具有双重调制特性的超表面天线和可编程阵列天线系统

1.本技术涉及通信技术领域，特别是涉及一种具有双重调制特性的超表面天线和可编程阵列天线系统。


背景技术：

2.现有可编程超表面阵列天线主要涉及反射式和透射式两种工作模式，空间馈源的存在使得系统的体积和剖面较大。将馈源与相位调制结构一体化集成，可有效减少天线的剖面高度，从而实现低剖面设计，是新型低剖面辐射式可编程超表面天线的理想实现方式。在一体化天线设计中，将全息理论与编码超表面理论相结合，可实现波束的灵活可编程赋形。在此方面，美国杜克大学d.r. smith教授团队进行了广泛地研究，该团队于2013年设计了基于微带传输线馈源的超表面全息天线，其结构主要由置于微带线上的加载pin二极管的互补电容电感超表面谐振单元(celc)构成。该天线利用pin二极管通断控制天线单元的辐射状态，以实现辐射波束的空间扫描。此后该团队对该类型天线进行了更深入的研究，设计了大口径的动态可编程超表面天线，并对其在雷达计算成像、合成孔径成像等领域的应用进行了验证。
3.但此类型可编程天线存在传输线末端能量耦合效率低、能量泄漏等问题，会恶化天线的辐射效率和增益。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种具有双重调制特性的超表面天线和可编程阵列天线系统，同时具有反射相位和辐射相位双重调制特性，且剖面低、馈电效率高。
5.一种具有双重调制特性的超表面天线，包括：介质板以及设在所述介质板上的天线结构；
6.所述天线结构包括：设在所述天线结构中心的中心贴片以及关于所述中心贴片对称的两个移相贴片；两个所述移相贴片上对称设有接地的传输通道，所述中心贴片与所述移相贴片之间对称设有二极管。
7.在一个实施例中，还包括：射频电路；
8.所述射频电路与所述天线结构通过馈电探针相连，所述馈电探针设在所述中心贴片的中央。
9.在一个实施例中，还包括：直流偏置电路；
10.所述直流偏置电路包括直流偏置线和去耦枝节；所述直流偏直线的一端与直流电源相连，另一端与所述馈电探针相连，所述去耦枝节与所述直流偏置线相连。
11.在一个实施例中，所述介质板包括：从上到下依次相叠的第一介质层、第二介质层以及第三介质层；所述第一介质层与所述第三介质层通过所述第二介质层压合；
12.所述天线结构设在所述第一介质层的顶部，所述射频电路和所述直流偏置电路均
设在所述第三介质层的底部，所述第一介质层的底部设有地板。
13.可编程阵列天线系统，包括：馈电网络以及多个具有双重调制特性的超表面天线；
14.多个超表面天线呈矩形阵列分布，所述馈电网络分别与各所述超表面天线的射频电路相连。
15.在一个实施例中，相邻的两个超表面天线之间的距离等于辐射波的波长。
16.在一个实施例中，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的超表面天线的数量为8的整数倍。
17.在一个实施例中，多个所述超表面天线共用一个第一介质层、一个地板、一个第二介质层以及一个第三介质层。
18.在一个实施例中，所述地板上对应相邻两个超表面天线之间的位置设有隔离槽；
19.所述隔离槽包括多个阵列间隔分部的条形槽。
20.在一个实施例中，每个直流偏置线通过金属管与第一介质层相连，所述金属管垂直贯穿所述介质板；
21.所述介质板上设有与所述金属管对应的贯穿孔，所述贯穿孔对应所述地板的孔壁上设有环状的沉槽，以作为隔离环；
22.位于矩形阵列长度方向上的超表面天线分为对称的两组，每组的超表面天线共用一个隔离环。
23.上述具有双重调制特性的超表面天线和可编程阵列天线系统，是一种可以工作在x波段的辐射式编码超表面单元天线，将馈电结构与相位调制结构一体化集成，天线结构紧凑，解决了现有技术天线剖面高的问题；并加载pin二极管，利用pin二极管的通断来控制天线结构的辐射状态，以实现辐射波束的空间扫描，具有对反射波的反射相位和辐射波的辐射相位的双重调制特性；同时，天线单元不包含接地共面波导馈电结构(gcpw)，因此天线单元具有完美的对称性，这赋予了天线单元对反射电磁波相位的1-bit调制能力；另外，天线单元采用微带线直接馈电，省去了多余的接地共面波导结构，使得其可以应用在二维阵列天线的设计中，且阵列天线中的每个单元都采用微带线进行独立馈电，馈电效率高，避免了能量泄露的问题，进而提高能量的耦合效率。
附图说明
24.图1为一个实施例中具有双重调制特性的超表面天线的整体示意图；
25.图2为一个实施例中第一介质层及天线结构的示意图；
26.图3为一个实施例中地板的示意图；
27.图4为一个实施例中第三介质层、射频电路及直流偏置电路的示意图；
28.图5为一个实施例中第一介质层的尺寸示意图；
29.图6为一个实施例中第三介质层的尺寸示意图；
30.图7(a)为一个实施例中两个天线单元的二极管状态不同时的电流分布示意图；(b)为一个实施例中两个天线单元的二极管状态不同时的电场分布示意图；
31.图8为一个实施例中不同状态天线单元的s参数仿真结果示意图；
32.图9为一个实施例中不同状态天线单元的辐射方向仿真结果示意图；
33.图10为一个实施例中天线单元在不同频率下的反射幅度仿真示意图；
34.图11为一个实施例中天线单元在不同频率下的反射相位仿真示意图；
35.图12为一个实施例中可编程阵列天线系统的第一介质层的示意图；
36.图13为一个实施例中可编程阵列天线系统的地板的示意图；
37.图14为一个实施例中可编程阵列天线系统的第三介质层的示意图；
38.图15为一个实施例中可编程阵列天线系统的a部分的放大示意图；
39.图16为一个实施例中可编程阵列天线系统的b部分的放大示意图；
40.图17为一个实施例中可编程阵列天线系统的c部分的放大示意图；
41.图18(a)为一个实施例中辐射波束偏转角度为(60
°
，0
°
)的方向图仿真结果图；(b)为一个实施例中辐射波束偏转角度为(30
°
，20
°
)的方向图仿真结果图；
42.图19为一个实施例中16
×
16天线单元的反射式可编程阵列天线示意图；
43.图20(a)为一个实施例中反射波束偏转角度为(30
°
，0)的三维方向图仿真结果图；(b)为一个实施例中反射波束偏转角度为(40
°
，40
°
)的三维方向图仿真结果图；
44.图21为一个实施例中不同偏转角度下测试到的s参数测试结果图；
45.图22为一个实施例中不同偏转角度下测试到的增益曲线示意图；
46.图23为一个实施例中偏转角度为(30
°
，0
°
)的测试和仿真方向图；
47.图24为一个实施例中偏转角度为(60
°
，0
°
)的测试和仿真方向图；
48.图25为一个实施例中可编程阵列天线方位面反射方向图测试结果图；
49.图26为一个实施例中可编程阵列天线反射方向图增益测试结果图。
50.附图编号：
51.中心贴片1，移相贴片2，传输通道3，二极管4，射频电路5，馈电探针6，直流偏置线71，去耦枝节72，第一介质层8，第二介质层9，第三介质层10，馈电网络11，隔离槽12，金属管13，隔离环14，直流插座焊点15，地板16。
具体实施方式
52.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
53.需要说明，本技术实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
54.另外，在本技术中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多组”的含义是至少两组，例如两组，三组等，除非另有明确具体的限定。
55.在本技术中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本
领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
56.另外，本技术各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本技术要求的保护范围之内。
57.如图1至图4所示，本技术提供的一种具有双重调制特性的超表面天线，在一个实施例中，包括：介质板以及设在所述介质板上的天线结构；
58.所述天线结构包括：设在所述天线结构中心的中心贴片1以及关于所述中心贴片1对称的两个移相贴片2；两个所述移相贴片2上对称设有接地的传输通道3，所述中心贴片1与所述移相贴片2之间对称设有二极管4。
59.优选地，还包括：射频电路5，用于辐射电磁波；
60.所述射频电路5与所述天线结构通过馈电探针6相连，所述馈电探针6设在所述中心贴片1的中央。
61.优选地，还包括：直流偏置电路，用于控制二极管4的通断并切换二极管4 的状态；
62.所述直流偏置电路包括直流偏置线71和去耦枝节72；所述直流偏直线71 的一端与直流电源相连，另一端与所述馈电探针6相连，以通过馈电探针与二极管相连，所述去耦枝节72与所述直流偏置线71相连。进一步优选地，一根直流偏置线71上对称设有两个扇形的去耦枝节72，去耦枝节72的尖端与直流偏置线71相连，且去耦枝节72的半径为四分之一辐射波波长，用于隔离射频信号对直流电路的影响。
63.在本实施例中，中心贴片1、移相贴片2、射频电路5以及直流偏置电路均采用金属材质。
64.本技术不限制介质板、中心贴片1以及移相贴片2的形状，可以根据实际情况进行具体设计。优选地，介质板和中心贴片1为正方形，移相贴片2为长方形。
65.传输通道3是设在介质板上的空心的金属管道，优选竖直放置。本技术不限制传输通道3的个数以及尺寸，可以根据实际情况进行具体设计。优选地，每个移相贴片2上均设有八个传输通道3。八个传输通道3接地可以使电流沿x 轴方向均匀地流向地面，抑制天线的交叉极化电平，从而提高天线的性能。
66.二极管4可以选用pin二极管。在天线结构上加载两个pin二极管，改变其上集成的二极管的状态，就可以调节电流的流动方向和电场的分布区域，使得天线的远场辐射相位差具有0
°
和180
°
两种可调制的状态，具有1-bit数字可调节特征。方便起见，用“0”表示二极管断开，“1”表示二极管导通，“01”表示单元上左边的二极管pin1断开，右边的二极管pin2导通，其他情况同理。
67.本实施例的工作过程为：辐射模式下，在射频电路的馈电线上施加激励信号，并通过馈电探针对天线结构进行激励；直流偏置线通过馈电探针与二极管连接，当在直流偏置线上施加-1.3v和+1.3v的直流电压时，可以使两个pin二极管分别导通；辐射信号经射频电路到达天线结构的中心贴片，并经过二极管后到达移相贴片，然后辐射出去；移相贴片通过传输通道接地，从而形成闭合回路。反射模式下，当电磁波照射到天线结构上时，调整天线结构上二极管的通断状态，可以使得反射波的相位差为180
°
。具体实现方式是，在9.76ghz 处，当天线结构上其中一个二极管导通时，经天线结构反射出去的反射波相位为135
°
，当天线上两个二极管均断开时，反射波相位为-45
°
，两种天线状态下反射波相位差为180
°
，从而
实现对反射波相位1-bit的调制能力。
68.在本实施例中，中心贴片、馈电探针和射频电路的微带线一起构成了馈电结构，移相贴片构成了相位调制结构。
69.上述具有双重调制特性的超表面天线，是一种可以工作在x波段的辐射式编码超表面单元天线，将馈电结构与相位调制结构一体化集成，天线结构可以改变电磁波辐射和电磁波反射的相位和幅度，实现对电磁波的调制，天线结构紧凑，解决了现有技术天线剖面高的问题；并加载pin二极管，利用pin二极管的通断来控制天线结构的辐射状态，以实现辐射波束的空间扫描，具有对反射波的反射相位和辐射波的辐射相位的双重调制特性；同时，天线单元不包含接地共面波导馈电结构(gcpw)，因此天线单元具有完美的对称性，这赋予了天线单元对反射电磁波相位的1-bit调制能力；另外，天线单元采用微带线直接馈电，省去了多余的接地共面波导结构，使得其可以应用在二维阵列天线的设计中，且阵列天线中的每个单元都采用微带线进行独立馈电，馈电效率高，避免了能量泄露的问题，进而提高能量的耦合效率。
70.在一个实施例中，所述介质板包括：从上到下依次相叠的第一介质层8、第二介质层9以及第三介质层10；所述第一介质层8与所述第三介质层10通过所述第二介质层9压合；
71.所述天线结构设在所述第一介质层8的顶部，所述射频电路5和所述直流偏置电路均设在所述第三介质层10的底部，所述第一介质层8的底部设有地板 16。传输通道3与地板16相连。
72.在本实施例中，一个包含三层介质层结构的超表面天线即为一个天线单元。
73.如图5至图6所示，优选地，第一介质层8采用厚度h1为1.524mm的rogers 4350b介质基板，地板选用金属材质，第二介质层9选用厚度为0.1mm的rogers 4450f半固化片进行粘合，第三介质层10采用厚度h2为0.508mm的rogers 4350b介质基板，介质板为边长p为12mm的正方形，中心贴片1的边长a为1mm，移相贴片2的长度l为8mm，移相贴片2的宽度w为2.7mm，中心贴片 1与移相贴片2之间的距离为0.33mm，传输通道3的直径r1为0.36mm，传输通道3的间距v1为0.81mm，馈电探针6的直径r2为0.15mm；直流偏直线71 的宽度dw为0.2mm，射频电路微带线5的宽度sw为1.24mm，去耦枝节72的半径r为四分之一辐射波波长。
74.如图7至图11所示，对具有双重调制特性的超表面天线进行仿真分析。
75.图7(a)(b)分别展示了两个天线单元上施加不同直流电压时的电流和电压分布。施加不同直流电压时，单元上的表面电流流动方向相反，电场分布区域也呈现出相反的特征，将会使得两个单元的辐射相位差接近180
°
。
76.图8和图9分别展示了在两个单元上施加不同电压值时的s参数和辐射方向图仿真结果。其中port1和port3是两个单元的射频馈电端口，port2和port4 为两个单元的直流偏置线端口。仿真结果显示天线单元的工作带宽为 9.6-10.4ghz，当两单元上施加的直流电压分别为+1.3v(-1.3v)和-1.3v(+1.3v) 时，合成后的方向图0
°
方向处存在一个凹陷，这验证了单元间存在近180
°
相位差。可以推知，两个单元上施加的电压相同时，单元合成的方向图相互叠加，辐射相位差为0
°
。以上分析验证了二极管的开关状态可以改变单元的远场辐射相位，使得单元间的辐射相位差具有1-bit的可调控特征。
77.图10和图11分别展示了单元在不同频率下的反射幅度和反射相位变化，从仿真结果可以看到，对于x极化电磁波，单元上两个二极管的状态为“01”和“00”时，对应在9.76ghz
频点处的反射相位差为180
°
，且反射损耗小于 2db。由单元的左右对称性可知，“01”和“10”两种二极管状态下单元的反射特性是相同的。将单元上其中一个二极管导通时的状态定为state1，两个二极管全断开定为state0，这样就可以用数字信息对单元的反射特征进行编码。
78.如图12至图17所示，本技术还提供一种可编程阵列天线系统，在一个实施例中，包括：馈电网络11以及多个具有双重调制特性的超表面天线；
79.多个超表面天线呈矩形阵列分布，所述馈电网络11分别与各所述超表面天线的射频电路相连。
80.优选地，相邻的两个超表面天线之间的距离等于辐射波的波长。
81.优选地，位于矩形阵列长度方向或宽度方向上的超表面天线的数量为8的整数倍。
82.在本实施例中，采用串并联馈电网络对每个天线单元进行馈电以构成辐射式可编程阵列天线，直流偏置线经过第三介质层、第二介质层、地板以及第一介质层后与直流插座焊点15连接。
83.多个天线单元拼接组成阵列，形成了具有反射波灵活调制能力的辐射式可编程波束扫描阵列天线系统，天线阵列中集成了pin二极管，具有了可编程的特性；阵列天线中的每个天线单元对最终的波束调制都有贡献，每个单元均采用微带线进行独立馈电，馈电效率高，避免了能量泄露的问题，提高了能量的耦合效率。根据数字全息理论对阵列中的单元进行编码，实现对辐射波的可编程灵活调控。
84.优选地，多个所述超表面天线共用一个第一介质层、一个地板、一个第二介质层以及一个第三介质层。
85.上述设计方便加工，简化装配，更具有实用性。
86.在一个实施例中，地板上对应相邻两个超表面天线之间的位置设有隔离槽 12，用于提高隔离度；
87.隔离槽12包括多个阵列间隔分部的条形槽。
88.在一个实施例中，每个直流偏置线通过金属管13与第一介质层相连，所述金属管13垂直贯穿所述介质板；
89.所述介质板上设有与所述金属管13对应的贯穿孔，所述贯穿孔对应所述地板的孔壁上设有环状的沉槽，以作为隔离环14；
90.位于矩形阵列长度方向上的超表面天线分为对称的两组，每组的超表面天线共用一个隔离环14。
91.隔离环使直流偏置线的供电线路与地隔离。
92.优选地，将多个天线单元进行组阵，设计的二维可编程阵列天线包含8
×
16 个编码天线单元，相邻的两个天线单元之间的间距为一个波导波长sp＝18mm，金属管之间的距离dp＝2.54mm，金属管的直径r3＝1.1mm。
93.具有对辐射波束和反射波束双重调制能力的可编程阵列天线可以作为5g 中继基站天线，该天线可以将上一基站发射的电磁信号进行反射调制，并将接收到的信号向上一基站的信号盲区或者信号弱区进行反射，以增强该区域的信号强度。同时，天线具有的主动辐射特性，可以将接收到的信号进行放大调制处理，进一步增强信号传输的稳定性。该双重功能是现有单一工作模式的基站天线所不具有的。
94.在一个具体的实施例中，设计了包含宽度方向8个
×
长度方向16个编码单元的低剖面可编程辐射式波束扫描阵列天线，并采用8
×
16的串并联馈电网络对每个天线单元进行馈电，结合数字全息天线理论对每个单元进行编码，获得了方位面上的-60
°
～60
°
和俯仰面上的-40
°
～40
°
的波束扫描，实现了不依托移相器组件的相控波束灵活赋形，进一步，结合反射式可编程天线原理，对设计的编码单元的反射波调制特性进行了分析，搭建的反射式可编程天线可以实现
ꢀ‑
40
°
～40
°
的波束扫描，相关的仿真分析结果如图18至图26所示。
95.图18展示了阵列天线辐射波束偏转角度为(60
°
,0
°
)和(30
°
,20
°
)的方向图仿真结果。方向图主瓣均得到了精确的偏转，验证了可编程阵列天线对辐射波束的灵活调控。
96.如图19所示，在验证可编程阵列天线对反射波的调制效果时，将两个8
×ꢀ
16可编程阵列组成16
×
16单元的反射阵，喇叭天线作为空间激励源，对反射阵进行照射，m为喇叭天线，n为可编程阵列。得到的反射波束偏转角度为(30
°
,0) 和(40
°
,40
°
)的三维方向图仿真结果如图20所示。
97.对8
×
16二维阵列天线进行了加工，设计了基于stm32微控制器的数字电路驱动板，用于实现对阵列天线的可编程控制。
98.将阵列天线固定在微波暗室的转台上，测试天线的主动辐射特性。不同偏转角度下测试到的s11和增益曲线分别如图21和图22所示，各个偏转角度下的工作带宽基本一致，在9-10.4ghz频段内基本都满足s11＜-10db。
99.图23和图24展示了偏转角度为(30
°
,0
°
)和(60
°
,0
°
)的测试和仿真方向图，忽略测试中天线放置角度的误差，测试的方向图波束均能够精准的指向预设角度，并且具有较高的增益和良好的方向性。
100.在测试阵列天线对反射波的调制效果时，将加工的8
×
16阵列天线作为可编程反射阵，工作在x波段的标准增益喇叭作为激励源，放置在阵列前方270mm 处。测试到的方位面波束扫描方向图和增益分别如图25和图26所示。测得的方向图主瓣具有较高的指向精度，测试增益均在16.4dbi以上。
101.本技术采用将馈电结构与相位调制结构一体化集成的方法，设计了一种加载pin二极管的辐射式编码单元，通过切换二极管的状态，可以调节天线单元的远场辐射相位和反射相位，呈现出1-bit的可调控数字特征。在此基础上，设计了含有8
×
16个单元的辐射式可编程波束扫描阵列天线，同时具有反射波灵活调制能力，根据数字全息理论对阵列中的单元进行编码，通过仿真和实验测试验证了阵列天线对辐射波束和反射波束的可编程灵活赋形调控。本技术提出的新型天线具有传统反射式阵列天线的优点，同时作为一种新型的低剖面辐射式可编程天线，同一口径下，新型可编程阵列对反射波束和辐射波束均具有灵活的波束赋形能力，在雷达探测、移动通信、电子对抗、微波成像等领域具有广阔的应用前景。
102.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
103.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保
护范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。