基于介质匹配层的固态等离子体扫描天线及相位补偿方法与流程

本发明涉及电子通信领域，特别是介质匹配层技术、微波器件技术、射频系统前端技术和等离子体实用技术等领域，尤其涉及一种基于介质匹配层的固态等离子体扫描天线及相位补偿方法。

背景技术：

随着现代雷达和通信技术的高速发展，人们对于高增益、可重构、多复用天线的需求越来越高，平面反射阵列天线以其重量轻、体积小、价格便宜易于制造特别是易于和其他物体共形、易与微带电路集成等优点，受到了很高的重视，而固态等离子体天线与传统金属天线相比具有许多独特的优势，例如，隐身特性、快速重构特性，无阻尼振荡、高功率等特性，并且采用固态等离子体天线设计天线阵，比金属天线阵列的设计相对简化。传统的平面反射阵列天线设计容易出现天线阵列单元的相位尺寸分布曲线不能完全覆盖不满足0~360º，而通过一般的加减周期波长或者相位的转移替换做出的反射阵天线，其方向图在大角度的情况下容易出现副瓣较高的情况，这也就是传统设计方法的缺陷。

技术实现要素：

本发明提出一种基于介质匹配层的固态等离子体扫描天线及相位补偿方法，通过在反射阵列的上方加一层介质匹配层增大光程差的方式使相位曲线进行上移或下移实现0~360º的相位补偿，最终通过编程来调控固态等离子体，可以快速地组成所需要的反射阵列，实现反射波束的空间任意方向动态扫描。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线，包括工作在X波段馈源喇叭，覆盖在可重构单元表面的不同种介质匹配层，基于可重构单元表面的单层反射阵列以及控制固态等离子体的激励模块。

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的进一步优选方案，单层反射阵列由反射阵列单元组成，每个反射阵列单元由底层的介质基板和上层固态等离子体构成的贴片所构成；

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的进一步优选方案，在反射阵列表面贴一层玻璃介质，且玻璃介质的长、宽都为350mm,当介电常数不同时，厚度为4.55 mm,介电常数分别为5.5 F/m和2.5 F/m ，当厚度不同时，介电常数为5.5F/m ，厚度分别为1mm 和3.1mm。

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的进一步优选方案，固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现，S-PIN单元之间有隔离层进行隔离，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励S-PIN单元阵列，产生固态等离子体。

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的进一步优选方案，反射阵列单元的介质基板的介电常数为2.3 F/m，磁导率为1H/m，反射阵列单元的介质基板是边长为25mm，厚度h为3mm的长方体。反射阵列由14×14即196个反射阵列单元组成，反射阵列是边长为350mm,厚度为3mm的长方体。

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的进一步优选方案，反射阵列单元上层贴片为固态等离子体区域，反射阵列单元上层贴片的中央是边长为a mm的正方形，外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成；四个雪花形枝节的中心点距离反射阵列单元中心点距离为10mm。每个雪花形枝节由五个长方形组成，每个长方形的宽为0.8mm，长为2mm，相邻两个长方形的夹角为72°；其中左上角的雪花形枝节相对反射阵列单元中心点的坐标为（-10,-10），其余三个由左上角的雪花形枝节绕反射阵列单元中心点旋转90°、180°、270°构成；外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的进一步优选方案，馈源喇叭的工作频段为X波段，馈源喇叭位于反射阵列其中一边中心的正上方距反射阵列表面350mm处，馈源喇叭与Z轴夹角为-15°。

一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的相位补偿方法具体包含如下步骤：

步骤1，通过在反射阵列天线单元的上方加匹配层改变光程差的方式使相位曲线进行上移或下移实现0~360º的相位补偿；

步骤2，若相位曲线不满足0~360º，则使用厚度不同或者折射率不同的介质作为匹配层进行相位补偿；

步骤3，将补偿后的阵列单元通过组阵的形式构成天线的反射面。

作为本发明一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的相位补偿方法的进一步优选方案，在步骤1中，通过两种介质匹配的方式来时实现相位曲线补偿：第一种介质匹配的方式为用折射率相同厚度不同的玻璃为匹配层，将二者得到的相位曲线分段连接起来，以达到相位曲线完全覆盖0~360º的目的；第二种介质匹配的方式为折射率不同但厚度相同的玻璃为匹配层，将二者得到的相位曲线分段连接起来，以达到相位曲线完全覆盖0~360º的目的。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明是一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线，传统的平面反射阵列天线设计容易出现天线阵列单元的相位尺寸分布曲线不能完全覆盖0~360º，而通过一般的加减周期波长或者相位的转移替换设计出的天线反射面又会使得天线的方向性恶化，而本发明提出了一种基于介质匹配层技术的相位补偿方法，能够修正单元相位，其做法是通过在反射阵列天线单元的上方加匹配层改变光程差的方式使相位曲线进行上移或下移实现0~360º的相位补偿；

（2）若相位曲线不满足0~360º，可使用厚度不同或者折射率不同的介质作为匹配层进行相位补偿，最终将补偿后的阵列单元通过组阵的形式构成天线的反射面；

（3）本发明的介质匹配层为玻璃，通过两种介质匹配的方式来时实现相位曲线补偿：第一种为用折射率相同厚度不同的玻璃为匹配层，将二者得到的相位曲线分段连接起来，以达到相位曲线完全覆盖0~360º的目的；第二种为折射率不同但厚度相同的玻璃为匹配层，将二者得到的相位曲线分段连接起来，以达到相位曲线完全覆盖0~360º的目的；

（4）本发明利用插值方式建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系，该方法的优势是具有普适应性，相位曲线不需要线性分布，可以任意分布且不需要覆盖0~360º，此方法降低了对阵列单元的设计要求；

（5）本发明是一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素，来组成不同尺寸、位置的反射阵列单元。在馈源喇叭的照射下，每个反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射阵列的空间相位差，从而使得整个阵列在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束，并且，通过控制固态等离子体地激励模块，我们可以实现可重构单元表面上反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描；

（6）本发明设计简化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线，能够做到小型化、易集成，并能实现芯片化一体设计，经过合理设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描。

附图说明

图1（a）为基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线的系统结构整体示意图；

图1（b）为加同种厚度不同介电常数匹配层的第一种方法示意图；

图1（c）为加不同厚度同种介电常数匹配层的第二种方法示意图；

图2(a)为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的可重构表面的放大结构示意图；

图2(b)为具体单元结构示意图；

图3为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的阵列单元的三维结构示意图；

图4为单元结构A的相位特性曲线图；

图5为单元结构B的相位特性曲线图；

单元结构A的玻璃介质匹配层介电常数为5.5F/m，单元结构B的玻璃介质匹配层介电常数为2.5F/m；

图6为反射波束在15°汇聚时，使用插值技术后中心正方形贴片单元尺寸的坐标分布与单元结构A的相位特性曲线的对比图；

图7为反射波束在15°汇聚时，使用插值技术后中心正方形贴片单元尺寸的坐标分布与单元结构B的相位特性曲线的对比图；

图8为使用第一种使用介质匹配层技术的基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向10°时的尺寸分布图；

图9为使用第一种使用介质匹配层技术的基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向12°时的尺寸分布图；

图10为使用第一种使用介质匹配层技术的基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向15°时的尺寸分布图；

图11为使用第二种使用介质匹配层技术的基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线单元在10.2GHz频率的波束指向10°、12°、15°时的尺寸分布图；

图12（a）为使用第一种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向10°时的平面反射阵列的示意图；

图12（b）为使用第一种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向10°时的方向图；

图13（a）为使用第一种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向12°时的平面反射阵列的示意图；

图13（b）为使用第一种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向12°时的方向图；

图14（a）为使用第一种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向15°时的平面反射阵列的示意图；

图14（b）为使用第一种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向15°时的方向图；

图15（a）为使用第二种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向15°时的平面反射阵列的示意图；

图15（b）为使用第二种介质匹配层技术在10.2GHz的波束重构在波束指向15°时波束反射方向图。

附图标记解释：1—固态等离子体激励源，2—介电常数为2.3 F/m、磁导率为1H/m的介质，3—固态等离子体构成的S-PIN单元，4—工作在X波段的馈源喇叭，5—介电常数为5.5 F/m、厚度为4.55mm的玻璃介质匹配层，6—介电常数为2.5 F/m、厚度为4.55mm的玻璃匹配层，7—介电常数为5.5 F/m、厚度为1mm的玻璃介质匹配层，8—介电常数为5.5 F/m、厚度为3.1mm的玻璃介质匹配层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明专利的技术方案做进一步的详细说明。

一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线设计及原理：一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线，其特征在于，包括工作在X波段馈源喇叭，覆盖在可重构单元表面的不同种介质匹配层，基于可重构单元表面的单层反射阵列以及控制固态等离子体的激励模块。

覆盖有介质匹配层的单层反射阵列由贴片单元组成，每个贴片单元又由底层的介质基板和上层外围形似雪花的金属贴片以及里层固态等离子体构成的正方形贴片所构成，反射阵列单元的介质基板的介电常数为2.3F/m，磁导率为1H/m。

固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现，S-PIN单元之间有隔离层进行隔离，通过其两端加载的可编程逻辑阵列来控制激励S-PIN单元阵列，从而可以得到固态等离子体，固态等离子体构成的贴片单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性，类似地，固态等离子体构成的贴片单元在激励时，即为激励状态，表现为金属特性，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素,来组成不同尺寸、位置的反射阵列单元。

每个S-PIN单元被激励时，构成固态等离子体的基本像素点。可以通过编程激励出不同的像素点，从而实现紧密排列的单元表面的像素可重构，被激发的可重构像素组成反射阵列单元，单元表面的可重构性使得该天线可以实现某一频段下实现空间波束的任意扫描。特别是利用固态等离子体的可编程性，能够快速加载可重构单元组成的单元结构，因而实现了波束在全空间中动态扫描。

如图1(a)所示，该反射阵列由14×14个单元呈周期排列组合而成，工作在在X波段内10.2GHz频率上，其介质匹配层的选择以及每个单元正方形尺寸通过插值方式建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系，该情形下的阵列天线的长宽为350mm，馈源喇叭在反射阵列其中一条边的正上方，且距反射阵列表面的距离也为350mm，馈源喇叭的入射方式为斜入射，馈源喇叭与Z轴夹角为-15°。

如图2(a)、图2(b)所示，该反射阵列单元的长宽都为25mm，反射阵列单元的介质基板是长宽都为25mm，厚度为3mm的长方体，固态等离子体区域是整个贴片单元，其面积为625 mm²的正方形。外围八边形环带由固态等离体构成，其形状是由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。四个雪花形枝节的中心点距离反射阵列单元中心点距离为10 mm。每个雪花形枝节由五个长方形组成，每个长方形的宽为0.8mm，长为2mm，相邻两个长方形的夹角为72°。其中左上角的雪花形枝节相对反射阵列单元中心点的坐标为（-10,-10），其余三个由左上角的雪花形枝节绕反射阵列单元中心点旋转90°、180°、270°构成。外围八边形环带由两个外接圆半径分别为7.5mm和5.5mm的八边形相减而成。

如图1(b)、图1(c)所示，为验证本发明的可行性，本发明使用了两种方法来实现反射波束在特定角度下的汇聚。第一种方法：使用两个厚度相同但介电常数不同的玻璃介质匹配层覆盖在阵列单元上方；第二种方法：使用两个厚度不同但介电常数相同的玻璃介质匹配层覆盖在阵列单元上方。上述两种方法除所使用的介质匹配层不同，其他参数条件均相同，这里着重介绍通过在贴片单元上层添加两个厚度相同但介电常数不同的介质匹配层的方法。设玻璃介质匹配层介电常数是5.5F/m为单元结构A，介电常数是2.5F/m为单元结构B。如图4所示，单元结构A仿真的相位特性曲线范围在0°~-277°，如图5所示，单元结构B仿真的相位特性曲线范围在-277°~-360°。

以反射波束在15°汇聚时举例说明，将两条特性曲线同时用插值方式来建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系，得到不连续的尺寸分布。如图6、图7所示，“C”代表的空心圆表示为使用插值计算方法后得出的尺寸分布，“A”和“B”代表的直线分别为单元结构A和单元结构B的相位特性曲线，从图6和图7可以看出，使用插值方法计算单元结构中心的正方形尺寸坐标分布效果很好，中心正方形贴片单元的尺寸坐标都分别分布在了单元结构A和单元结构B的相位特性曲线上。如图8所示，得到平面阵列反射天线的每一单元中心正方形尺寸分布图，图9、图10分别为波束反射角在20°、25°时的正方形尺寸分布图，图11为在第二种方法的条件下得到反射波束汇聚在15°时的正方形尺寸分布图，而后用得到的中心正方形单元尺寸分布图建立反射阵。用上述方法得到的平面反射阵列在馈源喇叭的照射下，可以得到同一频段、不同波束指向的反射阵列，控制固态等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素，从而可以得到所需相应的反射阵列单元，每个反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射阵列的空间相位差，从而使得整个阵列在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束，实现不同频段下波束的任意扫描。

图12至图14所示，使用覆盖两种介质匹配层——介电常数不同但厚度相同的匹配层单元结构，来构建三个工作于10.2GHz的反射阵列，三种工作在同频段不同波束角度的状态。在第一种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向10°如图12（a）所示，采用介质匹配技术后计算得到的最大波束指向10°如图12（b）所示，可以看出在该角度下波束的指向性比较好，能量比较集中；同样，第二种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向12°如图13（a）所示，采用介质匹配技术后计算得到的最大波束指向12°如图13（b）所示）；第三种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向15°如图14（a）所示，采用介质匹配技术后计算得到的最大波束指向15°如图14（b）所示。如图15所示，使用覆盖两种介质匹配层——介电常数相但同厚度不同的单元结构，来构建工作于10.2GHz的反射阵列，在该工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向15°如图15（a）所示，采用介质匹配技术后计算得到的最大波束指向15°如图15（b）所示。如果无限增加阵列单元的个数，那么将对该扫描天线在性能上还会有进一步的提升。

可重构单元表面上都可以组建出预先设计好的反射阵列单元排布，每一时刻阵列表面的反射单元都经过独立的设计，可以在X频段内形成任意空间方向的反射波束，即实现在不同时刻，针对不同频段形成不同空间指向的反射波束，实现多频分波束的全空间扫面效果。本发明设计简化，可编程、可调控，属于高性能可重构的天线，能够做到小型化、易集成，并能实现芯片化一体设计，经过合理设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描。

本发明专利整体结构由馈源喇叭、表面覆盖有介质匹配层的反射阵列组成，本发明采用固态等离子体来代替金属工作，利用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的动态调控，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素；本发明提出了基于介质匹配层技术的相位补偿方法，通过在反射阵列天线单元的上方加匹配层改变光程差的方式使相位曲线进行上移或下移实现0~360º的相位补偿，若相位补偿不够，可使用包含所缺部分的不同厚度或者不同介电常数的匹配层计算出的相位特性曲线，或者采用原曲线中未被利用的相位曲线，得到所需相位补偿范围0~360º，最终根据相位补偿计算公式，依次求出阵列不同位置反射阵列单元所需要补偿的相位，由此方法做出的结果天线的性能得到了很大的优化。在馈源喇叭的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束，因其快速可重构性，因而能进行动态的波速扫描即实现同一频段下波束的任意扫描。尤其可以通过动态的该改变固态等离子体的激励区域来实现对整个X波段的覆盖。

本发明采用了介质匹配层技术，其做法是提出基于介质匹配层技术的相位补偿方法，通过在反射阵列天线单元的上方加匹配层改变光程差的方式使相位曲线进行上移或下移实现0~360º的相位补偿。若相位曲线不满足0~360º，可使用厚度不同或者折射率不同的介质作为匹配层进行相位补偿，最终将补偿后的阵列单元通过组阵的形式构成天线的反射面。本发明的介质匹配层为玻璃，通过两种介质匹配的方式来时实现相位曲线补偿。第一种为用折射率相同厚度不同的玻璃为匹配层，将二者得到的相位曲线分段连接起来，以达到相位曲线完全覆盖0~360º的目的。第二种为折射率不同但厚度相同的玻璃为匹配层，将二者得到的相位曲线分段连接起来，以达到相位曲线完全覆盖0~360º的目的。并且利用插值方式建立反射阵列的参变量与相位补偿角之间的联系，该方法的优势是具有普适应性，相位曲线不需要线性分布和覆盖0~360º，可以任意分布，此方法降低了对阵列单元的设计要求。

本发明的另一亮点是采用了固态等离子体来代替金属工作，利用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的改变。固态等离子体构成的谐振单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性。类似地，固态等离子体构成的谐振单元在激励时，即为激励状态，表现为金属特性，可代替金属组成反射阵列结构。控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素,来组成所需的不同尺寸、位置的反射阵列单元，在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束，因其快速可重构性，因而能进行动态的波速扫描即实现同一频段下波束的任意扫描。尤其可以通过动态的该改变固态等离子体的激励区域来实现对整个X波段的覆盖。

以上所述，仅为本发明专利中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明专利的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。