本发明属于波束可重构衍射天线领域，公开了一种波束可独立扫描的双频衍射天线。
背景技术：
衍射是电磁波中的基本物理现象，其已被广泛用于波束聚焦、分光、波束准直、微波及光学波束扫描。基于衍射原理，典型的衍射器件包括光栅和菲涅尔衍射区板。在微波领域，衍射区板已被用于设计高定向天线和近场聚焦透镜。近年来，在毫米波频段，基于光控半导体技术，波束扫描的衍射天线实验证实。光控半导体技术利用光照强度实现半导体材料对电磁波的透明与非透明控制。然而该种方法需要空间光学调制器，导致其系统设计复杂，造价昂贵，且不易于实现快速的电学控制。由于衍射区板设计与频率相关，不同的频率需要的区板形状不同。在传统技术中，只能针对单一频率进行区板特性设计，这导致目前实现的衍射天线均为单频天线。理论上，要实现多频衍射天线，需要获得一种可在多频进行电磁通断控制的媒质。
技术实现要素：
为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种波束可独立扫描的双频衍射天线。
本发明采用的技术方案是：
所述天线包括馈源、一块亚波长厚度的微波介质板以及布置在微波介质板上的多个周期单元构成。每个周期单元包括两个尺寸不同的H型人工子单元结构，H型人工子单元结构主要由叉指金属电极、分别连接在叉指金属电极两侧的两个H型金属电极以及叉指金属电极中布置的电调微波二极管构成。
每个周期单元具有三个谐振频率和两个透明频率，透明频率位于相邻两个谐振频率之间，并且两个透明频率靠近三个谐振频率中谐振频率较低的两个。
由微波介质板及其上布置的周期单元构成衍射区板，衍射区板布置在馈源的前方，微波介质板上通过各个周期单元的谐振频率设置实现衍射区板的双频透明形状，即通过各个周期单元的谐振频率调节透明频率，通过调节透明频率设置实现衍射区板的透明形状，两个频率对应的透明区域的不同分布。
谐振频率设置具体是通过分别改变两个谐振频率来实现两个频率上传输系数的打开与关闭。
每个周期单元中，所述的两个H型人工子单元结构各自为独立可调的电谐振结构，两个H型人工子单元结构具有各自的谐振频率，且每个谐振频率附近存在一个透明频率；通过分别调节加载在两个H型人工子单元结构中电调微波二极管的偏置电压实现谐振频率和透明频率的改变，从而调整双频衍射区板的两种透明形状，进而实现独立的双频衍射波束扫描。
两种透明形状是指双频衍射区板上两个H型人工子单元结构各自对应的透明区域分布。双频衍射区板上不同的透明区域分布导致具有不同的透明形状。
通过分别控制加载到两个H型人工子单元结构各自电调微波二极管上的偏置电压，在同一周期单元中实现两个谐振频率的独立调节。
所述馈源为宽带矩形波导口天线。
本发明通过电控平移调整谐振频率和透明频率，双频衍射天线能够实现对双频电磁波的透明与非透明的切换，且其中一个频率的通断切换不会改变另外一个频率处的传输特性。根据衍射原理，利用双频衍射天线在双频实现两种独立的衍射区板形状，进而实现衍射波束的双频独立操控。本发明中所用双频衍射区板是一种由周期单元构成的人工表面，其介电常数色散满足经典的洛仑兹模型，该人工表面为非磁性媒质，相对磁导率为1.0。在设计中，我们人为的将三个谐振中频率最高的谐振调节到远离工作频率，只利用两个低频谐振及其附近的两个透明频率来实现双频独立衍射控制。
本发明的有益效果是：
本发明利用人工媒质的特殊色散现象，发现了一种波束可独立扫描的双频衍射天线，具体是指通过控制加载二极管的偏置电压分布，可在两个频率上独立的实现所需的衍射区板形状，进而实现独立的衍射波束扫描。本发明中的双频衍射天线结构设计简单、造价低、易于实现快速的电控波束扫描。
附图说明
图1是双频独立衍射天线的布置示意图。
图2是周期单元的结构示意图。
图3是二极管3对传输系数影响的测量结果。
图4是二极管4对传输系数的影响的测量结果。
图5是双频衍射区板形状示意图。
图6(a)是4.05GHz和5.3GHz均扫描到0度情况下的测量结果。
图6(b)是4.05GHz和5.3GHz分别扫描到30度和0度情况下的测量结果。
图6(c)是4.05GHz和5.3GHz均扫描到20度情况下的测量结果。
图6(d)是4.05GHz和5.3GHz分别扫描到20度和-10度情况下的测量结果。
图中：1.大尺寸子单元，2.小尺寸子单元，3.大尺寸单元加载的二极管， 4.小尺寸子单元加载的二极管。
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，本发明中所设计的双频衍射天线主要包括馈源、一块亚波长厚度的微波介质板以及布置在微波介质板上的多个周期单元。由微波介质板及其上布置的周期单元构成双频衍射区板，双频衍射区板布置在馈源的前方，微波介质板上通过各个周期子单元的谐振频率设置实现衍射区板的两种透明形状，即两个频率对应的透明区域的不同分布。图中，下层黑色填充所在层和上层灰色填充所在层分别对应于f1和f2两个频率，f1和f2两个频率处的区板形状分别为间隔排列的黑色和灰色条纹。
如图2所示，每个周期单元包括两个尺寸不同的H型人工子单元结构，H 型人工子单元结构主要由叉指金属电极、分别连接在叉指金属电极两侧的两个H 型金属电极以及叉指金属电极中布置的电调微波二极管构成，电调微波二极管连接在叉指金属电极的两极之间。图2中的x，y，z表示立体坐标系的三个方向， k、H、E分别表示波矢、磁场、电场。
衍射区板的基本原理是通过控制透明与非透明栅格的位置来实现所需的波束偏转。馈源发射的球面波入射到衍射区板上，通过控制衍射区板的形状可以控制衍射波束的偏转角度，即实现波束扫描。为覆盖两个频率，实验中采用宽带波导口天线作为馈源。本发明所设计的双频衍射天线能够对两个频率的区板形状进行独立的定义，进而实现独立的波束扫描。
本发明具体实施例如下：
本发明中双频衍射天线所用的衍射区板大小为450mm×250mm，对应x 方向和y方向分别排列30个和18个周期人工单元。如图2所示，每个周期单元包含大尺寸子单元1和小尺寸子单元2的两个不同尺寸H型金属子单元，因此在x方向上，衍射区板共有60个子单元。大尺寸子单元1中加载二极管3，小尺寸子单元2中加载二极管4。
为激励相应的电谐振，入射波电场极化为x方向，磁场极化为y方向。两个不同尺寸的子单元谐振在不同的频率。为独立调节两个子单元的谐振频率，每个子单元中心分别加载一个变容二极管。整个金属结构印刷在1.5mm厚度的泰兴F4b微波板材上，其相对介电常数为3.0，介电损耗为0.003。
本发明提供的人工表面传输系数测量结果如图3和图4所示。在实验测量中，测量在两个二极管3、4在不同偏置电压加载下双频衍射天线的传输系数。
图3中，当将二极管3和4的偏置电压均为0V时，两个谐振频率为3.7GHz 和4.9GHz，谐振频率旁分别存在4.05GHz和5.3GHz两个透明频率。在两个谐振频率处，传输系数形成两个传输阻带，对应不透明状态。当将二极管3的偏置电压改变为4V，二极管4的偏置电压保持为0V时，第一个谐振频率从3.7 GHz平移到4.05GHz，而第二个谐振频率及其对应的透明频率未发生变化。
由此，实施例选择0V和4V两种电压能够实现4.05GHz处的衍射区板的透明和不透明分布，具体是：透明区域中二极管3的偏置电压为0V，而不透明区域中二极管3的偏置电压为4V。类似的，在图4中，当5.3GHz处传输状态切换时，4.05GHz处的传输系数亦保持不变。因此，通过分别控制二极管3和4 的偏置电压，可以获得双频独立的透明与非透明切换。
综合图3和图4可以看出，在本实施例在4.05GHz和5.3GHz处分别存在一个传输极大值，即为透明频率，此时人工表面对这两个频率能够实现电磁透明传输。并且，在这两个透明频率附近，分别存在两个阻带，可以反射入射的电磁波，进而实现非透明状态。
衍射天线所用区板的形状与工作频率、馈电距离及扫描角度相关。区板形状可由经典的半波带法获得，本发明结合两种典型区板形状来说明如何实现双频独立衍射天线。图5中灰色部分为不透明区域，白色部分为透明区域。4.05GHz 和5.3GHz处的衍射偏转角度分别定义为30度和0度，馈源与区板距离设置为 250mm。图5(a)表示5.3GHz波束偏转到0度所需要的区板形状，图5(b)表示 4.05GHz波束偏转到30度所需要的区板形状。可以看出，由此获得的两个区板形状明显不同。在4.05GHz处，透明区域内部二极管3的偏置电压为0V,而不透明区域内部二极管3的偏置电压为4V。在5.3GHz处，透明区域内部二极管 4的偏置电压为0V,而不透明区域内部二极管4的偏置电压为5.2V。需要指出的是，在图3和图4中，已经实验证明4.05GHz和5.3GHz两个频率处传输系数的切换不会相互影响。因此，在设计中，这两个频率的区板形状设计可以独立的进行。
图6给出了双频衍射天线实测远场辐射方向图，其中图6(b)对应图5中所示的两种衍射区板形状。对比图6(a)和6(b)的测试结果可以看出，当4.05GHz衍射波束的扫描角从30度变化到0度时，5.3GHz的衍射波束未发生改变，其波束始终指向0度。在图6(c)和6(d)中，将4.05GHz波束指向固定为20度，而将5.3GHz的波束指向从20度改变为-10度。同样的，可以看出5.3GHz的波束改变未对4.05GHz衍射波束产生影响。
由上述实施例可见，本发明实施利用两个尺寸不同的子单元，并通过分别加载变容二极管，实现了一种波束可独立扫描的双频衍射天线。本发明中衍射天线的工作频率为4.05GHz和5.3GHz，如果要实现其他双频衍射天线，则需要根据工作频率适当调整两个子单元的尺寸。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。