基于极化转换超表面的天线单元、天线阵列及阵列天线制造技术

本发明专利技术公开一种基于极化转换超表面的天线单元、天线阵列及阵列天线，该天线单元包括单元载体组件、单元功能结构和单元金属接地面，其中单元载体组件采用柔性介质基板与芳纶蜂窝纸芯相互层叠的结构，既能实现与载体外形相共形的特征，同时具备载体表面承重特性；单元功能结构包括单元微带馈线、单元极化转换超表面、单元耦合缝隙、单元同轴馈电头；通过多层基架和多组不同状态的单元极化转换超表面的配置，拓展了多功能极化超表面功能。该阵列天线采用模块化设计思路，在结构上具有低剖面、重量轻、结构简单的特点，在功能上具有电磁隐身和电磁波收发双重电磁功能，能共形在复杂载体表面并具有表面承重功能，具有结构和功能的一体化特性。一体化特性。一体化特性。

【技术实现步骤摘要】
基于极化转换超表面的天线单元、天线阵列及阵列天线


[0001]本专利技术属于无线通信
的天线技术，尤其涉及基于极化转换超表面的天线单元、天线阵列及阵列天线。

技术介绍

[0002]超表面是一种具有亚波长尺寸的二维超材料阵列，通过设计其单元的结构和排列的方式，能够实现电磁波极化的调控，因此在微波天线领域、隐身领域以及通信领域都具有非常重要的意义。
[0003]极化转换超表面，即利用超表面的各向异性特性，通过调控单元的结构参数，实现入射电磁波的极化转换。相较于其他电磁波调控方式，极化转换超表面可以通过调整单元结构参数、单元组阵排布方式来实现电磁波状态的自由调控，从而实现电磁隐身效果。传统超表面的功能大都单一，因此在实际应用中的普适性受到极大限制。将柔性共形、结构承载、天线收发和电磁波极化调控等多种复合功能纳入超表面的设计中，能够有效提升超表面的应用前景。一方面，柔性共形和结构承载功能能够有效满足载体良好的气动布局和空气动力布局，在所具备的隐身效果相较于平面更好。同时，超表面通常被安装在载体的表层蒙皮下，考虑到外部的压力对其产生的扭曲形变，因此结构承载能够有效解决其电性能稳定问题。另一方面，作为电磁设备，多功能的集成和轻量化为装备的研发目标。将超表面的入射电磁波调控与天线的电磁波收发相结合起来，能够有效解决装备挤占内部空间、散热等问题。因此面向多功能隐身共形天线的需求，结合柔性材料与极化转换超表面，从而降低天线的RCS(雷达散射截面)是目前实现宽频段共形隐身天线的新途径之一。

技术实现思路

[0004]为解决现有超表面多功能集成和性能方面的技术缺陷，本专利技术提供基于极化转换超表面的天线单元、天线阵列及阵列天线，该阵列天线采用模块化设计思路，通过所述的天线阵列能够实现大规模的扩展。在结构上具有低剖面、重量轻、结构简单的特点；在功能上具有电磁隐身和电磁波收发双重电磁功能，能共形在复杂载体表面并具有表面承重功能，具有结构和功能的一体化特性。
[0005]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是：设计一种基于极化转换超表面的天线单元，其特征在于，该天线单元包括单元载体组件、单元功能结构和单元金属接地面，其中单元载体组件包括上部单元柔性介质基板、中部单元柔性介质基板、下部单元柔性介质基板和单元芳纶蜂窝纸芯层，单元功能结构包括单元微带馈线、单元极化转换超表面、单元耦合缝隙、单元同轴馈电头；其中，上部单元柔性介质基板与中部单元柔性介质基板之间及中部单元柔性介质基板与下部单元柔性介质基板之间各设置有一个单元芳纶蜂窝纸芯层，单元金属接地面设置在下部单元柔性介质基板的背面，该六层通过打孔装尼龙螺钉的方式组装成型；
[0006]单元极化转换超表面印制在上部单元柔性介质基板的上表面上；所述单元极化转
换超表面为由十六个相同的切角条形金属贴片按照四行四列等间距排布的结构，为等尺寸的16个按4
×
4等间距设置的方形金属贴片沿同一个朝向各自对称的腐蚀掉两个相同尺寸的等边直角三角形所得，方形金属贴片被腐蚀后余下的两个顶点的连线即为对应切角条形金属贴片的中心线，同一个单元极化转换超表面上的切角条形金属贴片的中心线与水平方向的夹角相同，为45
°
或者135
°
；
[0007]中部单元柔性介质基板的上表面印制有金属的单元微带馈线，单元微带馈线包括两个部分：50欧姆微带馈线和阻抗匹配馈线，两者呈水平方向放置，其中阻抗匹配馈线衔接在50欧姆微带馈线的左侧，且两者水平方向的对称线与单元极化转换超表面所围成区域的水平方向的中线在空间上重合；单元同轴馈电头安装在贯穿阻抗匹配馈线的中心、中部单元柔性介质基板、下部的单元芳纶蜂窝纸芯层、下部单元柔性介质基板和单元金属接地面的通孔内；
[0008]单元耦合缝隙为单元金属接地面上开的矩形槽；矩形槽沿单元金属接地面的前后方向设置，且矩形槽的前后方向的对称线与单元极化转换超表面所围成区域的前后方向的中线在空间上；下部单元柔性介质基板的背面上除单元耦合缝隙、用于安装单元同轴馈电头的通孔、尼龙螺钉孔之外的其它地方均被单元金属接地面覆盖；
[0009]上部单元柔性介质基板、中部单元柔性介质基板、下部单元柔性介质基板的大小、材质和厚度均相同，同时，采用的两个单元芳纶蜂窝纸芯层的大小、材质和厚度均相同，且其大小能完全覆盖上部单元柔性介质基板。
[0010]进一步的，本专利技术设计一种基于极化转换超表面的天线阵列，其特征在于，该阵列天线基于如上所述的天线单元，该天线阵列包括阵列载体组件、阵列功能结构和阵列金属接地面，其中阵列载体组件包括上部阵列柔性介质基板、中部阵列柔性介质基板、下部阵列柔性介质基板、阵列芳纶蜂窝纸芯层，其中，上部阵列柔性介质基板与中部阵列柔性介质基板之间及中部阵列柔性介质基板与下部阵列柔性介质基板之间各设置有一个阵列芳纶蜂窝纸芯层，阵列金属接地面设置在下部阵列柔性介质基板的背面，该六层通过打孔装尼龙螺钉的方式组装成型；
[0011]所述阵列功能结构包括四组如上所述的天线单元的单元功能结构，四组单元功能结构按2
×
2等间距排布，四个单元极化转换超表面设置在上部阵列柔性介质基板的上表面上，四个单元微带馈线设置在中部阵列柔性介质基板的上表面上；四个单元耦合缝隙为阵列金属接地面上开的矩形槽；每一组单元功能结构中的单元微带馈线、单元极化转换超表面、单元耦合缝隙、单元同轴馈电头之间的相对位置与天线单元中的相同；其中，左上与右下的两个单元极化转换超表面的切角条形金属贴片的中心线与水平方向的夹角为45
°
，左下与右上的两个单元极化转换超表面的切角条形金属贴片的中心线与水平方向的夹角为135
°
；单元同轴馈电头安装在对应的贯穿单元微带馈线的阻抗匹配馈线的中心、中部阵列柔性介质基板、下部的阵列芳纶蜂窝纸芯层、下部阵列柔性介质基板、阵列金属接地面的通孔内；下部阵列柔性介质基板的背面除单元耦合缝隙、用于安装单元同轴馈电头的通孔、尼龙螺钉孔之外的其它地方均被阵列金属接地面覆盖；
[0012]上部阵列柔性介质基板、中部阵列柔性介质基板、下部阵列柔性介质基板的大小、材质和厚度均相同，同时，采用的两个阵列芳纶蜂窝纸芯层的大小、材质和厚度均相同，且其大小能完全覆盖上部阵列柔性介质基板。
[0013]进一步的，本专利技术设计一种基于极化转换超表面的阵列天线，其特征在于，该阵列天线基于如上所述的天线阵列，该阵列天线包括天线载体组件、天线功能结构和天线金属接地面，其中天线载体组件包括上部天线柔性介质基板、中部天线柔性介质基板、下部天线柔性介质基板、天线芳纶蜂窝纸芯层，其中，上部天线柔性介质基板与中部天线柔性介质基板之间及中部天线柔性介质基板与下部天线柔性介质基板之间各设置有一个天线芳纶蜂窝纸芯层，天线金属接地面设置在下部天线柔性介质基板的背面，该六层通过打孔装尼龙螺钉的方式组装成型；
[0014]所述天线功能结构包括四个如上所述的天线阵列的阵列功能结构，四个阵列功能结构按2
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于极化转换超表面的天线单元，其特征在于，该天线单元包括单元载体组件、单元功能结构和单元金属接地面，其中单元载体组件包括上部单元柔性介质基板、中部单元柔性介质基板、下部单元柔性介质基板和单元芳纶蜂窝纸芯层，单元功能结构包括单元微带馈线、单元极化转换超表面、单元耦合缝隙、单元同轴馈电头；其中，上部单元柔性介质基板与中部单元柔性介质基板之间及中部单元柔性介质基板与下部单元柔性介质基板之间各设置有一个单元芳纶蜂窝纸芯层，单元金属接地面设置在下部单元柔性介质基板的背面，该六层通过打孔装尼龙螺钉的方式组装成型；单元极化转换超表面印制在上部单元柔性介质基板的上表面上；所述单元极化转换超表面为由十六个相同的切角条形金属贴片按照四行四列等间距排布的结构，为等尺寸的16个按4
×
4等间距设置的方形金属贴片沿同一个朝向各自对称的腐蚀掉两个相同尺寸的等边直角三角形所得，方形金属贴片被腐蚀后余下的两个顶点的连线即为对应切角条形金属贴片的中心线，同一个单元极化转换超表面上的切角条形金属贴片的中心线与水平方向的夹角相同，为45
°
或者135
°
；中部单元柔性介质基板的上表面印制有金属的单元微带馈线，单元微带馈线包括两个部分：50欧姆微带馈线和阻抗匹配馈线，两者呈水平方向放置，其中阻抗匹配馈线衔接在50欧姆微带馈线的左侧，且两者水平方向的对称线与单元极化转换超表面所围成区域的水平方向的中线在空间上重合；单元同轴馈电头安装在贯穿阻抗匹配馈线的中心、中部单元柔性介质基板、下部的单元芳纶蜂窝纸芯层、下部单元柔性介质基板和单元金属接地面的通孔内；单元耦合缝隙为单元金属接地面上开的矩形槽；矩形槽沿单元金属接地面的前后方向设置，且矩形槽的前后方向的对称线与单元极化转换超表面所围成区域的前后方向的中线在空间上；下部单元柔性介质基板的背面上除单元耦合缝隙、用于安装单元同轴馈电头的通孔、尼龙螺钉孔之外的其它地方均被单元金属接地面覆盖；上部单元柔性介质基板、中部单元柔性介质基板、下部单元柔性介质基板的大小、材质和厚度均相同，同时，采用的两个单元芳纶蜂窝纸芯层的大小、材质和厚度均相同，且其大小能完全覆盖上部单元柔性介质基板。2.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的天线单元，其特征在于，上部单元柔性介质基板采用的材料为聚酰亚胺玻纤布层压板，介电常数为4.1，损耗正切为0.0067，厚度为0.3mm。3.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的天线单元，其特征在于，上部单元柔性介质基板长宽高尺寸为：38mm
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38mm
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0.3mm。4.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的天线单元，其特征在于，所述单元极化转换超表面为9mm
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9mm的16个按4
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4的阵列以0.5mm的间距设置的方形金属贴片沿同一个朝向各自对称的腐蚀掉两个边长为8mm的等边直角三角形所得。5.根据权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的天线单元，其特征在于，所述极化转换超表面距离上部单元柔性介质基板的上、下、左、右边缘均为0.25mm；所述单元微带馈线的50欧姆微带馈线的宽度为0.65mm，其左侧末端距离中部单元柔性介质基板中心的距离为3.5mm，其右侧末端距离中部单元柔性介质基板中心的间距为5mm，阻抗匹配馈线段的长宽为：8mm
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2.4mm；所述耦合缝隙为金属接地面中心所开有的矩形槽，矩形槽的长宽尺寸
为：2.5mm
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18.5mm。6.一种基于极化转换超表面的天线阵列，其特征在于，该阵列天线基于如权利要求1
‑
5任一项所述的天线单元，该天线阵列包括阵列载体组件、阵列功能结构和阵列金属接地面，其中阵列载...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑宏兴，唐灿，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：