一种高隔离度双通道超表面单元及超表面的制作方法

本发明涉及一种具有高隔离度的双通道超表面单元，属于通信和新型人工电磁材料领域。

背景技术：

随着通信技术的不断发展，出现了多种具有多频段、多极化和实时控制功能的微带贴片天线和相控阵技术，从而满足通信中灵活性和低成本的要求。然而，多通道工作在增大信道容量、拓宽频带的同时也出现了通道隔离不足等问题。因此，人们通过引入金属侧壁、非对称馈电、利用窄带谐振等方法，在一定程度上解决这一问题。但这些方法也存在带宽窄、体积大等问题，且都不能实时控制不同的工作频带和极化。

新型人工电磁超表面的提出为解决这一问题提供了新思路，其通过排列具有有限个离散相位状态的单元即可实现波束分裂、波束扫描、成像、隐身等多种功能，并且通过引入pin管，可对其通过编码实时调控，具有极强的灵活性，且减少了昂贵的t/r组件的大量使用，从而极大地降低了成本。然而，大部分人工电磁超表面都是由波导或喇叭天线馈电，体积较大，难以与普通射频电路集成。

技术实现要素：

技术问题：为解决现有技术的不足，本发明提供一种具有高隔离度的双通道超表面单元，可同时在两个通道中工作，采用极化垂直和频带隔离的相结合的方法提高两个通道同时工作时的隔离度。通过pin管可在两个通道的两种工作状态间实时切换，同时寄生贴片的引入拓宽了工作频带，侧馈使其更适合现有的射频电路系统，易于集成。此外，由该单元组成的超表面可以实时独立控制两个通道，具有广阔的应用前景。

技术方案：本发明提出一种高隔离度双通道超表面单元，该单元包括驱动模块和位于其上方的寄生层，二者通过四个塑料柱相连，驱动模块由五层结构包括，自下而上分别为：馈电网络层(1)、第一介质板、金属地(2)、第二介质板、驱动贴片(3)，寄生层由第三介质板和印制在其上的寄生贴片(4)组成，其中，寄生贴片为金属贴片，金属贴片的形状不做限定，比如可以是矩形、菱形、圆形等任意形状。所述馈电网络层位于第一介质板的下表面，金属地(2)位于第一介质板的上表面，第二介质板位于金属地上表面，驱动贴片(3)位于第二介质板的上表面。

为了保证正常馈电，驱动模块底层的馈电网络层和顶层的驱动贴片通过四个金属过孔相连通，中间的第一介质板、第二介质板和金属地挖出了相应的圆孔以保证四个金属过孔能正常穿过，工作时，能量从底层馈电网络层中的微带端口馈入，沿着金属通孔到达顶端的驱动贴片，被激励的驱动贴片发出的电磁波经过空气到达寄生层，激发寄生贴片的谐振，向外传输信息。

所述驱动贴片为金属贴片和四个凸起组成，四个凸起分别位于矩形四条边的中点位置，用来实现阻抗匹配，四个金属过孔的位置分别处于驱动贴片四条边的中点。

同时，为了方便pin管负极的连接，驱动贴片的中心与金属地也通过一个金属过孔相连。中间的两层介质板和金属地挖出了相应的圆孔以保证边缘的四个金属过孔和中心的一个金属过孔能正常穿过。

所述馈电网络层(1)包括设置在第一介质板下表面的四组扼流结构、滤波结构、微带线；所示第一介质板上有四个过孔，上述矩形金属贴片边上的四个金属过孔穿过金属地(2)、第二介质板、金属地(2)与第一介质板上的四个过孔连通；

每组中的微带线的第一端分别与第一介质板的下表面的边连接，每组中的扼流结构和滤波结构与每条微带线连接，并且每组中的微带线的第二端通过pin二极管和第一介质板上的过孔连接，并且pin二极管与扼流结构连通；由驱动贴片(3)、馈电网络层(1)中水平方向上的两组扼流结构、滤波结构、微带线，以及水平方向上连接第一介质板与矩形金属贴片的两个金属通孔组成第一通道；由驱动贴片(3)、馈电网络层(3)中垂直方向上两组扼流结构、滤波结构、微带线，以及垂直方向上连接第一介质板与矩形金属贴片的两个金属通孔组成第二通道。

并且，所述滤波结构可以是高低阻抗线滤波结构、发卡型滤波结构、平行耦合线滤波结构、交指型滤波结构等现有的滤波结构；而且，扼流结构可以直接采用扼流圈等其它现有的扼流结构。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)本发明可同时在两个通道内工作，具有双频双极化特性，并且通过引入pin管，可分别在两个通道实时切换初始相位相差180度的两种工作状态(“0”和“1”)。

(2)本发明结合极化垂直和频带交错两个方面提高了隔离度，并在馈电网络层中引入了人工表面等离激元结构，起到了滤波作用，降低了双通道同时工作时的串扰。

(3)本发明采用了侧馈技术，代替了超表面常用的空馈技术，降低剖面，缩小空间，便于与现有射频微波电路集成。

(4)本发明构成的超表面具有双通道的独立调控能力，即通过编码在其中一个通道实现某种功能的同时，另一个通道的工作状态仍可通过编码实时调控，两通道间不会互相影响，极大提高了卫星通信和雷达系统的隔离度和灵活性。

(5)本发明可通过调节几何结构参数改变通带，易于调整，可适应多种应用环境。

附图说明

图1是高隔离度双通道超表面单元的结构示意图，其中，图1(a)是三维视图，图1(b)是侧视图；

图2是馈电网络层的结构示意图，其中，图2(a)是整体结构，图2(b)是馈电网络层中扼流结构、滤波结构、pin管的详细视图；

图3是馈电网络层中人工表面等离激元传输结构的色散曲线；

图4是驱动贴片的结构示意图。

图5是高隔离度双通道超表面单元的散射参数仿真(实线)和实验结果(虚线)；

图6是高隔离度双通道超表面单元的远场方向图仿真(实线)和实验结果(虚线)，其中图6(a)是10.8ghz时e面的结果，图6(b)是10.8ghz时h面的结果，图6(c)是13.1ghz时e面的结果，图6(d)是13.1ghz时h面的结果；

图7是由高隔离度双通道超表面单元组成的6*6超表面的双通道仿真三维方向图，其中，图7(a-b)是编码全部为0a0b的结果，图7(c-d)是0a0b和0a1b交替编码的结果，图7(e-f)是0a0b和1a0b交替编码的结果，图7(g-h)是0a0b和1a1b交替编码的结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明由驱动模块和位于其上方的寄生层构成，二者通过绝缘柱相连，绝缘柱的高度可以根据实际需要设置，寄生层由一层介质板和印制在其上的寄生贴片组成，寄生贴片为金属贴片。本发明可以同时在双通道工作，且每个通道内的两种工作状态可以实时切换。

本发明提出的一种高隔离度双通道超表面单元的具体结构如图1所示，其中图1(a)是三维视图，图1(b)是侧视图。该单元下半部分为驱动模块，上半部分为寄生层，中间的留白是被四个塑料柱撑出的2mm空间。此处四个塑料柱仅仅为示例而言，可以是其它任意绝缘柱，并且绝缘柱的个数不做限制。

驱动模块由五层结构组成，自下而上分别为：馈电网络层、厚度为0.508mm的高频微波介质板、金属地、厚度为0.508mm的高频微波介质板和驱动贴片。

其中，位于馈电网络层的详细结构如图2(a)所示。为了更清晰地说明馈电网络层的设计，图2(b)详细展示了其中一条微带线及加在其上的各部分功能性结构。在图2(b)中，从右至左分别在微带线上引入了滤波结构、扼流结构和pin管。

如图2(b)所示，扼流结构包括作为电容的扇形金属贴片和作为电感的弯折金属线，从而保证直流不会影响微波信号的传输，弯折金属线的一端与扇形金属贴片的圆心角连接，并在扇形电容的下方加入了金属贴片，此处金属贴片可以是任意的其它形状，比如矩形、菱形、圆形灯，其作用是连接直流电压的正极。并且，所述弯折金属线可以是蛇形金属线或者其它形状的弯折金属线，并且弯折金属线的另外一端与微带线的第一端连接，微带线的第二端与馈电网络层的介质板边连接。

本发明中的扼流结构需要隔离直流与交流信号，避免微波能量从直流馈电部分泄漏。此处采用的是扇形电容与弯折金属线电感组成的低通滤波结构，除此之外可将电容或电感替换为贴片电容或贴片电感，或直接采用扼流圈等其它现有的扼流结构。采用其它形式的扼流结构时，该扼流结构与微带线连接即可，并且采用其它形式的扼流结构时，该扼流结构也需连接一个金属贴片，此处金属贴片可以是任意的其它形状，比如矩形、菱形、圆形等，其作用是连接直流电压的正极。

如图2(b)所示，滤波结构为人工表面等离激元传输结构，其结构是在有凹槽的微带线中设置有等间距排列的金属条带，金属条带的高度由中间到槽的两端均匀递减，从而与微带线达到良好的阻抗匹配。

并且，微带线的第二端通过pin二极管与馈电网络层层的介质板上的金属过孔连接，并且馈电网络层层(1)的介质板的四条边均按照上述方式连接。、

所述馈电网络层(1)包括设置在第一介质板下表面的四组扼流结构、滤波结构、微带线；所示第一介质板上有四个过孔，上述矩形金属贴片边上的四个金属过孔穿过金属地(2)、第二介质板、金属地(2)与第一介质板上的四个过孔连通；

每组中的微带线的第一端分别与第一介质板的下表面的边连接，每组中的扼流结构和滤波结构与每条微带线连接，并且每组中的微带线的第二端通过pin二极管和第一介质板上的过孔连接，并且pin二极管与扼流结构连通；由驱动贴片(3)、馈电网络层(1)中水平方向上的两组扼流结构、滤波结构、微带线，以及水平方向上连接第一介质板与矩形金属贴片的两个金属通孔组成第一通道；由驱动贴片(3)、馈电网络层(3)中垂直方向上两组扼流结构、滤波结构、微带线，以及垂直方向上连接第一介质板与矩形金属贴片的两个金属通孔组成第二通道。

其中，滤波结构为人工表面等离激元结构，如图2(b)所示，具体表现为梳状结构的金属条带，并且两端槽深递减，与微带线达到了良好的阻抗匹配。值得注意的是，人工表面等离激元传输结构的色散曲线不是一条直线，而是偏离光线，趋于稳定频率，从而具有低通滤波特性。

本发明中的滤波结构需要能滤除11.7-12.2ghz的电磁波，从而保证两个通道同时工作时，不发生串扰。此处采用的是人工表面等离激元结构，除此之外还可采用高低阻抗线滤波结构、发卡型滤波结构、平行耦合线滤波结构、交指型滤波结构等现有的滤波结构，只要能实现目标频率的滤波即可。

作为示例，图2(a)中，水平方向的两个凹槽中的最高的金属条带为4mm，垂直方向上的两个凹槽中的最高的金属条带为2.2mm，其色散曲线如图3所示。其中，水平方向的滤波结构和扼流结构相同，垂直方向的滤波结构和扼流结构相同。

如图2所示，pin二级管焊接在图中黑方块的位置，正极连接在靠近扼流和滤波结构一侧，负极连接在靠近金属过孔一侧。

此处pin二极管管根据实际情况可以选择macom、skywoks、松下等厂家的元器件，其在导通状态下可以等效为串联的电阻和电感，在断开状态下等效为串联的电感和电容，通过控制pin管的导断状态，可以控制单元的工作状态。

根据单元初始相位的不同，可将该单元在同一通道中的两种工作状态分别定义为“0”和“1”。该单元对从同一通道两端的微带端口输入的波有两种相位响应状态，比如“0”状态指的是单元为0度的相位响应，“1”状态指的是单元为180度的相位响应，“0”状态和“1”状态只要满足相位响应的差为180度即可，比如“0”状态指的是单元为45度的相位响应，“1”状态指的是单元为225度的相位响应，此处只是举例说明，并不一定局限在上述数据，只要两种状态满足180度的响应相位差即可。

同一通道工作时，只有一个pin管导通，并且，两个通道可以同时工作。例如图2(a)中，仅有左边pin管工作的时候是0状态，仅有右边的pin管工作的时候是1状态，相同通道的两个pin管工作时的状态可以任意选择“0”和“1”的状态，即左边也可以是“1”状态，右边是“0”状态，所述工作状态指的是pin导通时的工作状态；图2(a)上下两个pin工作时的单元状态和上述一样设置。

本文中的双通道分别支持低频10.1-11.7ghz的水平极化和高频12.2-14.1ghz的垂直极化的通道。具体反映在图2(a)中，水平方向的通路支持10.1-11.7ghz的水平极化波，竖直方向的通路支持12.2-14.1ghz的垂直极化波。

驱动贴片的详细结构如图4所示，其由7.6×6.4mm的金属贴片和四个凸起组成，四个凸起分别位于矩形四条边的中点位置，用来实现阻抗匹配。为了保证正常馈电，驱动模块底层的馈电网络层和顶层的驱动贴片通过四个金属过孔相连，四个金属过孔的位置分别处于驱动贴片四条边的中点，即图4中边缘四个圆片的位置。

同时，为了方便pin管负极的连接，驱动贴片的中心与金属地也通过一个金属过孔相连。中间的两层介质板和金属地挖出了相应的圆孔以保证边缘的四个金属过孔和中心的一个金属过孔能正常穿过。

寄生层由上层的寄生贴片和下层的厚度为0.508mm的高频微波介质板构成，其中，寄生贴片为8×5.4mm的矩形金属贴片。

该单元在工作时，直流电源的正极接在与扼流部分相连的金属贴片上，负极接金属地。微波能量从馈电网络层的微带端口馈入，通过金属通孔激励驱动贴片，再经过空气到达寄生层激励寄生贴片，从而向空间辐射电磁波。

通过控制四个pin管的通断，可调控该单元工作在不同通道的不同状态。例如，仅导通左侧的pin管，该单元工作在低频通道的“0”状态；仅导通上侧的pin管，该单元工作在高频通道的“0”状态；同时导通左侧的pin管和下侧的pin管，该单元工作同时工作在低频通道的“0”状态和高频通道的“1”状态。具体“0”和“1”状态的参照上述定义，即根据单元初始相位区分，初始相位为0度的规定为“0”状态，初始相位为180度的规定为“1”状态。

该单元的仿真和实验的散射参数如图5所示，此处仿真软件采用hfss。由图5可得，当导通左侧和下侧pin管，使得该单元在两个通道都工作在“0”状态时，两个频带的反射都很低。同时，该单元在两个通道上都具有宽频特性：10.1-11.7ghz和12.2-14.1ghz，相对带宽分别为14.8％和14.5％。并且图5所示的两通道实测的频带隔离在全频带小于-20db，说明两通道间具有良好的频带隔离。所述左侧和下侧pin管是根据图2(a)为参照描述的。

为了证明该单元的辐射能力，对增益和远场方向图的仿真和实验结果如图6所示。其中，该单元在中心频率10.8ghz的e面和h面方向图分别如图6(a)和(b)所示，13.1ghz的e面和h面方向图分别如图6(c)和(d)所示。可得该单元在10.8ghz和13.1ghz的最大增益分别为6.9db和6.7db，体现了其良好的辐射特性。同时可以看出其在10.8ghz时的交叉极化在-25db以下，在13.1ghz时的交叉极化在-17db以下，表明两者之间存在良好的极化隔离。

由该单元组成的超表面可以通过编码实现不同的功能，更重要的是，它具有对两个通道独立调节的能力，增加了调控的自由度。如上所述每个单元在两个通道中有两种状态“0”/“1”，将通道a的状态记录为0a和1a，通道b的状态记录为0b和1b，则每个单元的工作状态可以通过不同通道的两种状态的结合来表示。

例如，0a1b表示该单元在通道a中表现为“0”，在通道b中表现为“1”。此处采用了一个6*6的超表面来举例，相邻单元在x和y两个方向上具有一定的间隔距离排列，通过cst计算出其三维远场方向图，如图7所示。其中，图7(a-b)是编码全部为0a0b的结果，图7(c-d)是0a0b和0a1b交替编码的结果，图7(e-f)是0a0b和1a0b交替编码的结果，图7(g-h)是0a0b和1a1b交替编码的结果。

当所有单元编码为0a0b时，超表面在两个通道中均发射向上的波束，可以用作高增益天线，如图7(a-b)所示。之后保持通道a状态不变，通带b状态改为“0”/“1”交错排列，即该单元在y方向的状态呈现出0a0b和0a1b的交错排列，此时超表面在通道b中产生了两个对称分裂的波束，如图7(c-d)所示。值得注意的是，此时超表面在通道a中仍然发射向上的波束，证明了两个通道独立控制的能力。图7其余的方向图更充分地说明了这一点，并且这种控制方法也适用于x方向的改变。并且，这些编码还可以实时灵活切换。