一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线，包括超表面电磁透镜和变张角喇叭馈源。所述超表面电磁透镜由50

【技术实现步骤摘要】
一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线


[0001]本专利技术属于微波毫米波天线
，涉及一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线。

技术介绍

[0002]随着无线电通信技术的快速发展，人们对天线的频带、增益、方向性和波束等性能要求日益提高，尤其是在卫星通信、雷达探测、微波遥感等领域，对天线提出了越来越多的电性能要求，如波束赋形、多波束、波束扫描等功能。随着微波频段的日益拥挤，人们开始探索更高频段的应用价值。当频率达到毫米波波段后，基板的介质损耗和金属层的传输损耗逐渐提高，通过组阵来提高天线增益的方法在30dB处遇到了瓶颈，越来越多的研究开始从传统的微带天线转向诸如抛物面天线和透镜天线形式的口径天线上来。
[0003]传统的透镜天线采用光学变换的方法，通过改变透镜不同位置处的折射率将馈源辐射出的球面波转换成等相位的平面波前，从而在远场产生高增益高定向的辐射波束。但是，透镜天线由于介质本身的损耗问题和折射效率的问题导致天线的辐射效率较低，并且曲面透镜存在着体积大、精度低、成本高等问题，限制了其发展。
[0004]近年来，越来越多的人致力于透镜天线二维平面化的研究。众所周知，平面反射阵列天线具有平面化、易控制、损耗低、辐射效率高等优点，并且加工工艺要求也更低。所以技术人员将平面反射阵列和传统透镜天线的概念相结合，提出了一种新型的高增益平面传输阵列天线，具有高增益和窄波束的特性。
[0005]进一步地，技术人员将相移超表面结构替代平面传输阵列的收发单元和相移结构，提出了一种更为简单的平面透镜天线。相移超表面是一种电磁超材料结构，由频率选择性表面演变而来，既拥有着和频率选择性表面一样的电磁滤波特性，又实现了相位延迟受谐振频率控制的特性。通过改变相移超表面的谐振频率来控制相移单元的相位和幅度，从而实现对入射电磁波的相位补偿，在远场产生高增益辐射波束。通过自由设计每个单元的传输相位，可以实现宽波束扫描、波束赋形、极化分集、波束电控扫描等功能。并且平面透镜天线不需考虑馈源遮挡效应、复杂馈电网络设计、加工精度要求苛刻等问题。
[0006]目前平面透镜天线的设计主要存在以下几个难点：平面透镜单元的设计作为透镜天线的重要部分，要求透镜单元具有宽相移量和高透射性能，现有的透镜单元往往无法将两者兼顾，导致透镜天线整体的增益下降，增益带宽降低；双层相移超表面单元的相移范围较窄，一般需要通过增加层数、提高介质厚度、增加金属通孔等方法来提高相移量，这就导致了透镜的体积变大、结构变复杂。
[0007]现有的相移超表面一般采用多层结构来实现全相位的可调，其需要多层介质基板粘贴而成，存在着一定的误差，并且体积(厚度)较大，当天线的频段提高时由于引入了多层介质基板，导致电磁波的损耗增大，影响了增益的提高；这种结构不仅加工复杂、制造成本高，还限制了天线在更高频段的应用。如专利申请CN113300115A提供了一种电磁超材料透镜单元及超材料透镜天线，采用双层金属叉型谐振结构，通过调整双金属叉谐振结构参数
实现频段内全相位调节，提高超材料透镜天线整体增益；其虽然采用的是双层金属结构，但在双层金属叉型谐振结构上方与下方分别设置有介质匹配层，通过设置所述介质匹配层，实现透镜单元谐振阻抗匹配，一共使用了三层介质结构和两层金属结构，并不能称作双层结构单元，实际是多层结构。因此，如何设计出体积更小、结构更简单的高增益透镜天线，成为了该领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

[0008]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线，透镜单元采用两种自由度结构，实现了360度的全相位覆盖，不增加结构的复杂度，具有体积小、结构简单，剖面低，易于集成和制造。
[0009]本专利技术所述的一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线，包括超表面电磁透镜和变张角喇叭馈源，所述变张角喇叭馈源的相位中心放置在超表面电磁透镜的焦点处，特征在于，所述超表面电磁透镜由50
×
50单元的透镜单元拼接构成，所述透镜单元为双层相移超表面结构，包括第一自由度结构和第二自由度结构，每个自由度结构均包括一层介质基板，所述介质基板的上、下表面分别敷铜构成相同的金属贴片，所述金属贴片上蚀刻有用于谐振的金属图案。
[0010]进一步的，所述第一自由度结构的金属图案包括外部方形环及嵌套的内部方形环，所述外部方形环的四个角分别向内沿其对角线方向延伸出四个矩形短截线，所述短截线不与内部方形环接触。
[0011]进一步的，所述第一自由度结构实现45
°
、90
°
、135
°
、180
°
、225
°
的相移单元。
[0012]进一步的，所述第二自由度结构的金属图案包括外部方形环及嵌套的正菱形环，所述内部正菱形环中间开设正方形槽，所述外部方形环的四个角分别向内沿其对角线方向延伸出四个矩形短截线，所述短截线不与内部正菱形环接触。
[0013]进一步的，所述第二自由度结构实现270
°
、315
°
、0
°
的相移单元。
[0014]进一步的，所述透镜单元的排列由透镜相位补偿分布和单元相位补偿能力决定，所述透镜单元需要补偿的相位计算公式为：
[0015][0016]其中，f是超表面电磁透镜的焦距，r是不同透镜单元中心到平面透镜中心的距离。通过该计算公式可以得到透镜不同位置处需要补偿的精确相位，将所有的相位值量化为步长为45度的3bit相位值，分别为0、45、90、135、180、225、270、315度，从而确定了整个透镜的单元排列顺序。
[0017]进一步的，所述变张角喇叭馈源的相位中心放置在超表面电磁透镜的焦点处，所述变张角喇叭馈源的喇叭口面与超表面电磁透镜平行，喇叭馈源辐射的入射电磁波电场方向与超表面电磁透镜垂直。
[0018]本专利技术所述的有益效果为：本专利技术采用双层相移超表面结构的透镜单元，将透镜单元的相移范围扩展到360
°
，实现了全相位可调，在保证相移精度的前提下，设计了8种不同传输相位的相移单元，将360
°
的相移量按照45
°
步长等分为3bit的相移量，并且降低了结构的复杂度，易于加工，成本降低。
[0019]透镜单元的设计通过增加短截线来增强内外环的耦合，实现相移的扩展；采用两个自由度结构，进一步扩大相移。双层金属贴片和介质基板紧密贴合，使得完整的平面透镜具有低剖面、体积小、重量轻的特点，使天线更易于集成在微波电路中。
[0020]由8种不同传输相位的透镜单元拼接构成的平面透镜天线，在有效降低天线剖面的前提下，对喇叭馈源的辐射电磁波进行了相位补偿。得益于透镜单元的高透射性能，透镜天线获得了32.4dB的最大增益和低于
‑
20dB的副瓣电平；透镜单元良好的传输性能使得天线的增益带宽得到扩展，实现了9.15％的
‑
1dB增益带宽，增本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线，包括超表面电磁透镜和变张角喇叭馈源，所述变张角喇叭馈源的相位中心放置在超表面电磁透镜的焦点处，特征在于，所述超表面电磁透镜由50
×
50单元的透镜单元拼接构成，若干个所述透镜单元为双层相移超表面结构，包括第一自由度结构和第二自由度结构，每个自由度结构均包括一层介质基板，所述介质基板的上、下表面分别敷铜构成相同的金属贴片，所述金属贴片上蚀刻有用于谐振的金属图案。2.根据权利要求1所述的一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线，其特征在于，所述第一自由度结构的金属图案包括外部方形环及嵌套的内部方形环，所述外部方形环的四个角分别向内沿其对角线方向延伸出四个矩形短截线，所述短截线不与内部方形环接触。3.根据权利要求2所述的一种基于双层相移超表面的高增益透镜天线，其特征在于，所述第一自由度结构实现45
°
、90
°
、135
°
...

【专利技术属性】
技术研发人员：李海明，王剑辉，李元杰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：