一种四极化可重构超表面天线的设计方法与流程

本发明属于电磁领域，涉及微波射频和电磁超材料技术，具体是一种四极化可重构超表面天线的设计方法。

背景技术：

极化可重构天线是一种具有极化可切换特性的天线，即通过控制所加载开关器件的通断或改变馈电方式等方法，改变天线表面的电流分布，从而在工作频率和辐射方向不变的情况下，辐射出不同极化方式的波束。由于极化可重构天线可以在多种正交极化模式间进行切换，降低系统天线成本的同时，进一步提升信道的通信容量，因此它在极化追踪和自适应探测等领域具有极大的应用价值。此外，相比于单极化天线，极化可重构天线的抗干扰能力更强，可以减小极化不匹配和信道干扰的影响，利于在多种复杂环境下的稳定通信，因此在卫星通信、保密通信和遥感探测领域也具有巨大的应用潜力。

目前实现极化可重构的方式主要有两种：一种是设计可重构的单元，即为每个单元加载电可控的pin二极管，通过控制二极管的通/断状态改变天线表面的电流分布，进而实现对天线极化特性的改变。另一种方式则是设计动态可控的馈电网络，使馈电网络具有可重构的能力，例如在选通不同端口时可以获得不同的相位，从而控制天线的极化特性。

当前的极化可重构天线通常是基于谐振型天线设计的，它们的单元由贴片天线或偶极天线构成，同时将pin二极管加载到其馈电网络或辐射结构上，通过控制pin二极管的通断状态间接改变辐射单元的辐射特性，实现天线在不同极化间的切换。基于这种单元设计的单个天线增益较低，为了提升天线的增益，通常会利用天线阵的方法将多个天线单元组成阵列，并加入相应的移相器和馈电网络。虽然这种方法能够实现极化可重构，但是大量移相器和复杂馈电网络的使用，也会引入较大的插入损耗，降低天线的增益和辐射效率。

为了提升极化可重构天线的增益和辐射效率，近年来，具有高增益和低损耗特点的全息超表面天线逐渐引起人们的注意。全息超表面天线是基于光学全息原理和超表面结构设计的，具有高增益、小型化和高辐射效率的特点，而且在阵列设计时无需使用大量移相器和复杂馈电网络，能够进一步减小插入损耗。比如文献1：2017年，美国杜克大学的smith教授团队首次提出了一种同时产生两种线极化波束的全息超表面天线，该天线利用波导馈电的方式进行激励，能够在垂直方向的两个主平面上各产生三个x极化和y极化的波束。文献2：2019年重庆大学提出了一种三极化全息可重构天线，通过改变馈源的激励方式来使天线产生不同线极化和左/右旋圆极化波束。

虽然提出的极化可重构天线具有较好的辐射性能，但是只能在垂直方向上辐射，无法自由改变辐射波束的方向。

综上所述，目前使用全息方法设计的天线极化切换方式少，辐射波束的方向不易灵活调控，不能满足复杂场景下的应用。因此，如何设计一种具有多极化、辐射方向灵活可调的全息天线仍具有一定的挑战。

技术实现要素：

基于光学全息和超表面天线的相关理论，本发明提出了一种四极化可重构超表面天线的设计方法，大幅降低天线的插入损耗和设计复杂度；四种极化的状态选择，能够保证天线在更复杂的电磁环境下稳定通信，进一步减小由于天线极化失配所带来的增益降低等影响。

所述的四极化可重构超表面天线的设计方法，分为以下步骤：

步骤一、根据实际的应用需求，确定待设计的极化可重构天线的各项参数。

各项参数包括：可重构天线的中心工作频率、工作波长、缝隙单元的长度和宽度、缝隙单元的周期、采用缝隙单元的个数(行数×列数)、可重构天线的总长度和总宽度、介质基板的厚度、介电常数和馈源的位置。

具体确定过程如下：

首先，根据天线的中心工作频率f和真空光速c确定天线的工作波长λ；

计算公式如下：λ＝c/f；

然后，设定极化可重构天线的基本缝隙单元的间隔距离为λ/4，即周期为λ/4；

最后，通过在仿真软件hfss中不断仿真和调试，最终确定缝隙单元的长度、宽度、极化可重构天线的总长度和总宽度。

缝隙单元的长度和宽度都不能超过λ/4。

步骤二、为了实现天线的四种极化可重构，设计矩形缝隙作为天线的基本辐射单元；

极化可重构天线为平面孔径阵列，由亚波长缝隙单元阵列和在中心位置馈电的平行板波导组成。

矩形缝隙单元被刻蚀在可重构天线顶层的金属板上，缝隙中间是空气。天线表面的缝隙单元包括的形式为：在天线表面不设置缝隙、设置水平缝隙、设置垂直缝隙以及设置十字形缝隙；

步骤三、根据天线所选的馈源形式，确定参考波的解析表达式，并在matlab软件中计算参考波在天线表面范围内的相位分布。

天线所选的馈源形式为：在波导中间的位置使用同轴馈电，由它产生的参考波在平行板波导结构中传播；

参考波href的解析形式表示为：

其中，表示0阶第1类汉克尔函数；kg表示介质中的波数，即k0为自由空间中的波数，εr为所选用介质板的介电常数；r表示天线表面上任意一点处距离中心原点的距离，x和y分别为天线表面上的横/纵坐标值；φ表示方位角，即xoy水平面上任意一点处与x正半轴之间的夹角；和分别为x极化和y极化的单位矢量。

步骤四、确定期望辐射的目标波束的解析表达式，并在matlab软件中计算目标波pobj的相位分布。

目标波束也就是天线所要辐射的波束，根据所要求的辐射方向和波束类型确定解析表达式，计算如下：

其中，p0为波束的幅度；j为虚数单位；θ为辐射波束的俯仰角；

步骤五、利用参考波和目标波束，结合全息方法求解天线表面的干涉相位分布值mx和my。

干涉相位值mx计算公式为：mx＝pobjxh^*refy；pobjx表示目标波束在水平方向的分量；hrefy表示参考波在垂直方向的分量。

干涉相位值my计算公式为：my＝pobjyh^*refx。pobjy表示目标波束在垂直方向的分量；hrefx表示参考波在水平方向的分量。

步骤六、判断天线某个位置处的干涉相位值是否超过设定的阈值；如果是，则在天线该位置不设置缝隙单元；否则，则该位置设置缝隙单元；由此得到天线表面各个位置的缝隙单元分布情况。

步骤七、针对若干缝隙单元构成的天线阵列，在hfss软件中设置该天线阵列的各项参数进行电磁仿真，判断仿真结果中辐射波束和是否和预期目标一致，如果是，进入步骤八，否则，返回步骤六，调整阈值的大小，重新进行缝隙单元的分布。

设置的参数还包括电磁仿真中的边界条件等其它参数；

步骤八、针对达到目标的天线阵列，通过对每个缝隙单元进行通/断控制，得到对应的全息相位分布图，实现辐射四种极化(x/y极化、左/右旋极化)的波束。

当仅设置水平缝隙单元时，耦合到激励磁场的x分量(hx)，因此能辐射沿y极化的电磁波。

相似地，当仅设置垂直缝隙单元时，耦合到激励磁场的y分量(hy)，能辐射出x极化的电磁波。

十字缝隙由水平缝隙和垂直缝隙共同组成，能同时耦合到从介质层传来的水平和垂直两个方向的磁场能量，即得到水平和垂直两个线极化辐射波束；当垂直方向的波束相位滞后水平方向的波束相位90°，产生左旋圆极化波；同理，当垂直方向的波束相位超前水平方向的波束相位90°产生右旋圆极化波。

将水平缝隙单元耦合x分量磁场得到的y极化波的缝隙分布图和垂直缝隙单元产生的x极化波的缝隙分布图叠加后，得到圆极化波缝隙分布图。

进一步通过在每个缝隙上加一个pin二极管，每个二极管的两端通过过孔和微带线连接到天线的电压端和接地端，进而控制缝隙。

本发明的优点在于：

1)、一种四极化可重构超表面天线的设计方法，和传统的极化可重构阵列天线相比，本发明提出的四极化可重构超表面天线不需要使用大量的移相器和复杂的馈电网络，还能大幅降低天线的插入损耗和设计复杂度；

2)、一种四极化可重构超表面天线的设计方法，四种极化的状态选择，能够保证天线在更复杂的电磁环境下稳定通信，进一步减小由于天线极化失配所带来的增益降低等影响，更适合在卫星通信、自适应目标探测或保密通信等领域中的应用；

3)、一种四极化可重构超表面天线的设计方法，基于全息原理和波导馈电型超表面的结构设计，只需控制特定位置上缝隙的开/关状态，就能够使天线在制定方向上产生所需极化的电磁波，方便实际电路控制，为实际探测应用提供了一种切实可行的解决方案。

附图说明

图1为本发明一种四极化可重构超表面天线的设计方法的流程图；

图2为本发明实施例采用的四极化可重构天线示意图；

图3为本发明四极化天线基本单元与其四种等效状态单元的结构图；

图4为本发明垂直方向产生四种极化波时所对应的表面全息图分布；

图5为本发明右旋圆极化(rhcp)天线的辐射方向图；

图6为本发明右旋圆极化天线的轴比图；

图7为本发明左旋圆极化(lhcp)天线的示意辐射方向图；

图8为本发明左旋圆极化天线的轴比图；

图9为本发明x极化天线的辐射方向图；

图10为本发明x极化天线的主极化与交叉极化方向图；

图11为本发明y极化天线的辐射方向图；

图12为本发明y极化天线的主极化与交叉极化方向图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明提出了一种四极化可重构超表面天线的设计方法，所述的极化可重构天线是一个平面孔径阵列，是由非均匀分布的亚波长缝隙单元阵列和中心馈电型的平行板波导综合而成；与通常使用的表面阻抗调制或相位梯度调制等方法不同，本发明采用的是在天线上特定位置采样磁场作为激励波(参考波)，通过改变超表面天线上缝隙单元的开/关状态，获得不同的表面全息图分布，而不同的全息图分布则包含不同辐射波束的相位信息，当再次使用相同激励波(参考波)与全息图发生干涉作用后，便会在期望的方向上辐射出指定极化的波束。与传统的极化可重构阵列天线相比，由于利用波导馈电结构的缘故，缝隙单元能够以弱耦合的方式采样到所需的磁场分量，进一步提高全息超表面天线的增益和辐射效率。在卫星通信、自适应目标探测或保密通信等领域中具有较大的研究意义和应用潜力。

如图1所示，具体步骤如下：

步骤一、根据实际的应用需求，确定待设计的极化可重构天线的各项参数。

各项参数包括：可重构天线的中心工作频率、工作波长、缝隙单元的长度和宽度、缝隙单元的周期(又叫单元的周期)、采用缝隙单元的个数(行数×列数)、可重构天线的总长度和总宽度、介质基板的厚度、介电常数和馈源的位置。馈源的位置选在天线的中心位置，坐标(0，0)点。

具体确定过程如下：

首先，根据天线的中心工作频率f和真空光速c确定天线的工作波长λ；

计算公式如下：λ＝c/f；

然后，为了保证极化可重构天线的性能，所使用的基本缝隙单元的间隔距离为1/4倍波长，即周期为λ/4；缝隙单元的长度和宽度都不能超过λ/4；否则会产生其它不期望的干扰波束。

最后，通过在仿真软件hfss中不断仿真和调试，最终确定缝隙单元的长度、宽度、极化可重构天线的总长度和总宽度。

步骤二、为了实现天线的四种极化可重构，设计矩形缝隙作为天线的基本辐射单元；

如图2所示，基于ansyselectronics仿真软件或者hfss仿真软件(旧称)，本实施例所提出的极化可重构天线由一系列亚波长缝隙形单元，以及中心位置与同轴馈源集成在一起的背底基板合成，顶层和接地层形成平行板波导，在顶层板上构图的缝隙将耦合到基板中的参考波。由于超表面等同于包含辐射图所有信息的全息图，因此一旦参考波与超表面之间发生相互作用，就可以实现预期的辐射。

介质基板采用rogers4730,介电常数为3，损耗正切角为0.001，天线整体结构示意图如图2所示，四极化可重构天线的相关尺寸参数值详细参数见表1。

表1

介质基板的高度为h，长度是l，宽度是w；尺寸为78.75mm*78.75mm；矩形缝隙单元被刻蚀在顶层金属板上，缝隙中间是空气，能耦合从介质层传来的磁场能量。天线表面的缝隙单元包括的形式为：在天线表面不设置缝隙、设置水平缝隙、设置垂直缝隙以及设置十字形缝隙；矩形缝隙单元的长度为a，宽度为b。十字缝隙单元的长度为3.15mm，宽度为1.44mm，缝隙单元之间的间隔距离为1/4倍波长，即3.75mm，中心工作频率为20ghz，波长15mm；四种状态的矩形缝隙单元实现了四种极化波束。

本实施例选择十字形缝隙作为天线的基本辐射单元，对于一个单元，利用开关器件控制其不同方向矩形缝隙的开/关状态，便可以从波导中耦合到不同的磁场分量用于激励全息相位图。

步骤三、根据天线所选的馈源形式，确定参考波的解析表达式，并在matlab软件中计算参考波在天线表面范围内的相位分布。

天线所选的馈源形式为：在介质基板中间的位置使用同轴馈电，由它产生的参考波(激励波)在平行板波导结构中传播，其磁场的分布遵循hankel函数分布；因此，参考波href的解析形式表示为：

其中，表示0阶第1类汉克尔函数；kg表示介质中的波数，即k0为自由空间中的波数，εr为所选用介质板的介电常数；r表示天线表面上任意一点处距离中心原点的距离，x和y分别为天线表面上的横/纵坐标值；φ表示辐射波束的方位角，即xoy水平面上任意一点处与x正半轴之间的夹角；和分别为x极化和y极化的单位矢量。

参考波是有实部和虚部的复数，相位的计算方法是：arctan(imag/real),其中arctan()为反正切运算符，imag为参考波的虚部值，real为参考波的实部值。因为参考波是带有两个线极化分量的，所以实际运算中，是对两种线极化参考波分量单独进行计算的。相位计算在matlab软件中写程序实现。

步骤四、确定期望辐射的目标波束的解析表达式，并在matlab软件中计算目标波pobj的相位分布。

目标波束也就是天线所要辐射的波束，根据所要求的辐射方向和波束类型确定解析表达式，计算如下：

其中，p0为波束的幅度；j为虚数单位；θ为辐射波束的俯仰角，即xoy水平面上任意一点处与z轴正向的夹角；φ表示辐射波束的方位角，即xoy水平面上任意一点处与x正半轴之间的夹角；(θ,φ)能够确定目标波辐射唯一的方向，即期望目标波朝哪个方向辐射。

相位计算方法和前面计算参考波的一样，目标波是有实部和虚部的复数，相位的计算方法是：arctan(imag/real),其中arctan()为反正切运算符，imag为目标波的虚部值，real为目标波的实部值。因为目标波是带有两个线极化分量的，所以实际运算中，是对两种线极化目标波分量单独进行计算的。相位计算在matlab软件中写程序实现。

本发明通过不同的缝隙来耦合磁场能量，本质上是通过控制缝隙来获取不同的相位分布，从而控制辐射波束的相位。极化是指电磁波的电场方向，对于一个波束最主要的是相位信息和幅度信息，相位信息可以决定波束的辐射方向、极化状态，而幅度信息决定波束增益的大小。所以，设计的可重构天线不仅能够控制辐射波束的极化，同时也能控制波束的辐射方向。

步骤五、利用参考波和目标波束，结合全息方法求解天线表面的干涉相位分布值mx和my。

由于要产生多种极化的波束，因此要分别计算出实现该种极化波束所需的两种线极化分量的干涉相位值；如下：

干涉相位值mx计算公式为：mx＝pobjxh^*refy；pobjx表示目标波束在水平方向的分量；hrefy表示参考波在垂直方向的分量。

干涉相位值my计算公式为：my＝pobjyh^*refx。pobjy表示目标波束在垂直方向的分量；hrefx表示参考波在水平方向的分量。

步骤六、判断天线某个位置处的干涉相位值是否超过设定的阈值；如果是，则在天线该位置不设置缝隙单元；否则，则该位置设置缝隙单元；由此两种线极化分量算出两种线极化缝隙分布情况，进一步得到天线表面各个位置的缝隙单元分布情况。

想要产生某一种极化波束或者同一种极化波束辐射角度不同时，对应的缝隙分布(或称全息图分布)就会不同，有的缝隙只开水平缝隙耦合x方向的磁场，而有的缝隙就要开十字缝隙耦合x/y两个方向的磁场。

步骤七、针对若干缝隙单元构成的天线阵列，在高频结构仿真hfss软件中设置该天线阵列的各项参数进行电磁仿真，判断仿真结果中辐射波束和是否和预期目标一致，如果是，进入步骤八，否则，返回步骤六，调整阈值的大小，重新进行缝隙单元的分布。

设置的参数还包括电磁仿真中的边界条件等其它参数；

步骤八、针对达到目标的天线阵列，通过对每个缝隙单元进行通/断控制，得到对应的全息相位分布图，实现辐射四种极化(x/y极化、左/右旋极化)的波束。

每种极化天线的表面对应的缝隙单元分布，都有一种全息相位分布图与之对应，按照对应的全息相位分布图来设置每个位置缝隙单元的通/断状态，最终便可以实现辐射四种极化(x/y极化、左/右旋极化)的波束。

波束的改变是通过改变天线表面上所有缝隙单元的通/断状态分布来实现的，相当于一种分布状态图对应一种波束编码。

如图3所示，当仅设置水平缝隙单元时，利用开关器件控制x轴方向放置的矩形缝隙，矩形缝隙单元耦合到激励磁场的x分量(hx)，因此能辐射沿y极化的电磁波。

相似地，当仅设置垂直缝隙单元时，开关器件控制y轴方向放置的矩形缝隙单元，耦合到激励磁场的y分量(hy)，能辐射出x极化的电磁波。

利用开关器件控制其不同方向矩形缝隙的开/关状态，便可以从波导中耦合到不同的磁场分量用于激励全息相位图。十字缝隙由水平缝隙和垂直缝隙共同组成，能同时耦合到从介质层传来的水平和垂直两个方向的磁场能量，即同时耦合x轴和y轴两种线性极化分量，再加上不同的相位延时，就能够实现左旋或右旋圆极化波。

如图4所示，具体为：圆极化波由两种线极化波(即x极化波和y极化波)组成，因此需要同时调控能产生两种线极化分量的缝隙单元。使用x轴方向的水平缝隙单元耦合x分量磁场(hx)，根据全息计算公式得到产生y极化波的缝隙分布图，再用相同方法计算得到产生x极化波的缝隙分布图，直接叠加两种分布图后，便可得到最终的圆极化波缝隙分布图。

圆极化波的旋向(左旋/右旋))取决于计算过程中目标波pobj的选择，产生左旋圆极化波时，目标波pobj中y分量的相位要滞后于x分量相位90°；相反，当产生右旋圆极化波是，目标波pobj中y分量的相位就要超前于x分量相位90°。

进一步通过在每个缝隙上加一个pin二极管，每个二极管的两端通过过孔和微带线连接到天线的电压端和接地端，进而控制缝隙。

如图5所示，天线产生右旋圆极化(rhcp)波束时的辐射方向图，天线主波束的最大增益约为15db，波束的主极化为rhcp。同时，如图6所示，从图6的天线轴比曲线图中看出，此时天线在19.92-20.11ghz范围内的轴比值低于3db，证明了此时天线辐射的波束确实为圆极化的，轴比带宽190mhz。

与rhcp的情况相类似，左旋圆极化(lhcp)情况的辐射方向图和轴比曲线图如图7和图8所示。图7说明此时天线主波束的最大增益约为14.2db，波束的主极化为lhcp。图8显示出天线在19.91-20.1ghz范围内的轴比值低于3db，证明了此时天线辐射的波束也为圆极，轴比带宽同样为190mhz。

如图9所示，当天线处于x极化模式时，辐射的主波束最大增益约为13db；同时，如图10所示，在phi＝0°面上x极化方向的增益较大，证明了此时波束的主极化为x极化。

与x极化相似，如图11所示，当天线处于y极化模式时，主波束的最大增益约为12db；由图12看出，在phi＝90°面上的增益较大，证明了此时波束的主极化为y极化。

通过图9和图11对比，可知本发明中天线的辐射增益可以达到接近15db。与其他相同类型的天线相比具有体积小、增益高的优势。由于是采用缝隙来耦合磁场能量激励，而且馈源集成在天线表面的中心位置，相对于把馈源放在天线外面空间的反射型、透射型，提高了效率。