一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统技术方案

本发明专利技术公开了一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，主要解决现有技术结构复杂且通信容量较低的问题。其包括有源透射超表面(1)和馈源(2)，该馈源采用单层罗德曼透镜天线；该有源透射超表面由多个有源透射单元构成，每个有源透射单元包括结构相同的上下两层，每层包括介质基板，金属贴片、馈电带线、金属柱和变容二极管；金属贴片和馈电带线分别印制在介质基板上、下表面，且通过贯穿在介质基板中金属柱相连接；变容二极管加载在金属贴片中央，通过改变变容二极管的偏置电压和罗德曼透镜天线的输入端口实现涡旋波束的二维扫描。本发明专利技术简化了系统结构，能产生涡旋波束，增加了系统的通信容量，可用于无线通信和雷达探测。雷达探测。雷达探测。

【技术实现步骤摘要】
一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统


[0001]本专利技术属于天线
，具体涉及一种涡旋波二维扫描天线，可用于无线通信和雷达探测。
技术背景
[0002]涡旋电磁波由于其不同模态之间具有良好的正交性，可形成大量同频复用通道，极大地提高了通信容量。
[0003]超表面由于其对电磁波强大的调控能力以及低轮廓、低成本、制造简单和易于集成等优势，被愈发广泛的应用于天线设计中。其中，有源超表面由于加载了如变容二极管等电特性可调的电子器件，相比传统超表面对电磁波具有更加灵活的调控能力。
[0004]多波束天线在通信系统中的应用十分广泛，其中，波束扫描天线不但可以在不同方向上发送和接收信号，还可以在雷达系统中跟踪多个目标。罗德曼透镜作为一种馈电网络，可以实现天线的波束扫描功能。但按照传统方法，若要辐射更广的区域，实现波束的二维扫描，需要在垂直和水平两个方向上堆叠多个罗德曼透镜，大大增加了天线的体积与结构复杂性，而将有源超表面灵活的运用到罗德曼透镜天线的设计中，可以显著提升天线对波束的调控能力，其在实现波束二维扫描的同时又简化了传统二维扫描罗德曼透镜天线的堆栈结构，使天线的体积大大减小。同时，利用涡旋波替代平面波进行波束的二维扫描，可以形成大量同频复用通道，极大地提高了天线通信容量。2019年全国微波毫米波会议名称为“基于罗德曼透镜的二维多波束天线阵列研究”的会议论文，提出了一种可进行二维波束扫描的罗德曼透镜天线，可以实现波束在方位面和俯仰面内的二维波束扫描。但该天线由于采用二维堆叠透镜的方式实现二维空间内的波束扫描，其大大增加了天线结构的复杂性和所占空间，且加工成本较大，导致其适用场景受到很大限制。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，以简化传统二维扫描罗德曼透镜天线的结构，减小其所占空间，并通过产生涡旋波束来增加天线的通信容量和覆盖范围。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案如下：
[0007]一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，包括有源透射超表面1和馈源2，有源透射超表面1位于馈源2上方，该有源透射超表面1由M
×
N个均匀排布的有源透射单元构成，其中M≥2，N≥2；每个有源透射单元由两层结构相同的上下超表面结构11组成，两层超表面结构之间为空气层12，其特征在于：
[0008]馈源2，其采用单层罗德曼透镜天线，
[0009]每层超表面结构11，其包括介质基板111，金属贴片112、馈电带线113、金属柱114和变容二极管115；金属贴片112和馈电带线113分别印制在介质基板上、下表面，且通过贯穿在介质基板111中金属柱114相连接；变容二极管115加载在金属贴片112中央，且两端施
加不同的偏置电压。
[0010]进一步，所述罗德曼透镜天线2，其包括辐射阵面21，上介质层22，金属底板23，下介质层24，馈电网络25和金属通孔26，辐射阵面21和金属底板23分别印制在上介质层22的上下表面，下介质层24印制在金属底板23的下表面，馈电网络25印制在下介质层24的下表面，金属通孔26贯穿下介质层24，金属底板23和上介质层22，将馈电网络25与辐射阵面21相连。
[0011]进一步，所述金属贴片112包括位于同一平面内的贴片1121，偏置带线1122，接地带线1123和微带传输线1124；偏置带线1122宽度小于介质基板111的边长，接地带线1123的宽度与介质基板111的边长相同；贴片1121位于偏置带线1122与接地带线1123之间，并通过微带传输线1124将三者在介质基板上表面进行相连，且偏置带线1122通过贯穿在介质基板111中金属柱114在介质基板的下表面与馈电带线113相连接。
[0012]进一步，辐射阵面21包括P列平行排列的贴片阵列和P条微带线213，相邻贴片阵列间距相等，所有微带线213路径长度相等，每条微带线213的一端与金属通孔26相连，另一端与贴片阵列相连；每个贴片阵列包括Q个矩形贴片211，相邻矩形贴片211之间通过传输线212相连，P≥2，Q≥2。
[0013]进一步，所述金属底板23包括P个圆孔231，这些经过圆孔231的中心位于金属通孔26的中心线上，且圆孔231的直径大于金属通孔26的直径。
[0014]进一步，所述馈电网络25包括Z个输入端口和P个输出端口，每个输出端口末端均通过金属通孔26与辐射阵面21中的对应微带线213相连，Z≥2。
[0015]进一步，所述介质基板111为方形结构，其边长需小于工作波长，且厚度小于十分之一的工作波长。
[0016]进一步，所述上介质层22，下介质层24和金属底板23的面积相等，且大于辐射阵面21和馈电网络25所占面积。
[0017]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0018]1.本专利技术由于采用单层罗德曼透镜天线作为馈源，避免了传统多层罗德曼透镜天线的堆栈结构，极大简化了馈源结构并减小了所占空间。
[0019]2.本专利技术的有源透射单元由于采用由介质基板，金属贴片、馈电带线、金属柱和变容二极管组成的超表面结构，且金属贴片与馈电带线通过贯穿在介质基板中的金属柱将相连，变容二极管加载在金属贴片中央的结构，可通过在变容二极管两端施加不同的偏置电压改变有源透射单元的透射相位，改变有源透射超表面的相位分布，从而实现涡旋波束的二维扫描，增大天线的信号覆盖范围。
附图说明
[0020]图1是本专利技术的整体结构示意图；
[0021]图2是本专利技术中的罗德曼透镜天线示意图，其中：
[0022]图2(a)为侧视图，图2(b)为正视图，图2(c)为金属底板示意图，图2(d)为后视图；
[0023]图3是本专利技术中的有源透射单元结构示意图；
[0024]图3(a)为整体图，图3(b)为正视图，图3(c)为后视图，图3(d)为侧视图；
[0025]图4是本专利技术实施例的有源透射单元在偏置电压为0V和20V时的传输系数图；
[0026]图5是本专利技术实施例的有源透射单元在偏置电压为0V和20V时的传输相位图；
[0027]图6是本专利技术实施例的罗德曼透镜天线波束扫描示意图；
[0028]图7是本专利技术实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转10
°
，y方向偏转13
°
时的3D辐射方向图；
[0029]图8是本专利技术实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转10
°
，y方向偏转13
°
时，在不同方位角下的二维辐射方向图；
[0030]图9是本专利技术实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转21
°
，y方向偏转26
°
时的3D辐射方向图；
[0031]图10本专利技术实施例所产生涡旋波束沿x方向偏转21
°
，y方向偏转26
°
时，在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种融合罗德曼透镜与有源超表面的涡旋波二维扫描系统，包括有源透射超表面(1)和馈源(2)，有源透射超表面(1)位于馈源(2)上方，该有源透射超表面(1)由M
×
N个均匀排布的有源透射单元构成，其中M≥2，N≥2；每个有源透射单元由两层结构相同的上下超表面结构(11)组成，两层超表面结构之间为空气层(12)，其特征在于：馈源(2)，其采用单层罗德曼透镜天线；每层超表面结构(11)，其包括介质基板(111)，金属贴片(112)、馈电带线(113)、金属柱(114)和变容二极管(115)；金属贴片(112)和馈电带线(113)分别印制在介质基板上、下表面，且通过贯穿在介质基板(111)中金属柱(114)相连接；变容二极管(115)加载在金属贴片(112)中央，且两端施加不同的偏置电压。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述罗德曼透镜天线(2)，其包括辐射阵面(21)，上介质层(22)，金属底板(23)，下介质层(24)，馈电网络(25)和金属通孔(26)，辐射阵面(21)和金属底板(23)分别印制在上介质层(22)的上下表面，下介质层(24)印制在金属底板(23)的下表面，馈电网络(25)印制在下介质层(24)的下表面，金属通孔(26)贯穿下介质层(24)，金属底板(23)和上介质层(22)，将馈电网络(25)与辐射阵面(21)相连。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述金属贴片(112)包括位于同一平面内的贴片(1121)，偏置带线(1122)，接地带线(1123)和微带传输线(1124)；偏置带线(1122)宽度小于介质基板(111)的边长，接地带线(1123)的宽度与介质基板(111)的边长相同；贴片(1121)位于偏置带线(1122)与接地带线(1123)之间，并通过微带传输线(1124)将三者在介质基板上表面进行相连，且偏置带线(1122)...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，高鸣，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：