双频双极化数字编码超表面天线及其设计方法技术

本申请涉及新型人工电磁材料领域，公开了一种双频双极化数字编码超表面天线及其设计方法，所述超表面天线包括在空间上周期排布的多个超表面单元，超表面单元为沿对角线对称结构，且四个二极管的位置分布也沿对角线对称，使得所述超表面单元在水平方向和垂直方向的结构相同，以实现双极化结构；除此之外，第二金属贴片的尺寸较大，可以在低频段产生谐振，第一金属贴片较小，可以实现在高频段产生谐振，因此可以满足双频段的设计要求。本申请实施例中可以通过调节四个二极管的偏置电压控制水平极化的入射电磁波和垂直极化的入射电磁波对应的反射相位。对应的反射相位。对应的反射相位。

【技术实现步骤摘要】
双频双极化数字编码超表面天线及其设计方法


[0001]本申请涉及新型人工电磁材料领域，具体涉及一种双频双极化数字编码超表面天线及其设计方法。

技术介绍

[0002]超表面是超材料的二维形式，基于相邻超表面单元间的相位不连续性来工作，具有重量轻、易制备等特点。依托广义斯涅尔定理可以实现电磁波幅度、相位、极化和波前等调控能力。而对于无源超表面，由于模型不再发生改变，电磁特性也不会改变，因此探寻电磁特性可调的超表面便成了新的研究方向与热点。对于传统可重构超表面，调控的方式有电控、光控和机械调控，其中电控手段因其成本低以及响应快等特点被广泛应用在可重构超表面当中，电控方式有MEMS微机电开关、PIN二极管等。
[0003]2018年12月，国内三大运营商获得工信部所划分的5G商用中低频试验频段，2.515GHz～2.675GHz为中国移动5G频段，3.4GHz～3.5GHz为中国电信5G频段，3.5GHz～3.6GHz为中国联通5G频段，由于中国电信和联通所处的频段难以分开，所以合并为3.4GHz～3.6GHz进行研究。市场对在以上两个频段工作的天线需求不断增加，需要更多性能优良，成本低廉的5G天线来实现5G覆盖。
[0004]东南大学崔铁军教授团队提出了“数字编码可编程超材料/超表面”的理念，开创了电磁超材料的新领域；数字编码超表面的核心思想是，数字化的二进制编码引入超表面的设计中，以此来控制不同的波束特性；不同的、特定的编码图案，可使超表面的散射场实现双波束或多波束等不同电磁散射特性。
[0005]张奥博等人在《超表面加载极化可重构双极化微带天线设计》一文中提出了一种双极化数字编码超表面天线在单一频段能够实现对双极化电磁波的调控，天线由缝隙耦合正交馈电的双极化微带贴片天线和一种方形切角的新型超表面结构组成；黄国帅等人在《双频段可辐射低RCS数字编码超表面设计》一文中设计了一款双频段数字编码超表面天线，该超表面天线将贴片天线结构和极化控制结构有机地结合在一起,实现了对单一极化电磁波在双频段的调控功能。以上的两种数字编码超表面天线设计虽然可以分别实现超表面天线对双极化和双频段电磁波的调控功能，但是却不能同时实现对双频段双极化电磁波的调控。

技术实现思路

[0006]本申请实施例提供了一种双频双极化数字编码超表面天线，以解决现有技术中，不能同时实现对双频段双极化电磁波的调控的问题。
[0007]相应的，本申请实施例还提供了一种双频双极化数字编码超表面天线的设计方法，用于保证上述超表面天线的实现及应用。
[0008]为了解决上述技术问题，本申请实施例公开了一种双频双极化数字编码超表面天线，所述超表面天线包括在空间上周期排布的多个超表面单元；
下的S11相位曲线图；
[0032]图13为本申请实施例提供的双频双极化数字编码超表面天线的设计方法流程图；
[0033]图14为本申请实施例提供的双频双极化数字编码超表面天线反射阵的设计流程图；
[0034]图15为本申请实施例提供的不考虑边界效应的1
‑
bit双频双极化数字编码超表面反射阵阵列示意图；
[0035]图16为本申请实施例提供的考虑边界效应的1
‑
bit双频双极化数字编码超表面反射阵阵列示意图；
[0036]图17为本申请实施例提供的在低频段波束扫描
±
10
°
的二维平面波束方向图；
[0037]图18为本申请实施例提供的在低频段波束扫描
±
20
°
的二维平面波束方向图；
[0038]图19为本申请实施例提供的在低频段波束扫描
±
30
°
的二维平面波束方向图；
[0039]图20为本申请实施例提供的在低频段波束扫描
±
40
°
的二维平面波束方向图；
[0040]图21为本申请实施例提供的在低频段波束扫描
±
50
°
的二维平面波束方向图；
[0041]图22为本申请实施例提供的在低频段波束扫描
±
60
°
的二维平面波束方向图；
[0042]图23为本申请实施例提供的在高频段波束扫描
±
10
°
的二维平面波束方向图；
[0043]图24为本申请实施例提供的高频段波束扫描
±
20
°
的二维平面波束方向图；
[0044]图25为本申请实施例提供的高频段波束扫描
±
30
°
的二维平面波束方向图；
[0045]图26为本申请实施例提供的高频段波束扫描
±
40
°
的二维平面波束方向图；
[0046]图27为本申请实施例提供的高频段波束扫描
±
50
°
的二维平面波束方向图；
[0047]图28为本申请实施例提供的高频段波束扫描
±
60
°
的二维平面波束方向图。
[0048]其中，1
‑
金属贴片层；1
‑
11
‑
第一金属贴片、1
‑
12
‑
第二金属贴片；1
‑
13
‑
第一十字贴片；1
‑
14
‑
第二十字贴片；1
‑
21
‑
第一隔离贴片；1
‑
22
‑
第二隔离贴片；1
‑
23
‑
第三隔离贴片；1
‑
24
‑
第四隔离贴片；1
‑
31
‑
第一偏振贴片；1
‑
32
‑
第二偏振贴片；1
‑
33
‑
第三偏振贴片；1
‑
34
‑
第四偏振贴片；1
‑
41
‑
第一金属柱；1
‑
42
‑
第二金属柱；1
‑
43
‑
第三金属柱；1
‑
44
‑
第四金属柱；1
‑
51
‑
第五金属柱；1
‑
52
‑
第六金属柱；1
‑
53
‑
第七金属柱；1
‑
54
‑
第八金属柱；1
‑
61
‑
第一二极管；1
‑
62
‑
第二二极管；1
‑
63
‑
第三二极管；1
‑
64...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双频双极化数字编码超表面天线，其特征在于，所述超表面天线包括在空间上周期排布的多个超表面单元；所述超表面单元为沿对角线对称结构；所述超表面单元包括第一金属贴片、第二金属贴片和四个二极管；所述第二金属贴片的尺寸大于所述第一金属贴片的尺寸，且所述第一金属贴片用于在高频段产生谐振，所述第二金属贴片用于在低频段产生谐振；所述四个二极管的位置分布沿所述对角线对称。2.根据权利要求1所述的双频双极化数字编码超表面天线，其特征在于，所述超表面单元为多层结构，从上到下依次包括金属贴片层、第一介质层、第一胶体层、第二介质层、第二胶体层、第三介质层、金属接地层、第三胶体层、第四介质层、金属馈电层。3.根据权利要求1所述的双频双极化数字编码超表面天线，其特征在于，所述超表面单元还包括四组调控组件，每组调控组件均包括偏振贴片与隔离贴片；所述四组调控组件的位置分布沿所述对角线对称，且分别设于所述第一金属贴片两侧、第二金属贴片两侧；所述二极管连接在偏振贴片与隔离贴片之间。4.根据权利要求1所述的双频双极化数字编码超表面天线，其特征在于，在2.515GHz～2.675GHz频段内，所述四个开关点二极管的偏置电压状态包括状态一与状态二，其中，状态一为1000，状态二为0100；在3.4GHz～3.6GHz频段内，所述四个开关点二极管的偏置电压状态包括状态三与状态四，其中，状态三为0000，状态四为1111。5.一种双频双极化数字编码超表面天线的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括：根据目标反射相位和预设入射相位，确定超表面单元的...

【专利技术属性】
技术研发人员：李龙，宋帅，冯强，曾宇鑫，刘海霞，韩家奇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：