一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法技术

本公开是关于一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法。该反射阵列天线包括有源超表面反射阵列、可编程门阵列控制模块和馈源天线。该制造方法包括：首先，确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；其次，将N

【技术实现步骤摘要】
一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法


[0001]本公开涉及超表面电磁调控
，尤其涉及一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法。

技术介绍

[0002]超表面(Metasurfaces)是指一种厚度小于波长的人工电磁(EM)超材料，它在二维空间中呈周期性或非周期性排列组成。由于电磁波的特性和特殊调控方式，在过去几十年，超表面在声学和光学领域被广泛的研究，出现了一些负折射、隐形隐身和光学幻觉等新技术，实现了很多天然材料几乎不可能被操纵的新功能。此外，与传统的电磁波调制方法相比，超表面具有较低的剖面和成本，较高的质量，有助于开发集成和轻质系统。
[0003]嵌入可调谐材料或有源元件的可重构超表面可以在同一超表面平台上实现不同电磁响应的动态转换。有源超表面不是依靠单元形状的变化来获得指定的性能，而是可以根据需要在均匀的元素上实现多功能的传播特征，打破了无源结构的限制，它扩大了反射半空间和反射
‑
透射全空间中的超表面的设计自由度和系统应用。因此，有源超表面正在为探索天线、成像和新的无线互动系统铺平道路。
[0004]但随着无线技术的发展，现有的有源器件的设计缺陷或多波束产生方法不同，反射式超表面天线的上半空间存在局限性，只能在对称多波束或非对称双波束中动态切换，因此，提出一种高效、低成本、灵活的多波束天线设计成为了近年来无线多信道传输和雷达探测领域需要研究和解决的问题。
[0005]需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

[0006]本公开实施例的目的在于提供一种基于有源超表面的反射阵列天线及其制造方法，以实现多波束的独立产生和对其进行实时动态调制。
[0007]根据本公开实施例第一方面，提出一种基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，该制造方法包括以下步骤：
[0008]确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；
[0009]将N
×
N个所述有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列，并加载直流电源，建立通信；
[0010]进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列；
[0011]通过改变目标方向的相位编码序列，产生各种不同多波束辐射方向图。
[0012]本公开的一示例性实施例中，进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤包括：设计产生所述多波束辐射方向图的相位编码算法，分别用二进制中的“0”表示量化后的0度的相位分布，用二进制中的“1”表示量化后的180度的相位分布，所述有源超表面反射阵列上所需的相位补偿公式包括；
[0013]Φ
f
(m,n)＝
‑
k0(R
fmn
‑
F)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0014]其中，k0＝2π/λ0，表示自由空间中的波数；F表示焦距；R
fmn
表示馈源相位中心与每个单元之间的距离；(m,n)表示第(m,n)个超表面单元。
[0015]本公开的一示例性实施例中，为了在远场产生多个独立方向的铅笔状光束，利用与每个波束相关的口径场叠加策略，该相位相加后的分布满足：
[0016][0017]其中，表示瞄准方向为的第l个光束在坐标轴xoy平面的单位投影矢量；
[0018]通过相位相加，其相位分布包括：
[0019][0020]其中，Φ
MB
表示在每个有源超表面反射单元上实现多波束所需的连续相位。
[0021]本公开的一示例性实施例中，在进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤中，为了建立有源超表面反射单元运行的二进制编码相位模式，根据模糊相位近似原理，进行相位二进制离散量化，包括：
[0022][0023]其中，为常数，表示有源超表面中心的参考相位；
[0024]获得相位编码序列后，根据反射阵列天线理论近似地执行远场多波束辐射方向图，包括：
[0025][0026]其中，θ和表示球面坐标系中的仰角和方位角；m表示矩形阵列在x方向的个数；n表示矩形阵列在y方向的个数；F
e
(m,n)表示第(m,n)个单元的方向图函数；Γ
f
(m,n)表示第(m,n)个单元的反射系数；表示第(m,n)个单元的位置矢量，u表示空间位置矢量。
[0027]根据本公开实施例第二方面，提供一种基于有源超表面的反射阵列天线，包括：
[0028]有源超表面反射阵列，所述有源超表面反射阵列包括N
×
N个均匀排布的有源超表面反射单元；
[0029]可编程门阵列控制模块，所述可编程门阵列控制模块与所述有源超表面反射阵列上的电路连通；
[0030]馈源天线，所述馈源天线位于所述有源超表面反射阵列上方，用于向所述有源超表面反射阵列传输电磁波。
[0031]本公开的一示例性实施例中，所述有源超表面反射阵列包括由上至下依序设置的：
[0032]第一金属层，所述第一金属层包括有金属贴片、PIN二极管元件和枝节贴片；
[0033]第一高频介质基板，所述第一高频介质基板的表面印制有所述金属贴片，并镶嵌有所述PIN二极管和所述枝节贴片；
[0034]第二金属层，所述第二金属层的表面印制在所述第一高频介质基板的底面；
[0035]第二高频介质基板，所述第二金属层的底面印制在所述第二高频介质基板的表面；
[0036]第三金属层：所述第三金属层印制在所述第二高频介质基板的底面；
[0037]其中，所述PIN二极管与所述第二金属层通过第一金属柱连通；所述金属贴片与所述第三金属层通过第二金属柱连通，并且所述第二金属柱与所述枝节贴片共同构成偏置电路。
[0038]本公开的一示例性实施例中，在微波工作频段，所述PIN二极管元件在导通状态下的等效电路为串联，其电阻Rπ＝0.5Ω，电感Lπ＝0.7nH，在截止状态下的等效电路为串联，其电感L0＝0.5nH、电容C0＝0.24pF，两种状态下，所述PIN二极管件均具有低插入损耗。
[0039]本公开的一示例性实施例中，所述第一高频电路板为Taconic TLX
‑
8，所述Taconic TLX
‑
8的厚度为1.5mm，所述Taconic TLX
‑
8的介电常数εr＝2.55，所述Taconic TLX
‑
8介电损耗角tanδ＝0.0019。
[0040]本公开的一示例性实施例中，所述第二高频电路板为FR4，所述FR4的厚度为0.5mm，所述FR4的介电常数εr＝4.4，所述FR4电路板的介电损耗角tanδ＝0.02。
[0041]本公开的一示例性实施例中，所述有源超表面反射阵包括32
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，其特征在于，该制造方法包括：确定反射阵列天线的工作频段，并建立有源超表面反射单元的模型；将N
×
N个所述有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列，并加载直流电源，建立通信；进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列；通过改变目标方向的相位编码序列，产生各种不同多波束辐射方向图。2.根据根据权利要求1所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，其特征在于，进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤包括：设计产生所述多波束辐射方向图的相位编码算法，分别用二进制中的“0”表示量化后的0度的相位分布，用二进制中的“1”表示量化后的180度的相位分布，所述有源超表面反射阵列上所需的相位补偿公式包括；Φ
f
(m,n)＝
‑
k0(R
fmn
‑
F)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)其中，k0＝2π/λ
0，
表示自由空间中的波数；F表示焦距；R
fmn
表示馈源相位中心与每个单元之间的距离；(m,n)表示第(m,n)个超表面单元。3.根据权利要求2所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，其特征在于，为了在远场产生多个独立方向的铅笔状光束，利用与每个波束相关的口径场叠加策略，该相位相加后的分布满足：其中，表示瞄准方向为的第l个光束在坐标轴xoy平面的单位投影矢量；通过相位相加，其相位分布包括：其中，Φ
MB
表示在每个有源超表面反射单元上实现多波束所需的连续相位。4.根据权利要求3所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法，其特征在于，在进行相位编码计算，得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤中，为了建立有源超表面反射单元运行的二进制编码相位模式，根据模糊相位近似原理，进行相位二进制离散量化，包括：其中，为常数，表示有源超表面中心的参考相位；获得相位编码序列后，根据反射阵列天线理论近似地执行远场多波束辐射方向图，包括：
其中，θ和表示球面坐标系中的仰角和方位角；m表示矩形阵列在x方向的个数；n表示矩形阵列在y方向的个数；F
e
(m,n)表示第(m,n)个单元的方向图函数；Γ
f
(m,n)表示第(m,n)个单元的反射系数；表示第(m,n)个单元的位置矢量，u表示空间位置矢量。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：余佳宇，郑秋容，唐学琴，张斌，贺杰，刘杰，
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：