一种具有三个自由度的可重构人工表面天线的制作方法

本发明属基于微波变容二极管的可重构天线领域，公开了一种具有三自由度的可重构人工表面天线。

背景技术：

使用软件来控制相控阵天线可以实现高度的可重构目的。通过充分利用数字化基带系统的种种优点，就可以生成可操控的波束，这些波束有着不同的方位角，波束宽度以及可选择的频带。但是，这些系统存在着复杂度高，成本高的问题，不利于广泛应用。相比起相控阵系统，安装有微波变容二极管的人工表面天线只需要由一个球面波馈源即可完成波束扫描。但迄今为止，上述人工表面天线只能在特定的设计频段实现扫描。这种一个自由度的可重构天线限制了人工表面天线的实际应用。基于此，我们通过创新性地采用不同的直流电压对，对人工表面单元中的变容二极管进行偏置，使之对于不同工作频段呈现不同的扫描光栅图形，实现扫描角度，波束宽度以及工作频带的同时可重构。

技术实现要素：

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种具有三自由度的可重构人工表面天线。

本发明天线系统可以工作频率、扫描角度和波束宽度的同时可重构。本天线系统基于安装有变容二极管的单层人工表面，通过改变处在不同位置的二极管的反向偏置电压，实现不同的扫描光栅结构，得到具有三个自由度，即波束宽度、工作频段和扫描角度的可重构天线。

本发明采用的技术方案是：

所述可重构人工表面天线主要由多个结构相同的谐振单元组成，每个谐振单元包括正方形的介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，铜片结构包括两个“h”字型片状结构和两个“h”字型片状结构之间的叉指结构，两个“h”字型片状结构中间布置叉指结构，叉指结构连接在“h”字型片状结构的侧边条，叉指结构中间布置有一个变容二极管。

所述的两个“h”字型片状结构平行布置，“h”字型片状结构中的中间横条沿第一方向布置。

多个谐振单元沿沿第二方向周期延拓，相邻谐振单元上的“h”字型片状结构对应连接，组成一组谐振单元组；多个谐振单元组沿第一方向周期延拓，组成可重构人工表面；第一方向和第二方向相垂直。

所述人工表面天线中，变容二极管选择smv1234型号，且工作在反偏状态，通过对谐振单元两端施加的不同电压来实现波束宽度、瞬时工作频段和扫描角度的同时重构，即构建不同频率下的扫描光栅结构。

通过对谐振单元的两端(即两个“h”字型片状结构各自的一端作为谐振单元的两端)施加反向偏置电压，变容二极管的电容值就会发生变化，谐振单元就会对特定频率的入射波实现透明与不透明的切换。

所述的可重构人工表面中，以谐振单元组为单位将可重构人工表面分成多个区域，即将相邻的一个或者多个谐振单元组合并组成一块区域，根据需求对不同的区域通过采用不同的直流电压施加到谐振单元的两端，使得区域中的各个变容二极管反向偏置，使得不同区域的可重构人工表面工作状态不同(工作在透射或者反射状态)，形成不同的扫描光栅结构，同时得到波束宽度、瞬时工作频段和扫描角度的三自由度同时重构。

具体实施中，根据需求设定将可重构人工表面划分为多个区域，具体是：可以将人工表面分为两类——透明区域与不透明区域；对应处于透明区域的谐振单元施加可以构成透射模式的反偏电压，对应处于不透明区域的谐振单元施加可以构成反射模式的反偏电压，以保证相干的入射波透射出去，拦截非相干透射波，达到提高增益，控制扫描角度以及波束宽度等目的。

本发明通过对不同区域的谐振单元施加不同的电压控制扫描光栅的形状，得到不同的波束宽度和扫描角度，实现三自由度的重构。

本发明还要根据瞬时工作频段要求，从仿真或测量得到的不同偏置电压下的可重构人工表面的传输特性，确定控制工作频段对应的直流电压。

所述的直流电压对包括导通电压和截止电压，所述的直流电压使采用以下方式获得：在可重构人工表面施加电压进行测量，每次测量是对可重构人工表面的所有区域的谐振单元组施加同一电压，并用不同工作频率的电磁波信号进行入射测量获得传输系数，然后绘制传输系数和工作频率的关系曲线图；对可重构人工表面施加不同电压进行多次测量，选取工作频率对应传输系数最高的施加电压和最低的施加电压分别作为导通电压和截止电压。

在对谐振单元组施加导通电压时，谐振单元组所在的可重构人工表面区域为透射特性，能让入射的电磁波透过；在对谐振单元组施加截止电压时，谐振单元组所在的可重构人工表面区域为反射特性，能让入射的电磁波反射。

所述谐振单元中的介质板长度小于1/5工作波长。

具体实施中采用的天线系统包含一个球面波馈源以及本发明的可重构人工表面，通过实现可重构人工表面上的扫描光栅条纹的移动，就可以实现对波束的控制，进而实现扫描角度以及波束扫描宽度的变化。

本发明具有的有益效果：

本发明天线结构简单，质量轻，并且所用的材料均为常见的材料。

本发明天线结构的频率可重构宽度较宽，经过实例仿真验证，工作频带可达900mhz。

本发明天线结构的扫描角度可重构范围较大，经过实例仿真验证，波束扫描角可以实现±60°的扫描角度，相比现有其他天线系统提高了一倍的扫描角度，并且增益不发生显著衰退。

本发明天线结构的波束宽度可重构范围较大，经过实例仿真验证，波束宽度可重构范围在9°-78°，可以构成不同波束宽度的波束。

综合来说，本发明天线结构多变，参数可变幅度大，可针对不同工作频带要求设计不同形状以及大小。

附图说明

图1是本发明的可重构人工表面天线的总体布置示意图。

图2是单层宽频带谐振单元。

图3是单层宽频带谐振单元传输性能结果。

图4是波束扫描角度可重构示意图。

图5是波束宽度可重构示意图。

图中：1.球面波馈源，2.可重构人工表面，3.谐振单元，4.变容二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，整个天线系统大致由两部分组成，发射系统和调节系统。发射系统是一个球面波发射天线1，调节系统是可重构人工表面2。

如图2所示，可重构人工表面天线主要由多个结构相同的谐振单元组成，每个谐振单元包括正方形的f4b介质板以及布置在介质板上的铜片结构和变容二极管，在f4b介质板上表面的正中间镀有一层铜片结构，铜片结构包括两个“h”字型片状结构和两个“h”字型片状结构之间的叉指结构，两个“h”字型片状结构中间布置叉指结构，叉指结构连接在“h”字型片状结构的侧边条，叉指结构中间布置有一个变容二极管。

如图2所示，两个“h”字型片状结构平行布置，“h”字型片状结构中的中间横条沿第一方向x布置。多个谐振单元沿沿第二方向y周期延拓，相邻谐振单元上的“h”字型片状结构对应连接，组成一组谐振单元组；多个谐振单元组沿第一方向x周期延拓，组成可重构人工表面；第一方向x和第二方向y相垂直，均平行于介质板表面。由此形成了单层宽频带谐振单元结构。

为解释说明实现波束扫描角度可重构以及波束宽度可重构的原理，本发明使用图1来说明透射式扫描光栅的基本原理。馈源模拟球面波入射，当球面波入射到区板时，根据惠更斯原理，将区板视为二次发射源，此时天线远场辐射可以由扫描光栅透射公式得到：

其中，e(s)代表从馈源入射到区板的电场，代表倾斜因子，r表示馈源到接收点距离，θ表示馈源与接收点连线与标准坐标轴夹角，s表示积分路径，i表示虚数单位，k表示波矢，表示参考相位，β表示实际路径相位，x表示积分因子。

当球面波入射到区板时，因为路径不同，区板上面不同位置的二次发射源相位不一致。如图1所示，如果选择参考射线p，其相位作为参考相位。球面波通过区板上其他位置到达方向的路径为q，则p与q的相位差可以表示为：

其中f为馈源与区板的间距，k为波矢，表达式是f为频率，c为光速；此处x为区板各点到中心点的距离。

若实现波束偏转，就需要对光栅上的二次发射源进行选择，参照原则是只让相干波长电磁波通过，在这里我们选择与参考射线p的相位差距在±90°的射线通过区板，也就是相干相长区域为：

其中，n表示为正整数。

其余相位差的射线不能通过光栅。

因此若使用函数h(x)：

用使用函数h(x)来表明区板区域的透明状态，则当h(x)＝1时候的区板区域x应处于透明状态，当h(x)＝0时候的区板区域x应处于不透明状态。

本发明提供的谐振单元3实例示意图如图2所示。每一个谐振单元3的长度和宽度都是17.2mm，底板是1mm厚的f4b，相对介电常数为3，损耗正切角是0.003。在底板上面镀有一层人工表面结构，人工表面结构是两个“h”字型水平放置，其中处在外侧的竖直金属条长度与谐振单元的边长相同，均为17.2mm，宽度为1mm；中间水平金属条长度为4mm，宽度为2.5mm；处在内侧的竖直金属条长16.3mm，宽度为1mm。两个“h”结构中间是水平放置的叉指结构，其中每一个金属条长度为2.8mm，宽度为0.4mm。两个“h”的间距是3.2mm。中间安装有一个处在反偏状态的变容二极管4，此处选用smv1234，其反偏电压变化范围是0-15v，反偏电容值变化范围是1.32-9.63pf。根据变容二极管放置方式，左侧直流偏置线接地，右侧直流偏置线接电压。

本发明提供的谐振单元3传输性能仿真结果如图3(a)所示，当反偏电容变化范围从1pf变到10pf，透明点(传输系数接近0db)频率变化范围是2.7-3.6ghz，不透明点(传输系数小于-20db)频率变化范围是2.6-3.7ghz，因此工作带宽是2.7-3.6ghz，也就是图上标灰的部分。为验证仿真结果，本发明提供了实例的实测结果，如图3(b)所示，考虑到实物存在的损耗等因素，可以看到此时的工作带宽是2.7-3.3ghz。

本发明提供的波束扫描可重构实例如图4(c)所示。在实例中，选择的模拟入射球面波是工作在2.9ghz处的tm波，球面波发射天线1与可重构人工表面2的间距是300mm，可重构人工表面2的长度是740mm，宽度是350mm。根据以上公式计算可以得到如图4中所显示的不同扫描角度对应的扫描光栅工作模式，其中灰色区域是不透明区域。可以看到对应的波束扫描可重构结果如图4(a)所示，此时扫描角度可达60°，增益在10db左右。当工作频率换到3.3ghz时，对应的扫描角度如图4(b)所示，此时扫描角度同样可以达到60°，增益在6db左右。

本发明提供的波束宽度可重构实例如图5所示。针对入射的2.9ghz波，按照以上计算公式计算的正常波束的宽度是9°；将中央透明区域扩大，就可以得到大于9°的波束宽度；当整个可重构人工表面2都处在透明的状态时，波束宽度最大，达到78°，如图5(a)和图5(b)所示。

本发明的工作频率为2.7-3.3ghz，如果要工作在其他频段，则需要根据工作波长适当调整谐振单元。