一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线

摘要

本发明提供一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，包括喇叭馈源和覆盖在馈源上方的多层动态调控人工电磁结构材料；每层材料是通过在介质板正面印刷含有周期排列的环形缝隙的金属贴片、在环形缝隙上下中心位置嵌入变容二极管，在不同列的环形缝隙之间刻蚀出用于隔离直流的缝隙线，并且通过在介质板反面印刷金属引线、金属化过孔的方式为不同行的环形缝隙内的金属贴片提供直流电压；通过控制直流电压源调节不同行或不同列之间变容二极管的电容，使相邻行或相邻列区域的辐射位相递增或递减，动态调节位相差值即能实现天线波束的动态扫描。本发明结构简单，加电方便，插损低，成本低等优势，能实现E面和H面二维动态扫描。

权利要求

1.一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：包括喇叭馈源和覆盖在馈源上方的多层动态调控人工电磁结构材料；其中，每层动态调控人工电磁结构材料是通过在介质板正面印刷含有周期排列的环形缝隙的金属贴片、在环形缝隙上下中心位置嵌入变容二极管，在不同列的环形缝隙之间刻蚀出用于隔离直流的缝隙线，并且通过在介质板反面印刷金属引线、金属化过孔的方式为不同行的环形缝隙内的金属贴片提供直流电压；利用直流电压源并列连接多层同行金属引线的边缘位置和同列环形缝隙外部金属贴片的边缘位置；通过控制直流电压源调节不同行或不同列之间变容二极管的电容，使相邻行或相邻列区域的辐射位相递增或递减，当位相差值相等时，能够实现天线波束的偏转，动态调节位相差值即能实现天线波束的动态扫描。

2.根据权利要求1所述的一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：所述环形缝隙为矩形环缝隙、圆环形缝隙或椭圆环缝隙中的一种，其周期p的取值范围为0.2λ0≤p≤0.8λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

3.根据权利要求1所述的一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：所述多层动态调控人工电磁结构材料的层间距为h，其取值范围为

0.05λ0≤h≤0.2λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

4.根据权利要求1所述的一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：所述介质板反面印刷的金属引线宽度为d，其取值范围为d≤0.1λ0，λ0为相控阵中心波长。

5.根据权利要求1所述的一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：所述环形缝隙内的金属贴片的最大尺寸为dx，其取值范围为0.1λ0≤dx≤0.5λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

6.根据权利要求1所述的一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：所述环形缝隙的缝隙宽度为g，其取值范围为0.02λ0≤g≤0.2λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

7.根据权利要求1所述的一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，其特征在于：所述用于隔离直流的缝隙线宽度为w，其取值范围为w≤0.1λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

说明书

一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线

技术领域

[0001] 本发明涉及相控阵天线领域，特别涉及一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线。

背景技术

[0002] 相控阵天线具有波束方向可操控的特点，在对一个或者多个目标跟踪领域得到了广泛的应用。但是相控阵天线的造价昂贵、馈源网络复杂。因此，很多研究人员一直集中在寻找一种简单的方法实现天线波束扫描，例如采用易操控、低损耗的相控阵材料实现波束扫描。

[0003] 长期以来，电磁性能可调控的周期性人工电磁结构材料，吸引着越来越多科研人员的关注。由于他们特有的性能，如介电常数和折射率可调控等，人工电磁结构材料在高增益天线，超透镜和微波斗篷中有巨大的应用潜力。人们提出了各种谐振结构来实现并利用这些特殊的电磁性能。最近有源电控器件被用于电磁材料来动态控制辐射电磁波的性能，比如辐射极化的动态调控、辐射相位的动态调控、以及辐射频率的动态调控等；其中相位可控材料可用于相控天线中。比如Raoul O和Ouedraogo等使用电控传输线，通过电控频率扫描实现了一维大角度相控阵天线;加拿大科学家J.Y.Lau和S.V.Hum等利用阵列透镜制备电控变折射率动态调控人工电磁结构材料，通过低压直流电控制超材料的折射率和传输相位，实现了E-面的波束扫描。但上述实现波束扫描的动态调控人工电磁结构材料具有的共性问题，插入损耗大，只能实现一维动态扫描。

发明内容

[0004] 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，采用了一种新的结构和加电方式的相位可控材料，使得天线在E面和H面的连续波束扫描角宽度在60°以上。

[0005] 为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，包括喇叭馈源和覆盖在馈源上方的多层动态调控人工电磁结构材料；其中，每层动态调控人工电磁结构材料是通过在介质板正面印刷含有周期排列的环形缝隙的金属贴片、在环形缝隙上下中心位置嵌入变容二极管，在不同列的环形缝隙之间刻蚀出用于隔离直流的缝隙线，并且通过在介质板反面印刷的金属引线、金属化过孔的方式为不同行的环形缝隙内的金属贴片提供直流电压；利用直流电压源并列连接多层同行金属引线的边缘位置和同列环形缝隙外部金属贴片的边缘位置；通过控制直流电压源调节不同行或不同列之间变容二极管的电容，使相邻行或相邻列区域的辐射位相递增或递减，当位相差值相等时，可以实现天线波束的偏转，动态调节位相差值即能实现天线波束的动态扫描。

[0006] 其中，所述环形缝隙为矩形环缝隙、圆环形缝隙或椭圆环缝隙的一种，其周期p的取值范围为0.2λ0≤p≤0.8λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

[0007] 所述5层结构相同的辐射方向动态调控人工电磁结构材料的层间距为h，其取值范围为0.05λ0≤h≤0.2λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

[0008] 所述基底下表面的金属引线宽度为d，其取值范围为d≤0.1λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

[0009] 所述环形缝隙内部贴片的最大尺寸为dx，其取值范围为0.1λ0≤dx≤0.5，λ0为相控阵天线中心波长。

[0010] 所述环形缝隙的缝隙宽度为g，其取值范围为0.02λ0≤g≤0.2λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

[0011] 所述用于隔离直流的缝隙宽度为w，其取值范围为w≤0.1λ0，λ0为相控阵天线中心波长。

[0012] 本发明具有的有益效果在于：

[0013] 本发明采用具有新的结构和加电方式的相位可控材料加载于传统喇叭天线，具有结构简单，加电方便，插损低，成本低等优势，而且实现的新型天线能实现E面和H面二维动态扫描，连续波束扫描角宽度大。

附图说明

[0014] 图1为本发明的结构示意图；

[0015] 图2为本发明的动态调控人工电磁结构材料单元结构示意图；

[0016] 图3为本发明的动态调控人工电磁结构材料单元结构的等效电路示意图；

[0017] 图4为实施例1中单层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的透过率曲线；

[0018] 图5为实施例1中单层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的传输相位和加载电压随变容二级管电容值的变化曲线；

[0019] 图6为实施例1中不同电容值情况下五层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的透过率曲线；

[0020] 图7为实施例1中不同电容值情况下五层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的传输相位曲线；

[0021] 图8为实施例1中，在5.3GHz处，不同电容值情况下五层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的传输相位与电容值的关系曲线；

[0022] 图9为实施例2中本发明在E面方向实现四种偏转角度的回波损耗S11测试结果；

[0023] 图10为实施例2中本发明在E面方向实现四种偏转角度的增益测试结果；

[0024] 图11为实施例3中本发明在H面方向实现四种偏转角度的回波损耗S11测试结果；

[0025] 图12为实施例3中本发明在H面方向实现四种偏转角度的增益测试结果。

具体实施方式

[0026] 下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的一个实施例即可实现权利要求中的全部内容。

[0027] 具体实现过程如下：

[0028] 如图1所示，该基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，每层动态调控人工电磁结构材料是通过在介质板正面印刷含有周期排列的环形缝隙的金属贴片、在环形缝隙上下中心位置嵌入变容二极管，在不同列的环形缝隙之间刻蚀出用于隔离直流的缝隙线，并且通过在介质板反面印刷金属引线、金属化过孔的方式为不同行的环形缝隙内的金属贴片提供直流电压；利用直流电压源并列连接多层同行金属引线的边缘位置和同列环形缝隙外部金属贴片的边缘位置；通过控制直流电压源调节不同行或不同列之间变容二极管的电容，使相邻行或相邻列区域的辐射位相递增或递减，当位相差值相等时，可以实现天线波束的偏转，动态调节位相差值即能实现天线波束的动态扫描。

[0029] 上述环形缝隙为矩形环缝隙、圆环形缝隙或椭圆环缝隙的一种，其周期p的取值范围为0.2λ0≤p≤0.8λ0，λ0为相控阵天线中心波长。下面以环形缝隙为矩形环缝隙为例，介绍本发明。

[0030] 如图2所示，每层动态调控人工电磁结构材料的亚波长单元结构包括介质基底层1、印刷于基底下表面横向（与喇叭馈源磁场方向平行）中心线上的金属引线2、印刷于基底上表面的与结构同心的金属矩形贴片3和金属矩形环贴片4、两个贴片之间构成的矩形环缝隙5的两条横向缝隙内嵌入的变容二极管6，连接上表面金属矩形贴片中心和下表面金属引线中心的金属化过孔7，以及连接金属矩形环贴片与金属引线的直流电压源；横向相邻单元结构的金属引线相互连接，纵向相邻单元结构的金属矩形环贴片相互连接，横向相邻单元结构的金属矩形环贴片之间构成用于隔离直流的缝隙8；直流电压源并列连接5层同行金属引线的边缘位置和同列矩形孔外的金属贴片的边缘位置。

[0031] 对于上述结构构造的相控阵天线，通过控制直流电压源调节不同行或不同列之间变容二极管的电容，可使相邻行或相邻列亚波长单元结构的辐射位相递增或递减，当位相差值相等时，可以实现天线波束的偏转，动态调节位相差值即能实现天线波束的动态扫描。

[0032] 为了深入理解辐射方向动态调控人工电磁结构材料的设计原理，下面将结合亚波长单元结构的等效电路和具体实施例来介绍本发明。

[0033] 首先，介绍下辐射方向动态调控人工电磁结构材料的位相调控原理。如图3所示的亚波长单元结构的等效电路图，金属矩形环和贴片之间的电谐振产生等效电容Ce，在矩形环和贴片之间焊接的变容二极管由直流电压调控，其电容值为Cv；结合Ce，Cv以及矩形环沿y轴方向的边产生的等效电感L可得到材料的等效阻抗为：

[0034]

[0035]

[0036] 材料的谐振频率为：

[0037]

[0038] 根据这个方程，可以通过金属引线和金属矩形环贴片之间外加直流电压调控变容二极管的电容值来控制谐振频率和动态调控人工电磁结构材料的折射率，从而调控入射波的传输相位。

[0039] 实施例1

[0040] 本实施例针对频率5GHz设计了基于五层（6×6）单元周期的动态调控人工电磁结构材料的扫描天线的整体模型。采用喇叭天线作为馈源，辐射口径为183mm×206mm，喇叭口离材料的距离为18.5mm，动态调控人工电磁结构材料的层间距h=6.5mm。动态调控人工电磁结构材料的介质基板采用1.5mm厚的TLX-8（ε=2.55，损耗正切为0.0027），金属矩形贴片通过直径为0.15mm的金属化小孔和金属引线连接。其他亚波长单元结构尺寸为：p=33mm，dx=24.5mm，dy=23.5mm，gx=3.25mm，gy=3.05mm，w=0.4mm，d=0.2mm。

[0041] 首先我们使用电磁仿真软件对亚波长单元结构进行模拟仿真，电场方向平行x轴，传播方向从-z指向+z。通过数值模拟得到了亚波长单元结构的透过率，如图4所示，当变容二极管电容值从0.8pF变化到2.4pF时，谐振频点从5.5GHz变为5GHz，图5显示了传输相位和电容值的关系以及加载电压与变容二级管电容值的关系，可见通过电压调控变容二极管的电容值能够控制动态调控人工电磁结构材料的传输相位。当变容二极管电容值从0.8pF变化到2.4GHz时，单层亚波长结构材料的传输相位变化约50°，可见单层材料在满足较高透过率的条件下，无法通过调控电容值得到所需360相位变化。为了能够满足高透过率和传输相位所需角度变化，因此需在传播方向设置五层，并对五层单元结构进行仿真。

[0042] 图6显示了动态调控人工电磁结构材料五层单元结构不同电容值对应传输系数的仿真结果。从不同电容对应的透射系数（S21的幅度）可以看出，随着电容值的增加，谐振频率向低频移动，透过峰最高频率从5.2GHz-5.7GHz移动到了4.8GHz-5.4GHz；而且传输波频率在5.2GHz至5.4GHz各种电容值均有很高的透过率，这意味着绝大部分功率可以通过材料传输；图7是六层单元结构不同电容值的传输相位与频率的关系图，在5pF到5.5pF之间，传输相位对电容值的改变相当敏感；图8为5.3GHz时的传输相位与电容的关系曲线，变容二极管电容值在0.63pF到2.6pF变化时，传输相位差在360度内可以任意调控。

[0043] 接着，将前面设计的动态调控人工电磁结构材料与传统喇叭天线结合起来，设计仿真了本发明的整体模型，为了验证本发明能实现E面和H面二维动态扫描的效果，我们研制并测试了五层（6×6）单元周期的动态调控人工电磁结构材料扫描天线，后面结合实施例2和实施例3进一步介绍本发明的二维扫描的具体调控方式和效果。

[0044] 首先介绍下本发明的电控方式及不同偏转角度下变容二极管的电容调控方式。如图1所示，喇叭天线辐射波束垂直入射到材料上中，电场谐振方向平行于x轴。该材料在E面和H面分别分为六个区域。当ΦHm（m=1，2，……，6）接入恒定电势，ΦEn（n=1，2，……，6）分别由六组独立的电势控制时，区域n中的电容由电势ΦEn调控；所以该材料在电场极化方向可分成六个独立控制的区域且同一区域的变容二级管具有相同的加载电压。通过电压合理控制各个区域的电容值，可以分别调控各个区域的出射波相位；实现波束在E-面的扫描。同理，当ΦEn接入恒定电势，ΦHm分别由六组独立的低电势控制，区域m中的电容值由低电势ΦHm调控；材料在磁场极化方向可分成六个区域。通过调节直流电压源的电压合理控制各个区域的电容值，实现波束在H-面的扫描。表1是偏转角度为0°，10°，20°，
30°等四种偏转状态对应各个区域的电容值（Cv）分布和相位值 分布。

[0045] 表1不同偏转状态下各个区域的电容值（Cv）分布和相位值 分布

[0046]

[0047] 第一种情况是在六个区域的所有电容设置相同（均为1pF），使各个区域传输相位相等。在第二种情况是不同的地区分别设置适当的电容值，并确保传输相位沿x轴方向依次递增，相邻区域相差为36°，第三种情况除相邻区域相位差是70°，第四种情况相邻区域相位差是103°。

[0048] 实施例2

[0049] 基于上述内容，本实施例针对E-面波束扫描中的四种偏转角度（0°、10°、20°和30°）的特例进行了实验测量。当ΦHm接入同一低电势，ΦEn分别由六组独立的高电势控制时，材料在电场极化方向可分成六个区域，通过调控各个区域电势ΦEn，合理控制不同区域的电容值Cv，从而动态调控相位差。分别测量四种不同的情况下天线在E平面的辐射方向图。我们把ΦHn全部接入30V高电势。表2给出了四种偏转状态对应的各个区域电势ΦEm。测试结果如图9和图10所示，图9为四种偏转角度对应天线的回波损耗S11，在工作频率天线的回波损耗均小于-10dB；图10显示了5.3GHz下，四种情况对应的远场辐射方向图，测出的偏转角度与设计目标吻合较好，分别约为0°、10°、19.5°，31.5°。

[0050] 表2不同偏转状态下各个区域的电势（ΦEm）分布

[0051]

[0052] 实施例3

[0053] 本实施例针对H-面波束扫描中的四种偏转角度（0°、10°、20°和30°）的特例进行了实验测量。当ΦEm接地，ΦHn分别由六组独立的高电势控制时，材料在磁场极化方向可分成六个区域。分别模拟了四种不同的情况下天线的辐射方向图。第一种情况是在六个地区的所有电压设置相同（均为10V），使各个区域传输相位相等。在第二种情况是不同的地区分别设置适当的电容值，并确保传输相位沿x轴方向依次递增，相邻区域相差为36°，第三种情况相邻区域相位差是70°外，第四种情况为103°，表3给出了具体电压值分布。测试结果如图11和图12所示，图11为三种偏转角度对应天线的S11，在10.3GHz天线的回波损耗均小于-10dB，图12显示了5.3GHz四种情况对应的远场辐射方向图，测出的偏转角度与设计目标吻合较好，分别约为0°、9.5°、20°，31°。

[0054] 表3不同偏转状态下各个区域的电势（ΦEm）分布

[0055]

[0056] 以上设计过程、实施例及仿真和测试结果很好地验证了本发明。

[0057] 因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。