一种基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的制作方法

本实用新型涉及一种基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线，属于电子通信领域。

背景技术：

天线是辐射和接收电磁波的传感器，是雷达系统中不可缺少的重要组成部分，传统扫描雷达的天线扫描方式是机械扫描方式，利用整个天线系统或某一部分的机械运动来使波束扫过一定的区域，获取信息。而随着现代雷达，卫星通信和航天技术的飞速发展，各种高速飞行器，如洲际导弹和人造卫星的出现，对雷达系统提出了更高的要求，要求天线波束能灵活捷变，并缩短反应时间，提高跟踪精度，所以人们对于高增益、可重构、多复用天线的需求越来越高。

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：

(1)隐身性能好，当固态等离子体天线不工作时，固态等离子体本身就变为普通介质，它既不反射电磁波，也不吸收电磁波。因此，固态等离子体天线完全消失，从而就可以实现全频段的隐身功能，固态等离子天线被激励即工作在一定频段时，对于高于等离子体频率的雷达信号，也会由于固态等离子体的透射、吸收、折射效应，使回波信号大大减弱；

(2)快速重构特性，固态等离子体具有快速重构特性而且自身具有可协调性，通过改变外部的控制参数，在毫秒量级实现不同收发频率的天线最佳工作状态的快速重构，包括辐射方向图、带宽、增益、极化等天线参数。并且固态等离子体天线具有无阻尼振荡和大带宽、高功率等特性。最后，此类天线设计简化，由于未被激发的等离子体单元对邻近单元构成的天线阵列无影响天线间的互祸效应基本可以忽略，因此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。

近些年，移动通信事业在我国得到迅猛发展，用户之间的通信由天线发射到基站，再由基站传递给用户，因此移动通信必须有基站天线的配合才能完成。基站天线按天线辐射的方向图来分类为全向天线和定向天线，定向天线一般用于移动用户密度较高的区域，而在移动用户密度较低的区域就需要用到全向天线。而电波在空气中传播时由于受到多方面衰弱，为了保证通信质量，而又不增加基站数量，就要求天线的增益相对比较高，因此近年来开发高增益全向天线，来改善通信质量和实现天线的动态全空间波束扫描是通信系统中一个迫切的研究课题。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线，通过编程来调控固态等离子体，从而可以快速地组成所需要的反射阵列，最终实现反射波束的空间任意方向动态扫描。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型提供一种基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线，包括馈源喇叭、单层反射阵列以及固态等离子体激励源，其中，所述单层反射阵列由若干单层反射阵列单元构成，每个所述单层反射阵列单元包括介质基板以及位于介质基板上层的固态等离子体构成的正方形贴片、带有雪花形枝节的环状八边形金属贴片，所述正方形贴片位于环状八边形金属贴片的中心处，所述雪花形枝节位于环状八边形金属贴片的外侧。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述固态等离子体由S-PIN单元组成的阵列实现，且S-PIN单元之间有隔离层进行隔离。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述馈源喇叭工作在X波段。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述介质基板的介电常数为2.3F/m，磁导率为1H/m。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述环状八边形金属贴片外包括四个雪花形枝节，每个雪花形枝节的中心点距离反射阵列单元中心点距离为

作为本实用新型的进一步优化方案，所述雪花形枝节由五个相同的长方形组成，相邻两个长方形的夹角为72°。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述单层反射阵列由14×14个单层反射阵列单元构成。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述固态等离子体构成的正方形贴片的面积为64mm²。

作为本实用新型的进一步优化方案，所述馈源喇叭位于单层反射阵列中一边中心的正上方、距反射阵列表面350mm处。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本实用新型是基于固态等离子体的可编程的全空间波束扫描天线，固态等离子体激励源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，通过固态等离子体激励源，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；

(2)本实用新型设计简化，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为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线的系统结构示意图，其中，(a)为整体示意图，(b)为局部示意图；

图2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；

图中：1-固态等离子体激励源，2-介质基板，3-S-PIN单元，4-环状八边形金属贴片，5-馈源喇叭。

图4、图5、图6分别为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°、20°、30°时的尺寸分布图；

图7、图8、图9分别为基于固态等离子体的可编程全空间波束扫描天线在10.2GHz的波束重构在波束指向15°、20°、30°时的平面反射阵列的示意图与方向图，其中，(a)为平面反射阵列的示意图，(b)为方向图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型提出了一种具有单层结构的平面反射阵列天线，可以实现X波段内任意频段下全空间波束扫描，特别是利用固态等离子体的可编程特性，能够快速加载可重构单元组成的反射单元，因而实现了波束在空间中动态扫描。

如图1中(a)所示，本实用新型的可编程全空间波束扫描天线包括工作在X波段馈源喇叭、由可重构的固态等离子体和金属贴片构成的单元构成的单层反射阵列以及固态等离子体激励源。

如图1中(b)和图3所示，单层反射阵列由若干单层反射阵列单元构成，每个所述单层反射阵列单元又分别由底层的介质基板和上层的固态等离子体构成的正方形贴片、正方形贴片的外围的带雪花形枝节的环状八边形金属贴片所构成。单层反射阵列单元分别通过固态等离子体激励源进行激励，固态等离子体激励源的通断状态通过编程来实现控制。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，通过其两端加载偏置电压进行激励，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的激励与未激励状态。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，可代替金属组成反射阵列结构。固态等离子体激励源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全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2所示，该反射阵列单元的边长为25mm；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；固态等离子体区域位于环状八边形金属贴片内即反射阵列单元上层贴片的中央，固态等离子体区域是面积为64mm²的正方形。环状八边形金属贴片外围的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每个雪花形枝节由五个长方形金属贴片组成，每个长方形金属贴片的宽为0.8mm、长为2mm，雪花形枝节中的一个长方形金属贴片的短边与环状八边形金属贴片斜边的中央垂直，相邻两个长方形的夹角为72°，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。环状八边形金属贴片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所示，该单层反射阵列由14×14个单元呈周期排列组合而成，工作在X波段内10.2GHz频率上，其排列方式以及每个单元正方形尺寸通过相位补偿公式和特性位移曲线得出，该情形下的阵列天线边长为350mm，馈源喇叭在单层反射阵列其中一条边的正上方，且距单层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33°。

本实用新型中，可以通过编程方式实现对等离子体构成的贴片单元的状态进行调控，从而使平面阵列反射天线达到在X波段特定频率区域范围工作的要求，所述的平面阵列反射天线由结构单元周期排列而成，工作时在激励源喇叭的照射下，反射阵列产生相应角度的辐射波束方向。

在馈源喇叭的照射下，反射阵列单元能够修正相位延迟，补偿馈源照射阵列的空间相位差，使得整个阵列在某一个远场方向获得等相位面，实现同相相加，由此得到所该方向上的辐射波束。所需要的反射阵列单元的尺寸、位置、形状经过一定设计，由紧密排列、激发态的可重构像素所组成的，可以在同一平面上组建出多种反射阵列。由于反射阵列单元可以由可重构像素组建而成，通过设计反射阵列单元，阵列的空间波束指向可以灵活的重构，而该功能由控制激励模块来控制实现。由此该阵列可以实现同一频段波束方向任意的辐射。

基于固态等离子体的可编程的全空间波束扫描天线，反射阵列单元经过相位补偿和特性位移曲线的计算，可以得出每一单元所需的尺寸(图4为波束指向15°时的正方形等离子体区域所需激励的大小，同理，图5为波束指向20°，图6为波束指向30°)，从而得到所需频率下不同反射波束角度的反射阵列，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。

在固态等离子体激励源的控制激励下，可重构单元表面上能够组建出设计好的反射阵列单元排布。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。

控制固态等离子体激励源对可重构单元进行相关程序控制，使得在可重构单元表面组建出设计好的反射阵列单元排布。通过控制固态等离子体激励源，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。

如图7至图9所示，使用同一阵列构建了三个工作于10.2GHz的反射阵列，三种工作同频段不同波束角度的状态下，使用同一阵列构建了三个工作于10.2GHz的反射阵列，在第一种工作状态下，所设计的最大波束在yoz平面内指向θ＝15°(如图7中(a)所示)，仿真结果最大波束θ＝16°(如图7中(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θ＝20°(如图8中(a)所示)，仿真结果最大波束θ＝20°(如图8中(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θ＝30°(如图9中(a)所示)，仿真结果最大波束θ＝20°(如图9中(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。本实用新型设计简化，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，可工作频率可以覆盖于整个X波段，能够对全空域进行扫描。

本实用新型是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。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，表现为类似金属的特性，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，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。