一组中所述馈线的延伸方向平行，每列所述极化旋转单元的位置均与一组所述馈线和前光栅的位置正对；/n每组所述后光栅中包括多个间断的后光栅，一组中所述后光栅的排列方向与所述馈线的延伸方向垂直；每组所述后光栅的位置均与一行所述极化旋转单元的位置正对；/n所述开口谐振环包括两个c型的子谐振环，两个子谐振环的开口相对设置，且两个所述子谐振环的末端之间存在两个间隙，其中一个间隙中通过开关二极管将两个子谐振环的末端电连接在一起，两个所述子谐振环分别通过穿过前介质板的过孔与对应位置上的两条馈线电连接，一组中相邻两个所述后馈线之间也通过开关二极管电连接。/n

【技术特征摘要】
1.极化切换超表面天线罩，其特征在于，包括相对设置的前介质板和后介质板，所述前介质板的前侧面上蚀刻有多组馈线和前光栅，后侧面上蚀刻有多个极化旋转单元；所述后介质板的后侧面上蚀刻有多组后光栅；
每组馈线和前光栅中包括两条馈线和两条前光栅，两条馈线和两条前光栅均保持平行；多个所述极化旋转单元包括成行成列排列的开口谐振环，一列中所述极化旋转单元的排列方向与一组中所述馈线的延伸方向平行，每列所述极化旋转单元的位置均与一组所述馈线和前光栅的位置正对；
每组所述后光栅中包括多个间断的后光栅，一组中所述后光栅的排列方向与所述馈线的延伸方向垂直；每组所述后光栅的位置均与一行所述极化旋转单元的位置正对；
所述开口谐振环包括两个c型的子谐振环，两个子谐振环的开口相对设置，且两个所述子谐振环的末端之间存在两个间隙，其中一个间隙中通过开关二极管将两个子谐振环的末端电连接在一起，两个所述子谐振环分别通过穿过前介质板的过孔与对应位置上的两条馈线电连接，一组中相邻两个所述后馈线之间也通过开关二极管电连接。


2.如权利要求1所述的极化切换超表面天线罩，其特征在于，所述后介质板和前介质板的后侧面之间通过泡沫板隔开。


3.如权利要求1所述的极化切换超表面天线罩，其特征在于，所述泡沫板的介电常数为1.1，厚度为d2＝7mm。


4.如权利要求1所述的极化切换超表面天线罩，其特征在于，与一组中两...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇峰，成洋，
申请(专利权)人：中国人民解放军空军工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61