基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于可编程超表面的波束可重构法布里

【技术实现步骤摘要】
基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线


[0001]本专利技术涉及一种基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线，属于新型人工电磁材料和微波天线领域。

技术介绍

[0002]新型人工电磁材料，亦称电磁超材料，是由一种亚波长尺寸单元周期或非周期排布而成的一种人工材料，可以获得自然界中不存在的特异现象，实现一些特殊的电磁特性。作为其二维等效的平面结构的超表面可以减少三维电磁超材料的纵向厚度以及构造复杂性，近年来也广泛地用于调控电磁波，降低了损耗，加工简单，便于与系统上集成。数字编码和可编程超材料/超表面的概念在2014年由东南大学崔铁军教授课题组提出，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，在FPGA等控制电路的操控下可以形成功能实时可切换的可编程超材料/超表面，具有广阔的应用前景。(参考文献[1]：T.J.Cui,M.Q.Qi,X.Wan,J.Zhao,and Q.Cheng,"Coding metamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials,"Light
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Science&Applications,vol.3,p.e218,Oct 2014.)然而，目前可编程超表面需要外部馈源天线来激励，通常馈源天线和超表面之间距离随着超表面的尺寸增大而提高，这就造成了可编程超表面与馈源天线集成后剖面非常大，体积较大不便集成。
[0003]另一方面，法布里
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珀罗谐振腔天线，也称为部分反射表面天线，具有高增益、低剖面、波束宽度窄、损耗低等特点，可以在形成高增益辐射的同时，满足体积小、结构紧凑、成本低等要求，在工业界也引起了广泛的研究。相比于阵列天线，其省去了复杂的移相功分网络，降低了损耗。近年来，根据实际应用中的需求，可重构和波束扫描成为法布里
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珀罗天线的研究热点之一。尽管法布里
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珀罗谐振腔天线也可以通过设计馈源天线阵列或可调的反射地板来实现波束可重构，但是这些方法具有馈电结构复杂，波束偏转角度小、增益损失大等缺点。

技术实现思路

[0004]技术问题：本专利技术的目的在于解决现有法布里
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珀罗天线波束可重构情形中扫描角度小、增益损失大等问题，以及普通可编程超表面在外部馈源天线激励下整体剖面较大的问题，并基于可编程超表面提供一种方便高效地实现波束可重构的新设计思路。
[0005]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线，主要由微带天线馈源(3)、上层反射板(1)和下层反射板(2)构成。上下层反射板用塑料螺丝(4)固定形成一个半波长的法布里
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珀罗谐振腔。上层反射板为一种高反射率的透射式可编程超表面，在FGPA控制电路的驱动下实时变化编码分布，从而实现天线辐射波束的可重构。
[0007]进一步的，可编程超表面由周期排布的1比特透射相位可编程单元(5)组成，每个单元集成了两个开关二极管。两个开关二极管并联反向连接，在可编程单元上表面对称放
置。FPGA控制电路可以提供极性相反的高低电平，分别导通可编程单元上不同的开关二极管，使其分别呈现0度和180度的透射相位，对应“0”和“1”两种编码。
[0008]进一步的，构成可编程超表面的可编程单元(5)是个多层的结构，依次包括上层金属贴片(51)，上层介质板(55)，中间层金属贴片(52)，下层介质板(56)，下层金属贴片(53)，以及连接在上层金属贴片上的两个开关二极管和穿过中间层金属贴片连接着上下层金属贴片的金属过孔(54)。上下层金属贴片分别与FPGA控制电路的高低电平相连。
[0009]进一步的，可编程超表面的下表面反射相位在不同编码状态下保持不变，同时反射率较高(大于0.9)，与下层反射板结合构成法布里
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珀罗谐振腔，满足天线谐振条件。微带天线激励的电磁波在腔体内多次反射，每次透射的电磁波经过可编程单元的透射相位调制，实现波束可重构。
[0010]进一步的，可编程超表面中每列单元使用相同的偏置电压，呈现相同的编码状态，通过FPGA控制电路输出的电压来改变可编程超表面的编码分布，可实现一维面内的波束可重构。
[0011]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的优势在于：
[0012]1.本专利技术中的基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线，不需要复杂的移相功分网络，仅通过改变可编程超表面的编码分布，即可实现天线辐射波束的可重构，具有高增益、损耗低、结构紧凑、大角度波束偏折，增益损失小等优势。另一方面也将普通可编程超表面在外部馈源天线激励下的整体剖面降低至半波长左右，实现了低剖面的集成设计。
[0013]2.本专利技术的设计简单、加工方便、易于实现。谐振腔天线的制作采用常规的印刷电路板工艺即可，每个可编程单元上焊接商用开关二极管，控制电路可以采用现场可编程门阵列(FPGA)、单片机或CPLD等。
[0014]3.本专利技术中的天线还能组成天线阵列，进一步提高增益和波束可重构能力。
附图说明
[0015]图1是基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线的工作原理示意图。
[0016]图2中(a)是基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线的整体及局部结构示意图，(b)、(c)、(d)分别为谐振腔上层反射板上层金属图案、谐振腔上层反射板下层金属图案、微带天线的结构示意图。
[0017]图3中(a)是可编程单元的结构示意图，(b)、(c)、(d)分别为上层金属贴片、中间层金属贴片、下层金属贴片的结构示意图。
[0018]图4是可编程单元在两种编码下的反射和透射系数幅度随频率变化的曲线。
[0019]图5是可编程单元在两种编码下的反射系数相位随频率变化的曲线。
[0020]图6是可编程单元在两种编码下的透射系数相位随频率变化的曲线。
[0021]图7是天线在不同编码序列下回波损耗随频率变化的曲线。
[0022]图8是天线在不同编码序列下的E面增益方向图。
[0023]图9是通过FPGA输出不同编码序列实现波束可重构的三维和二维波束方向图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术进行具体阐述。
[0025]本专利技术中，法布里
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珀罗谐振腔天线的上层反射板为可编程超表面，由周期排布的1比特透射相位可编程单元组成。每个单元集成了两个开关二极管，在两种不同的开关状态下，单元结构对电磁波呈现0度和180度两种不同的透射相位，分别标记为“0”和“1”。可编程超表面的下表面反射相位在不同编码状态下保持不变，同时反射率较高，与下层反射板结合构成法布里
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线，其特征在于，该天线包括上层反射板(1)、下层反射板(2)和微带天线馈源(3)；上层反射板(1)和下层反射板(2)形成一个半波长的法布里
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珀罗谐振腔；上层反射板(1)为一种高反射率的透射式可编程超表面，在FGPA控制电路的驱动下实时变化编码分布，从而实现天线辐射波束的可重构。2.根据权利要求1所述基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线，其特征在于，作为上层反射板(1)的可编程超表面由周期排布的1比特透射相位可编程单元(5)组成，每个可编程单元(5)集成了两个开关二极管；两个开关二极管并联反向连接，在可编程单元(5)上表面对称放置；FPGA控制电路提供极性相反的高低电平，分别导通可编程单元上不同的开关二极管，使其分别呈现0度和180度的透射相位，对应“0”和“1”两种编码。3.根据权利要求2所述基于可编程超表面的波束可重构法布里
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珀罗谐振腔天线，其特征在于，构成可编程超表面的可编程单元(5)是个多层...

【专利技术属性】
技术研发人员：张磊，郑熠宁，邵睿文，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：