一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法技术

本发明专利技术提出了一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法。用数字编码信息

【技术实现步骤摘要】
一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法


[0001]本专利技术属于SAR天线
,具体涉及一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法。

技术介绍

[0002]星载合成孔径雷达(SAR)是微波遥感载荷，具有全天时、全天候的特点。随着对复杂目标成像的技术指标需求不断提高，高分辨率星载SAR技术得到长足发展。天线是SAR系统的重要组成部分，其电性能直接影响了SAR系统的工作特性。常用的SAR系统天线有相控阵天线及焦平面阵列天线。
[0003]信息超材料技术是最近比较火热的话题，涵盖了数字编码超材料、现场可编程超材料以及未来的软件化超材料等，是物理学与信息科学的有机融合。编码超材料(Coding Metamaterial)的主要特点在于它可以实现电磁波的自由调控，将超材料和数字信息建立起联系。其主要优点为可实时、宽角度地控制电磁波；在物理空间上搭建了数字空间，可对物理和数字信息同时调控；可基于多种介质基板构建，容易与目标外壳共型。
[0004]与传统的机械驱动阵列天线或者相控阵天线等具有波束扫描能力的雷达系统相比，信息超材料在SAR雷达天线子系统方面具有实时调控、低成本等优势。相控电磁表面，是利用可重构的技术手段设计的基于PCB工艺的低成本反射阵天线单元阵列，并在其中加入可电调的器件和材料，从而实现一种对电磁波进行实时调相控制的新技术。基于二极管的可重构天线技术，与液晶、微机电系统等可电调器件或材料相比，具有易加工、切换速度快、射频损耗小等优点。
[0005]现有的雷达天线系统主要技术缺陷有以下几点：
[0006]相控阵天线主要技术缺陷在于相控阵系统依赖大规模天线阵的相干波束扫描，由于需要控制每个单元的相位，需要复杂的功分网络以及大量的造价昂贵的T/R组件，成本很高。
[0007]传统的机械驱动的焦平面阵列天线技术缺陷在于依赖天线的机械扫描，数据获取效率低，无法满足实时感知的需求。

技术实现思路

[0008]为了解决相控阵成本较高以及机械扫描数据获取率低的问题，本专利技术提出了一种编码超材料可重构反射面天线及其设计方法。本专利技术用数字编码信息(
‘0’
和
‘1’
)表征超材料，通过改变超材料空间编码进而改变超材料反射单元的物理状态和信息状态，实现了电磁物理与信息的一体化调控。通过控制超材料反射单元的0、1状态实现超材料反射单元180
°
相移，进而实现整个阵列的波束控制。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：
[0010]一种编码超材料可重构反射面天线，包括介质层、反射层、加电层和FPGA控制板；所述介质层，以F4B介质板为基础，在内部共有2*a*b个金属通孔，用于对二极管进行加电；
所述反射层包括a*b个超材料反射单元，用于实现对入射电磁波的反射角度控制及波束赋型；所述加电层为独立层，用于单独对每个二极管进行控制；所述加电层的输出端与所述介质层的金属通孔相连接，通过所述FPGA控制板控制二极管通断，达到控制反射波束的目的；a，b为正整数。
[0011]进一步地，所述超材料反射单元共分为3层，超材料反射单元表层由两个L型金属贴片和在其中间开设的L型槽组成，中间为F4B介质层，底层为金属接地层，中间通过两个金属通孔将上层的L型金属贴片与地相连，两个L型金属贴片中间由一个pin二极管连接。
[0012]进一步地，当二极管的通断发生变化时，超材料反射单元的整体电长度和电流走向发生改变，入射电磁波经过超材料反射单元反射后相位发生改变，实现180
°
相移的
‘0’
和
‘1’
两种模式。
[0013]本专利技术还提供一种编码超材料可重构反射面天线设计方法，包括初始相位计算、补偿相位计算和相位归一化处理；
[0014]所述初始相位计算包括计算编码超材料可重构反射面天线每个超材料反射单元最初的相位状态；
[0015]所述补偿相位计算根据电磁波传输理论计算馈源到每个超材料反射单元的相位；
[0016]所述归一化处理包括在二极管控制的超材料反射单元只有0
°
和180
°
两种相位补偿模式时，将计算出的相位补偿归一化，相位在
‑
90
°
到+90
°
的超材料反射单元计为
‘0’
模式，相位在+90
°
到+270
°
的超材料反射单元计为
‘1’
模式。
[0017]有益效果：
[0018]本专利技术可以控制二极管(PIN)实现电流翻转，能轻便地、低成本地在X波段保证稳定的180
°
调相效果。通过输入合适的空间编码，编码超材料可重构反射面天线可以形成不同指向的波束；此种天线具有易加工、成本低、控制速度快等优点，是X波段雷达系统的一种可选方案，具有很高的应用价值。本专利技术提出的编码超材料可重构反射面天线设计方法利用二极管的可重构手段对超材料反射面天线进行编码，不需要复杂的功分网络及高成本移相网络即可实现二维波束控制。
附图说明
[0019]图1为本专利技术的编码超材料可重构反射面天线设计方法的具体设计流程图；
[0020]图2为超材料反射单元结构图；
[0021]图3为超材料反射单元0/1模式相位曲线图；
[0022]图4为编码超材料可重构反射面天线阵面结构图；
[0023]图5为喇叭馈源结构图；
[0024]图6为超材料反射单元初始相位分布色块图；
[0025]图7为超材料反射单元相位补偿色块图；
[0026]图8为超材料反射单元相位归一化色块图；
[0027]图9为二极管通断控制图；
[0028]图10为编码超材料可重构反射面波束扫描仿真结果；
[0029]图11为本专利技术的编码超材料可重构反射面天线设计方法的具体操作流程图。
具体实施方式
[0030]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0031]本专利技术提出了一种编码超材料可重构反射面天线，可以实现宽带稳定相移，天线由a*b个超材料反射单元组成阵面，可以实现二维高精度波束扫描，适用于星载SAR雷达天线系统。本专利技术的编码超材料可重构反射面天线包括介质层、反射层、加电层、FPGA控制板。所述介质层，采用F4B介质板为基础，在内部共有2*a*b个金属通孔，用于对二极管进行加电。所述反射层包括a*b个超材料反射单元，用于实现对入射电磁波的反射角度控制及波束赋型。所述加电层为独立层，用于单独对每个二极管进行控制。加电层的输出端与介质层的金属通孔相连接，通过所述FPGA控制板控制二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种编码超材料可重构反射面天线，其特征在于：包括介质层、反射层、加电层和FPGA控制板；所述介质层，以F4B介质板为基础，在内部共有2*a*b个金属通孔，用于对二极管进行加电；所述反射层包括a*b个超材料反射单元，用于实现对入射电磁波的反射角度控制及波束赋型；所述加电层为独立层，用于单独对每个二极管进行控制；所述加电层的输出端与所述介质层的金属通孔相连接，通过所述FPGA控制板控制二极管通断，达到控制反射波束的目的；a，b为正整数。2.根据权利要求1所述的一种编码超材料可重构反射面天线，其特征在于：所述超材料反射单元共分为3层，超材料反射单元表层由两个L型金属贴片和在其中间开设的L型槽组成，中间为F4B介质层，底层为金属接地层，中间通过两个金属通孔将上层的L型金属贴片与地相连，两个L型金属贴片中间由一个pin二极管连接。3.根据权利要求2所述的一种编码超材料可重构反射面天线，其特征在于：当二极管的通断发生变化时，超材料反射单元的整体电长度和电流走向发生改变，入射电磁波经过超材料反射单元反射...

【专利技术属性】
技术研发人员：任韬宇，刘开雨，邓云凯，李镇宁，李华，刘大成，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：