基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线

1.本发明涉及一种基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线，属于新型人工电磁材料和微波天线领域。


背景技术：

2.新型人工电磁材料，亦称电磁超材料，是由一种亚波长尺寸单元周期或非周期排布而成的一种人工材料，可以获得自然界中不存在的特异现象，实现一些特殊的电磁特性。作为其二维等效的平面结构的超表面可以减少三维电磁超材料的纵向厚度以及构造复杂性，近年来也广泛地用于调控电磁波，降低了损耗，加工简单，便于与系统上集成。数字编码和可编程超材料/超表面的概念在2014年由东南大学崔铁军教授课题组提出，采用数字编码的方式实现对电磁波的实时调控，在fpga等控制电路的操控下可以形成功能实时可切换的可编程超材料/超表面，具有广阔的应用前景。(参考文献[1]：t.j.cui,m.q.qi,x.wan,j.zhao,and q.cheng,"coding metamaterials,digital metamaterials and programmable metamaterials,"light-science&applications,vol.3,p.e218,oct 2014.)然而，目前可编程超表面需要外部馈源天线来激励，通常馈源天线和超表面之间距离随着超表面的尺寸增大而提高，这就造成了可编程超表面与馈源天线集成后剖面非常大，体积较大不便集成。
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另一方面，法布里-珀罗谐振腔天线，也称为部分反射表面天线，具有高增益、低剖面、波束宽度窄、损耗低等特点，可以在形成高增益辐射的同时，满足体积小、结构紧凑、成本低等要求，在工业界也引起了广泛的研究。相比于阵列天线，其省去了复杂的移相功分网络，降低了损耗。近年来，根据实际应用中的需求，可重构和波束扫描成为法布里-珀罗天线的研究热点之一。尽管法布里-珀罗谐振腔天线也可以通过设计馈源天线阵列或可调的反射地板来实现波束可重构，但是这些方法具有馈电结构复杂，波束偏转角度小、增益损失大等缺点。


技术实现要素：

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技术问题：本发明的目的在于解决现有法布里-珀罗天线波束可重构情形中扫描角度小、增益损失大等问题，以及普通可编程超表面在外部馈源天线激励下整体剖面较大的问题，并基于可编程超表面提供一种方便高效地实现波束可重构的新设计思路。
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技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
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一种基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线，主要由微带天线馈源(3)、上层反射板(1)和下层反射板(2)构成。上下层反射板用塑料螺丝(4)固定形成一个半波长的法布里-珀罗谐振腔。上层反射板为一种高反射率的透射式可编程超表面，在fgpa控制电路的驱动下实时变化编码分布，从而实现天线辐射波束的可重构。
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进一步的，可编程超表面由周期排布的1比特透射相位可编程单元(5)组成，每个单元集成了两个开关二极管。两个开关二极管并联反向连接，在可编程单元上表面对称放
置。fpga控制电路可以提供极性相反的高低电平，分别导通可编程单元上不同的开关二极管，使其分别呈现0度和180度的透射相位，对应“0”和“1”两种编码。
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进一步的，构成可编程超表面的可编程单元(5)是个多层的结构，依次包括上层金属贴片(51)，上层介质板(55)，中间层金属贴片(52)，下层介质板(56)，下层金属贴片(53)，以及连接在上层金属贴片上的两个开关二极管和穿过中间层金属贴片连接着上下层金属贴片的金属过孔(54)。上下层金属贴片分别与fpga控制电路的高低电平相连。
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进一步的，可编程超表面的下表面反射相位在不同编码状态下保持不变，同时反射率较高(大于0.9)，与下层反射板结合构成法布里-珀罗谐振腔，满足天线谐振条件。微带天线激励的电磁波在腔体内多次反射，每次透射的电磁波经过可编程单元的透射相位调制，实现波束可重构。
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进一步的，可编程超表面中每列单元使用相同的偏置电压，呈现相同的编码状态，通过fpga控制电路输出的电压来改变可编程超表面的编码分布，可实现一维面内的波束可重构。
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有益效果：与现有技术相比，本发明的优势在于：
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1.本发明中的基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线，不需要复杂的移相功分网络，仅通过改变可编程超表面的编码分布，即可实现天线辐射波束的可重构，具有高增益、损耗低、结构紧凑、大角度波束偏折，增益损失小等优势。另一方面也将普通可编程超表面在外部馈源天线激励下的整体剖面降低至半波长左右，实现了低剖面的集成设计。
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2.本发明的设计简单、加工方便、易于实现。谐振腔天线的制作采用常规的印刷电路板工艺即可，每个可编程单元上焊接商用开关二极管，控制电路可以采用现场可编程门阵列(fpga)、单片机或cpld等。
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3.本发明中的天线还能组成天线阵列，进一步提高增益和波束可重构能力。
附图说明
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图1是基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线的工作原理示意图。
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图2中(a)是基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线的整体及局部结构示意图，(b)、(c)、(d)分别为谐振腔上层反射板上层金属图案、谐振腔上层反射板下层金属图案、微带天线的结构示意图。
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图3中(a)是可编程单元的结构示意图，(b)、(c)、(d)分别为上层金属贴片、中间层金属贴片、下层金属贴片的结构示意图。
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图4是可编程单元在两种编码下的反射和透射系数幅度随频率变化的曲线。
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图5是可编程单元在两种编码下的反射系数相位随频率变化的曲线。
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图6是可编程单元在两种编码下的透射系数相位随频率变化的曲线。
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图7是天线在不同编码序列下回波损耗随频率变化的曲线。
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图8是天线在不同编码序列下的e面增益方向图。
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图9是通过fpga输出不同编码序列实现波束可重构的三维和二维波束方向图。
具体实施方式
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下面结合附图对本发明进行具体阐述。
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本发明中，法布里-珀罗谐振腔天线的上层反射板为可编程超表面，由周期排布的1比特透射相位可编程单元组成。每个单元集成了两个开关二极管，在两种不同的开关状态下，单元结构对电磁波呈现0度和180度两种不同的透射相位，分别标记为“0”和“1”。可编程超表面的下表面反射相位在不同编码状态下保持不变，同时反射率较高，与下层反射板结合构成法布里-珀罗谐振腔，满足天线谐振条件。微带天线激励的电磁波在腔体内多次反射，每次透射的电磁波经过可编程单元的透射相位调制，实现波束可重构。
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下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
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图1是基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线的工作原理示意图。微带天线馈源激励出的电磁波在半波长法布里-珀罗谐振腔内来回反射，当可编程超表面编码状态一致的时候，每次透射的电磁波同相叠加条件，提高了增益。而fpga控制电路改变可编程数字超表面上的编码序列排布，能够调节透射电磁波在出射平面上的相位分布，起到波束偏折的作用。不同的数字编码序列对应不同情况下的偏折波束，将它们提前在fpga中储存好，使用时进行编码序列的切换就能达到波束可重构的功能。
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图2(a)是基于可编程超表面的波束可重构法布里-珀罗谐振腔天线的整体及局部结构示意图。整个谐振腔天线由上层反射板1，下层反射板2、微带天线馈源3和分布在四个角上固定上下层反射板的塑料螺丝4组成。其中上层反射板1为可编程超表面，主要由12
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12个可编程单元5周期排布而成。可编程超表面的上下表面金属图案如图2(b)、(c)所示，微带天线馈源3为u型开槽结构，用于增加带宽。
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图3(a)是可编程单元的结构示意图。可编程单元5是个多层的结构，由三层金属贴片和两层介质板构成，依次包括上层金属贴片51，上层介质板55，中间层金属贴片52，下层介质板56，下层金属贴片53，以及连接在上层金属贴片上的两个开关二极管和穿过中间层金属贴片连接着上下层金属贴片的金属过孔54。上层金属贴片51为矩形环状结构，单元中心处还有一块小的矩形金属贴片，两个开关二极管分别一左一右将小矩形金属贴片与大矩形金属环连接。中间层金属贴片52的边长等于单元结构的周期长度，在中心处有一个环形的开孔。下层金属贴片53的边长略小于单元结构的周期长度，贴片中部有一个u型槽。金属过孔54穿过上层介质板55，中间层金属贴片52的中心和下层介质板56，连接上下层金属贴片的中心。每个可编程单元上集成了两个开关二极管，这两个开关二极管并联反向连接，在编码单元上对称放置。控制电路提供两个大小相同、极性相反的电压，因此两个二极管在工作时处于“开_关”和“关_开”两种状态，分别对应“0”和“1”两种编码。由于两种编码状态下都只有一个二极管导通，另一个关断，所以在电磁结构上相同。但是两种编码状态下的导通二极管和关断二极管的位置相互调换，等效于将单元的上层金属贴片旋转了180度，也相当于电流方向转了180度，由此两个编码状态之间会产生180度的透射相位差。该可编程单元的工作原理为：下层金属贴片53首先接收谐振腔中的微带天线馈源3激励起感应电流之后，上层金属贴片51通过金属过孔54接收电流后再进行辐射。
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图4-6分别是可编程单元在两种编码下的反射和透射系数幅度、反射系数相位和透射系数相位随频率变化的曲线。如图4所示，在“0”和“1”两种编码下，反射和透射系数的幅度均不随着编码状态切换而变化，保持了较高的下表面反射率，在10ghz频点处可编程单
元下表面的反射系数保持在0.96左右。另外反射系数相位也不随着编码状态的切换而变化，在10ghz频点处可编程单元下表面的反射相位保持在-163度左右，如图5所示。总的来说，可编程单元的下表面反射系数幅度和相位都不随着编码状态的切换而改变，保持稳定的高反射率和相位，编码状态的切换不会破坏谐振腔的谐振，为构造法布里-珀罗谐振腔提供了完美的条件。最后，随着可编程单元上不同二极管的导通，分别对应不同的编码状态，可编程单元的透射系数相位也在较大的频率区间内保持180度的相位差，实现了对透射相位的调制。
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图7是天线在不同编码序列下回波损耗随频率变化的曲线。五组不同编码下回波损耗随频率变化曲线形状基本相同，也验证了可编程超表面的设计能提供稳定的下表面反射幅度和相位，不同的编码序列不会改变天线的谐振状态。另外，天线在10ghz处天线匹配良好，编码序列的切换基本不会使天线的工作频点发生偏移。
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图8天线在不同编码序列下的e面增益方向图。在“000000000000”、“000000111111”、“000011110000”、“000111000111”、“100011001110”、“001100110011”和“011011001001”七个编码下，天线波束的偏转角度逐渐增大，由0度增加到60度。由于所采用的可编程单元是1bit透射相位调制单元，所以在偏离0度辐射的方向只能产生对称双波束的辐射，因此双波束中每个波束的增益理论上会比“000000000000”编码下的0度单波束少3dbi。后续进一步设计2比特的此类可编程单元，可以解除这个限制，实现单波束的扫描。
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图9是通过fpga输出不同编码序列实现波束可重构的三维和二维波束方向图。将不同编码序列储存在fpga中，每种编码对应一个天线方向图，根据实际应用场景，fpga控制电路输出相应的编码序列，天线辐射出对应的波束，实现波束可重构。