一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线转让专利
申请号 : CN202011477956.2
文献号 : CN112701479B
文献日 : 2021-11-02
发明人 : 卢萍 , 邹颖 , 杨晓庆
申请人 : 四川大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,包括相移超表面阵列(1)和馈电喇叭天线(2),所述馈电喇叭天线(2)位于相移超表面阵列(1)的一侧,且正对相移超表面阵列(1)一端端面的中心;
所述相移超表面阵列(1)由不同旋转角度,呈周期性排列的多个相移超表面单元构成,其具有电磁波相位改变功能;
所述相移超表面单元从下至上依次包括印刷电路下层(3)、高频介质基板(4)和印刷电路上层(5),所述印刷电路下层(3)与印刷电路上层(5)结构相同,并关于高频介质基板(4)对称。
2.根据权利要求1所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,所述印刷电路下层(3)与印刷电路上层(5)均由金属贴片构成,且均为中心对称结构。
3.根据权利要求2所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,所述金属贴片包括圆环形金属贴片和经过圆环形贴片圆心处与圆环形金属贴片连接为一体的矩形金属贴片,所述矩形金属贴片上设有工字型金属贴片。
4.根据权利要求3所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,所述金属贴片为铜片或镍金镀层。
5.根据权利要求1所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,所述馈电喇叭天线(2)为线极化、圆极化或多极化喇叭天线中的一种。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,相移超表面单元的中心在相移超表面阵列(1)上的坐标位置的出射电磁波,在x,y,z三个方向上对应的理想相位为:其中
式中,xi,yj分别为相移超表面单元中心在相移超表面阵列(1)上的横、纵坐标,无量纲;
i,j,分别为相移超表面阵列中相移超表面单元的行和列,无量纲;P为相移超表面单元的边8
长尺寸,mm;k为整数,无量纲;f为中心工作频率,GHz;c为真空中光速,c=3×10 ,m/s;L为目标非衍射距离,mm;F为标准增益喇叭天线与相移超表面阵列天线口径的距离,其取值需大于馈电喇叭天线近场范围且小于馈电喇叭天线的远场范围,以使馈电喇叭辐射的电磁波以平面波形式垂直照射到相移超表面阵列,mm;α为偏折角,为非衍射波束传播方向与Y轴负向夹角,°; 为理想相位φ沿x方向上的分量,°; 为理想相位φ沿y方向上的分量,°;
为理想相位φ沿z方向上的分量,°。
7.根据权利要求6所述的一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线,其特征在于,通过改变相移超表面单元中心自身旋转角度θ(xi,yj)可改变所传输的电磁波的相位φ(xi,yj),且二者满足φ(xi,yj)=2θ(xi,yj)。
说明书 :
一种波束方向可偏的非衍射相移超表面天线
技术领域
背景技术
范围内产生非衍射光束常用的方法有轴锥体、全息图、光栅状结构、径向漏波导、径向线槽
阵列等。
相互作用基本一致。当待测物中出现凹陷、缝隙或其他缺陷时会引起所在位置的电场、电磁
波的变化,具体反映在天线的S参数的幅值或者谐振点频率偏移等参数上。
无损检测,不仅可以检测待测物表面缺陷,还可以检测待测物内部缺陷,弥补了其他检测方
式在深度检测这一方面的不足。但当待测物体积较大而无法一次性全部置于主波束非衍射
区域内时,需要手动或者机械移动待测物,或者移动探测装置的位置对整个待测物体进行
扫描检测,而加载机械调节装置会使天线整体体积变大,造成操作不便。同时,也会带来测
量精度的下降以及造成一定的操作误差,导致检测结果不准确。在某些特定情况下,波束发
射器或待测物甚至可能无法移动。因此,长衍射距离且方向可偏非衍射近场天线对于微波
无损检测有较大应用场景,同时也可以广泛应用于多目标微波成像和无线功率传输等应
用。
的中国专利,提出相互胶合的正轴锥镜和负轴锥镜,实现了远距离非衍射波束的生成,但该
专利提出的非衍射透镜工艺要求高;公开号为CN110361864A,名称为《基于惠更斯超颖表面
产生贝塞尔光束阵列的方法》的中国专利中,提出的利用惠更斯超表面来产生非衍射波束,
具有结构轻便、工艺简单等优点。但是,这些非衍射波束/光束发生器产生的非衍射波束方
向都垂直于天线表面,波束方向不能偏转。
法产生任意方向非衍射波束超材料透镜,该透镜中的超材料单元由六层金属层、四层介质
基板和三层空气层组成,基于时间反演算法,实现波束可偏。该透镜具有多层结构组成,结
构复杂。同时,非衍射波束存在高能量旁瓣;而ZhongY C,ChengY J.Wideband Quasi‑
Nondiffraction BeamWith Accurately Controllable Propagating Angle and Depth‑
of‑Field.IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2017:1‑1中提出的任意指
向的非衍射天线发射装置,是由三层金属贴片及两层介质基板交替重叠而成的正六边形结
构。但该结构具有多层基板,增加了透镜剖面高度,并在实现不同角度偏折时会出现高能量
旁瓣;Wu Y F,Cheng Y J.Proactive Conformal Antenna Array for Near‑Field Beam
Focusing and Steering Based on Curved Substrate Integrated Waveguide.IEEE
Transactions on Antennas and Propagation,2019:2354‑2363.提出的结构为曲面漏波
天线结构,实现了非衍射波束方向的偏折,但由于该结构是非平面的曲面结构,对加工工艺
要求高。
发明内容
8
的边长尺寸,mm;k为整数,无量纲;f为中心工作频率,GHz;c为真空中光速,c=3×10 ,m/s;
L为目标非衍射距离,mm;F为标准增益喇叭天线与相移超表面阵列天线口径的距离,其取值
需大于馈电喇叭天线近场范围且小于馈电喇叭天线的远场范围,以使馈电喇叭辐射的电磁
波以平面波形式垂直照射到相移超表面阵列,mm;α为偏折角,为非衍射波束传播方向与Y轴
负向夹角,°; 为理想相位φ沿x方向上的分量,°; 为理想相位φ沿y方向上的分量,°;
为理想相位φ沿z方向上的分量,°。
面低等特点。
附图说明
具体实施方式
明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术
人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同,而不
排除其他元件或者物件。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系,当被描述对象
的绝对位置改变后,则该相对位置关系也可能相应地改变。
面阵列1下端面的中心;所述馈电喇叭天线2为线极化、圆极化或多极化喇叭天线中的一种。
属贴片,所述矩形金属贴片上设有工字型金属贴片。
相位φ(xi,yj),且二者关系式为φ(xi,yj)=2θ(xi,yj)。
将每个相移超表面单元中心的位置置于所划分的网格处,通过调整每个位置上的相移超表
面单元旋转角度使其满足每个位置和相位之间的关系式:公式(1)‑(2);在标准增益喇叭天
线的波束照射条件下,天线出射面形成满足非衍射波束特征的相位分布,以实现非衍射波
束方向的偏折。
量之后,对其合成计算以求出位置(xi,yj)处对应的理想相位:
8
边长尺寸,mm;k为整数,无量纲;f为中心工作频率,GHz;c为真空中光速,c=3×10 ,m/s;L
为目标非衍射距离,mm;F为标准增益喇叭天线与相移超表面阵列天线口径的距离,其取值
需大于馈电喇叭天线近场范围且小于馈电喇叭天线的远场范围,以使馈电喇叭辐射的电磁
波以平面波形式垂直照射到相移超表面阵列,mm;α为偏折角,为非衍射波束传播方向与Y轴
负向夹角,°; 为理想相位φ沿x方向上的分量,°; 为理想相位φ沿y方向上的分量,°;
为理想相位φ沿z方向上的分量,°。
设计,只需在原超表面天线的基础上改变天线孔径尺寸即可。
移超表面单元计算出来所对应的相位φ(xi,yj),然后将单元以自身中心点旋转θ(xi,yj)
后,完成相移超表面的布阵。
移超表面天线口径的距离F=200mm,根据图2所示的计算原理图,计算相移超表面天线口径
上任意位置(xi,yi)的相移超表面单元所需提供的相位φ(xi,yj)之后,计算出对应位置相
移表面单元所需旋转角度θ(xi,yj),用仿真软件对所设计的结构进行仿真,仿真部分单元旋
转角度的结果如表1所示:
θ(°) 27.18 83.48 139.28
(xi,yj) (3.5×P,3.5×P) (4.5×P,4.5×P) (5.5×P,5.5×P)
θ(°) 15.28 71.57 128.21
(xi,yj) (0.5×P,‑0.5×P) (1.5×P,‑1.5×P) (2.5×P,‑2.5×P)
θ(°) 4.78 14.59 25.1
(xi,yj) (3.5×P,‑3.5×P) (4.5×P,‑4.5×P) (5.5×P,‑5.5×P)
θ(°) 36.72 49.77 64.47
的矩形金属贴片并在矩形金属贴片上设有工字型金属贴片;所述金属贴片的尺寸为:r=
3.64mm,L1=1.62mm,L2=4.1mm,P=7.68mm,材料为铜片或使用PCB沉金工艺印制的可焊性
良好的镍金镀层;基板厚度h=1.5mm,采用F4B介质,其介电常数εr=2.65,tanθ=0.001;
化喇叭天线进行系统搭建,如图1所示。
而非衍射距离约L=100mm,仿真结果与理论值基本吻合;在XOY平面内z=70mm处,主波束偏
移明显、没有发生衍射,如图8所示。
员,在不脱离本发明技术方案范围内,当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰
为等同变化的等效实施例,但凡是未脱离本发明技术方案的内容,依据本发明的技术实质
对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。