一种1bit超表面单元及可重构反射阵列天线

本发明涉及微波与天线，特别是一种1bit超表面单元及可重构反射阵列天线。

背景技术：

1、目前，测控技术不断发展，对新型测控天线的需求与日俱增。传统的抛物面天线，结构简单，性能相对稳定，是目前应用于测控的主流天线形式。但是庞大的体积和较慢的扫描速度，限制了其进一步发展。相控阵天线，可以进行电控扫描，极大提高了扫描速度，而且平面结构也极大减小了体积，逐渐应用于各个测控场景。但是相控阵天线成本极其昂贵，难以在商业领域推广，同时复杂的馈电网络，增加了设计难度。相比之下，反射阵列天线结合抛物面天线和相控阵天线的优点，在设计复杂度，设计成本等方面有得天独厚的优势，在发展新型测控技术方面有广泛的应用前景。

2、传统的反射阵列天线通过在电路板上刻蚀不同大小的单元结构，通过对馈源的波束进行聚焦反射，实现高增益特性。一旦加工完成，天线的性能便无法改变，在使用过程中，仍然存在着如下不足，有待进行改进：

3、1、反射阵列天线功能单一，不能满足多目标测控的需求，不适应目前测控技术的发展。

4、2、无源反射阵，只能通过馈源位置的改变进行波束扫描，机械控制相比于电控，扫描速度慢，且当馈源斜入射角度过大时，会产生更大的相位误差，导致扫描范围受限，当扫描范围超过±40°时，天线辐射方向度严重恶化，影响天线辐射性能。随着测控技术的发展，多目标测控需求与日俱增，需要波束快速扫描，且在更大空间范围内，如±60°范围内进行扫描，从而能有利于发现目标。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种1bit超表面单元及可重构反射阵列天线，该1bit超表面单元及可重构反射阵列天线能实现在±60°更宽空间域的扫描范围，同时具有较高的口径效率，使得天线发射与接收能量效率更高。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

3、一种1bit超表面单元，包括从上到下依次同轴布设的辐射贴片、上层介质基板、金属地、下层介质基板和直流控制线。

4、上层介质基板和下层介质基板均具有两个正交的对称轴，分别为x轴和y轴。

5、辐射贴片包括两个e型贴片、两个t型贴片、两个电容和一个pin二极管。

6、两个e型贴片关于x轴对称，且开口相对；两个e型贴片的三条支腿之间分别形成为沿x向的中间缝隙s1和两个侧缝隙s2；其中，中间缝隙s1通过所述pin二极管相连接，两个侧缝隙s2等宽设置，且各通过一个所述电容相连接。

7、两个t型贴片对称布设在两个e型贴片的外周，且t型贴片的头部朝向e型贴片，且与e型贴片之间具有等宽的间隔缝隙s3。

8、将与pin二极管负极相连接的e型贴片，称为负极e型贴片；将与pin二极管正极相连接的e型贴片，称为正极e型贴片；则负极e型贴片通过负极馈线和金属通孔一连接至金属地，正极e型贴片通过正极馈线和金属通孔二连接至直流控制馈线。

9、通过控制pin二极管的通断，实现1bit超表面单元的导通和断开；设每个t型贴片的头部长度均为l1，通过控制t型贴片头部长度l1和间隔缝隙s3，则能控制1bit超表面单元在导通与断开之间的相位差满足180°；其中，1bit超表面单元在导通时相位为180°，1bit超表面单元在导断开时相位为0°。

10、负极馈线和正极馈线分别设置在两个电容的外侧；其中，负极馈线沿y向布设，负极馈线与负极e型贴片的连接点设置在对应侧电容与负极e型贴片的连接点处；正极馈线包括呈l型一体设置的y向正馈线和x向正馈线；y向正馈线的端部连接在邻近电容与正极e型贴片的连接点处；x向正馈线的端部与金属通孔二顶部相连接。

11、上层介质基板和下层介质基板均为边长15mm的正方形，则l1＝6mm，s3＝0.2mm，负极馈线长度l7＝1mm，y向正馈线长度l5＝3mm，x向正馈线长度l6＝4mm。

12、直流控制馈线包括扇形枝节和l型直流控制线；l型直流控制线包括一体设置的x向直流控制线和y向直流控制线；x向直流控制线端部连接金属通孔二底部，y向直流控制线端部连接外置电流控制设备；扇形枝节加载在x向直流控制线中部。

13、通过控制扇形枝节在x向直流控制线的加载位置，扇形枝节的张角和半径，在不影响电流控制设备直流信号的情况下，能阻隔辐射贴片的表面电流。

14、扇形枝节的张角φ＝60°，扇形枝节的半径r＝3mm。

15、一种采用1bit超表面单元的可重构反射阵列天线，包括馈源和反射面。

16、反射面采用1bit超表面单元呈n*n排列形成。

17、通过直流控制馈线，对反射面中每个1bit超表面单元的pin二极管进行通断控制，能实现每个1bit超表面单元的相位状态控制，从而使可重构反射阵列天线能在±60°内进行波束扫描。

18、还包括馈电结构和fpga。

19、馈电结构包括设置在反射面底部的n组控制线焊接底座。

20、每组控制线焊接底座均包括左侧控制线焊接底座和右侧控制线焊接底座。

21、左侧控制线焊接底座和右侧控制线焊接底座分别设置在对应行n个1bit超表面单元的两侧。

22、左侧控制线焊接底座和右侧控制线焊接底座均包括n/2个方形贴片；其中，左侧控制线焊接底座的n/2个方形贴片分别与对应行左侧的n/2个1bit超表面单元的直流控制馈线相连接。

23、右侧控制线焊接底座的n/2个方形贴片分别与对应行右侧的n/2个1bit超表面单元的直流控制馈线相连接。

24、n组控制线焊接底座均与fpga相连接，通过fpga实现对反射面中每个1bit超表面单元的相位状态控制，从而实现波束变化。

25、n＝20，馈源到反射面中心的距离为222mm，馈源的焦径比为0.74。

26、本发明具有如下有益效果：本发明通过直流控制线对pin二极管进行通断控制，以实现单元相位0°和180°两个状态。通过fpga控制反射阵列中每个单元的状态，从而改变口径面上的相位分布，实现反射波束在±60°内扫描。

技术特征：

1.一种1bit超表面单元，其特征在于：包括从上到下依次同轴布设的辐射贴片、上层介质基板、金属地、下层介质基板和直流控制线；

2.根据权利要求1所述的1bit超表面单元，其特征在于：通过控制pin二极管的通断，实现1bit超表面单元的导通和断开；设每个t型贴片的头部长度均为l1，通过控制t型贴片头部长度l1和间隔缝隙s3，则能控制1bit超表面单元在导通与断开之间的相位差满足180°；其中，1bit超表面单元在导通时相位为180°，1bit超表面单元在导断开时相位为0°。

3.根据权利要求2所述的1bit超表面单元，其特征在于：负极馈线和正极馈线分别设置在两个电容的外侧；其中，负极馈线沿y向布设，负极馈线与负极e型贴片的连接点设置在对应侧电容与负极e型贴片的连接点处；正极馈线包括呈l型一体设置的y向正馈线和x向正馈线；y向正馈线的端部连接在邻近电容与正极e型贴片的连接点处；x向正馈线的端部与金属通孔二顶部相连接。

4.根据权利要求3所述的1bit超表面单元，其特征在于：上层介质基板和下层介质基板均为边长15mm的正方形，则l1＝6mm，s3＝0.2mm，负极馈线长度l7＝1mm，y向正馈线长度l5＝3mm，x向正馈线长度l6＝4mm。

5.根据权利要求1或4所述的1bit超表面单元，其特征在于：直流控制馈线包括扇形枝节和l型直流控制线；l型直流控制线包括一体设置的x向直流控制线和y向直流控制线；x向直流控制线端部连接金属通孔二底部，y向直流控制线端部连接外置电流控制设备；扇形枝节加载在x向直流控制线中部。

6.根据权利要求5所述的1bit超表面单元，其特征在于：通过控制扇形枝节在x向直流控制线的加载位置，扇形枝节的张角和半径，在不影响电流控制设备直流信号的情况下，能阻隔辐射贴片的表面电流。

7.根据权利要求6所述的1bit超表面单元，其特征在于：扇形枝节的张角φ＝60°，扇形枝节的半径r＝3mm。

8.一种采用1bit超表面单元的可重构反射阵列天线，其特征在于：包括馈源和反射面；

9.根据权利要求8所述的采用1bit超表面单元的可重构反射阵列天线，其特征在于：还包括馈电结构和fpga；

10.根据权利要求8所述的采用1bit超表面单元的可重构反射阵列天线，其特征在于：n＝20，馈源到反射面中心的距离为222mm，馈源的焦径比为0.74。

技术总结
本发明公开了一种1bit超表面单元及可重构反射阵列天线，包括馈源和和反射面；反射面采用超表面单元呈阵列排布。超表面单元包括从上到下依次布设的辐射贴片、上层介质基板、金属地、下层介质基板和直流控制线；辐射贴片包括两个E型贴片、两个T型贴片、两个电容和PIN二极管；两个E型贴片之间形成中间缝隙和两个侧缝隙；中间缝隙连接PIN二极管，两个侧缝隙均连接电容；两个T型贴片对称布设在两个E型贴片外周，且两者间具有等宽的间隔缝隙。本发明通过直流控制线对PIN二极管进行通断控制，以实现单元相位0°和180°两个状态。通过FPGA控制反射阵列中每个单元的状态，从而改变口径面上的相位分布，实现反射波束在±60°内扫描。

技术研发人员：李森,蔡洋,马宏,曹玉凡,张希玮,卜立君,漆思雨,司一童
受保护的技术使用者：中国人民解放军战略支援部队航天工程大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14