基于低剖面的Ka波段超表面单元及其加载的波束扫描天线

本发明属于天线，涉及一种波束扫描天线，具体涉及一种基于低剖面的ka波段超表面单元及其加载的波束扫描天线，可用于毫米波天线通信与高分辨率雷达成像。

背景技术：

1、随着现代无线技术的发展，宽频带、高传输速率、小型化和多功能集成的通信设备成为发展趋势，由于毫米波等高频段能满足以上需求成为近年来研究的热点。本发明所涉及的ka波段低剖面电磁超表面阵列加载的波束扫描天线中心频率为30.4ghz，属于毫米波天线。相对于低频段，毫米波天线设备具有宽频带，结构尺寸小，通信安全性好，目标识别分辨率高等优点。同时ka波段内天线在高分辨率雷达、点对点数据传输、精确制导以及高分辨率雷达成像等系统上有重要应用。

2、基于电磁超表面阵列加载的波束扫描天线与相控阵天线和机械扫描，超表面加载的波束扫描天线通过对超表面阵列中的每一个单元的信号加以相位差来控制天线辐射方向，在相位差变化的同时，阵列的辐射方向图随之也向不同方位进行扫描。通过改变两个方位盘之间的相对旋转角度来调整相邻辐射单元的相位差，从而实现了主波束在俯仰面上的扫描；若两个方位盘同步旋转，可实现方位面上的扫描。降低相控阵成本的主要途径是t/r单元及移相器成本的降低。只因此大大降低了这种相控阵的成本。

3、p.wang and w.ren等人于2022年在ieee antennas and wireless propagationletters第9期期刊上发表了一篇名为《dual-band beam-scanning antenna at ka-bandby rotation of two transmitarrays》的论文。所提出的天线单元实现了双频点的波束扫描，工作频带窄。文献中通过改变单元结构的大小来实现相位360°的变化，进而实现对电磁波传播方向或者极化形式的改变。相位梯度超表面是通过多个相似的单元结构进行合理的周期性排布实现，其相位的变化可以通过改变单元结构的大小或者方向来实现。

4、又如专利cn115051157a中公开了一种电磁超材料结构，加载pin管实现相位调控。通过改变不同位置的二极管状态的变化实现波束控制。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于低剖面的ka波段超表面单元及其加载的波束扫描天线，用以解决现有相控阵天线阻抗带宽窄、扫描角度窄的技术问题。不用设计复杂的馈电网络和功分结构。也没有相控阵天线高昂的成本。天线整体结构更为简单、尺寸更小、易于工程实现和大规模量产

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种基于低剖面的ka波段超表面单元，包括上介质基板和下介质基板，所述上介质基板的上表面、所述下介质基板的下表面以及所述上介质基板的下表面或所述下介质基板的上表面，均印制有相同图案且投影相对的金属层；

4、所述金属层包括k条第一弧形金属线和k条金属线；所述k条第一弧形金属线位于第一圆周，且中心对称分布；每条金属线的一端在所述中心处连接，每条金属线的另一端与一条第一弧形金属线的中点相对且具有间距；其中k＞1；

5、贯通所述上介质基板和下介质基板设置有k个第一金属化过孔和k个第二金属化过孔，所述第一金属化过孔连接各金属层上投影相对的第一弧形金属线；所述第二金属化过孔连接各金属层上投影相对的金属线。

6、在一个实施例中，所述金属层还包括k条第二弧形金属线，所述k条第二弧形金属线位于第二圆周，且中心对称分布；所述第一圆周与所述第二圆周共圆心，且所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；所述每条金属线的另一端与一条第二弧形金属线的中点连接。

7、在一个实施例中，通过改变第一弧形金属线、第二弧形金属线和金属线的尺寸实现不同的相位梯度，相位梯度单元越多，在相位补偿时结果越精确。

8、在一个实施例中，取k＝4，取所述相位梯度的数量为6个，即使用6种ka波段超表面单元实现对相位进行梯度划分，通过对位于同一直线上的两条金属线所连接的两条第二弧形金属线的中点距离l1、第二弧形金属线的角度theta1以及第一弧形金属线的角度theta2进行如下取值，实现全相位的覆盖，并且传输损耗在1.5db内，得到6种ka波段超表面单元：

9、第一种ka波段超表面单元，l1＝3.3mm，theta1＝10deg，theta2＝10deg；

10、第二种ka波段超表面单元，l1＝2.8mm，theta1＝25deg，theta2＝15deg；

11、第三种ka波段超表面单元，l1＝1.87mm，theta1＝20deg，theta2＝45deg；

12、第四种ka波段超表面单元，l1＝3mm，theta1＝8deg，theta2＝36deg；

13、第五种ka波段超表面单元，l1＝3.2mm，theta1＝13.2deg，theta2＝35deg；

14、第六种ka波段超表面单元，l1＝3.15mm，theta1＝10deg，theta2＝10deg；

15、所述6种ka波段超表面单元在29.5-31.2ghz频带内的传输幅度在-1.5db以上，且在29.5-31.2ghz频带内的传输相位满足60°相位差，在30.4ghz频点处满足60°等相位差，在频带两端能够实现近似的60°相位差。

16、在一个实施例中，所述上介质基板与下介质基板使用半固化片进行粘合，上介质基板和下介质基板均被第一金属化过孔和第二金属化过孔贯穿。

17、本发明还提供了一种波束扫描天线，包括喇叭天线和ka波段超表面，所述ka波段超表面由m×n个所述基于低剖面的ka波段超表面单元阵列分布组成，所述ka波段超表面设置于所述喇叭天线的口面位置，通过不同相位梯度ka波段超表面单元的规律摆放进行相位补偿，实现波束偏转；其中m≥2，n≥2；所述ka波段超表面有两个，上下同轴分布，通过与两个ka波段超表面正交的轴旋转两个ka波段超表面，实现波束扫描。

18、在一个实施例中，通过如下公式计算由于馈源照射不同位置而引起的空间相位延迟，即每个位置需要的补偿相位

19、

20、然后在相应的位置上放置对应相位差的ka波段超表面单元，从而产生垂直于口面的高增益波束；

21、其中，d(i,j)为馈源的相位中心到第(i,j)个ka波段超表面单元之间的空间距离，k0为自由空间波数，第(i,j)个ka波段超表面单元的位置坐标为(x(i,j),y(i,j))，z为喇叭天线相位中心和ka波段超表面之间的距离。

22、在一个实施例中，对于上层的ka波段超表面，其每个ka波段超表面单元需要补偿的相位差计算如下：

23、

24、对于下层的ka波段超表面，其每个ka波段超表面单元需要补偿的相位差即透射阵口面所需的相移分布计算如下：

25、

26、式中，为主波束聚焦方向；φ0为参考相位值，其物理含义表示整个口面相移分布为相对值，而非绝对值。

27、在一个实施例中，通过如下步骤计算波束俯仰角θ和方位角

28、首先，确定两个ka波段超表面的初始方位角和相等；

29、其次，实现仰角波束扫描，并沿垂直于两个ka波段超表面的同一旋转轴反向旋转两个ka波段超表面，使其中ψ1、ψ2分别表示下层的ka波段超表面和上层的ka波段超表面的线性相位下降方向所在的方位面，ψ1、ψ2在区间[-180°,180°]内；δ1、δ2分别为下层的ka波段超表面和上层的ka波段超表面的旋转角，当两个ka波段超表面的波束偏转角α1和α2相等时，即可得到波束俯仰角θ和方位角

30、

31、

32、在一个实施例中，当所述两个ka波段超表面的偏转角δ＝180°，天线最大辐射方向偏转角度为0°，最大增益21.30db，副瓣水平为-16.84db；当所述两个ka波段超表面的偏转角δ＝90°，天线最大辐射方向偏转角度为35.35°，最大增益19.98db，副瓣水平为-15.97db；当所述两个ka波段超表面的偏转角δ＝0°，天线最大辐射方向偏转角度为50°；其中，δ为δ1和δ2的差值。

33、在一个实施例中，所述波束扫描天线的工作带宽覆盖29.5-31.2ghz。

34、与传统相控阵天线相比，机械波束可控天线不使用任何电子相移机制。因此，它们受益于较低的损耗，降低了成本，并且通常更适合高功率应用。然而，这是以降低扫描速度为代价的。因此，在优先考虑高功率处理、较低成本和较低复杂度而非高速波束扫描的应用中，机械波束转向技术可以提供传统有源或无源电子转向阵列的良好替代方案。

35、本发明中超表面采用三层连接导通的金属贴片和两层介质通过半固化层粘合，引入金属化过孔结构提高传输相位，对电磁波进行高效的相位调控。多层超表面结构单元会造成较大的损耗，最终影响天线的性能。本发明提高了天线的集成度，实现更好的性能表现。