宽带双层全介质透射型超表面

本发明属于天线，涉及一种透射型超表面，具体涉及一种宽带双层全介质透射型超表面。

背景技术：

1、天线是通信领域中信号接收与发射系统的核心组成部分，天线的辐射特性会对传输信号的质量产生重要影响。提高天线的增益和工作带宽可以提高信号质量和频谱利用率，因此，如何确保天线具有较大增益的同时扩大工作带宽已成为迫在眉睫的问题。

2、超表面是一种新型的人工结构材料，通过设计单元结构，控制单元特性可以使超表面实现对电磁波相位、振幅、极化等的调控，进而实现对电磁波的控制以及改变其传播路径。超表面因其设计灵活性以及可以实现对电磁波的良好控制，已经开始应用于天线的设计。

3、介质超表面是一种采用介质材料构成的超表面，相比于微带天线，介质超表面具有带宽大、结构简单、易于加工的特点。介质超表面通过将介质单元组成阵列并控制介质单元的结构和尺寸来实现对电磁波的调控。

4、透射型超表面是指馈源发出的球面波通过超表面进行二次出射，与反射型超表面相比避免了馈源的遮挡。

5、2020年，liu x等人提出一种三层结构的全介质宽带透射阵天线，采用带外谐振的工作原理对单元进行设计，每个单元由尺寸不同的矩形介质块组成，分布在基板的两侧，通过改变两侧介质块的大小调整透射相位和幅度，同时利用遗传算法优化阵面单元排布，结合3d技术完成实物的加工制备。结果表明此介质透射阵在9ghz到20ghz的工作频段范围内，1-db增益带宽为29%（ultra-broadband all dielectric transmitarray designingbased on genetic algorithm optimization and 3d print technology）。其增益带宽相比于微带透射阵天线有了较大改善，但仍存在可以提升的空间。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种宽带双层全介质透射型超表面，用以解决现有技术中存在的反射阵和透射阵超表面工作带宽较窄的技术问题。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

3、一种宽带双层全介质透射型超表面，包括大小不同且上下堆叠的上层矩形介质块和下层矩形介质块；一个上层矩形介质块和一个下层矩形介质块组成一个基本单元，n×n个基本单元进行周期性排布组成正方形的宽带双层全介质透射型超表面；超表面口径边长m由下式计算得到：

4、；

5、其中，表示理想增益，a表示超表面理想口径面积，即a=m×m，表示自由空间波长；n大于口径边长m与下层矩形介质块长度的比值；

6、所述上层矩形介质块和下层矩形介质块的横向截面为正方形；上层矩形介质块的尺寸小于下层矩形介质块，上层矩形介质块随下层矩形介质块等比例变化；上层矩形介质块和下层矩形介质块均为介质材料。

7、进一步地，所述上层矩形介质块和下层矩形介质块的长度比例系数和宽度比例系数均为k1，高度比例系数为k2，k1和k2均小于1，k1和k2的值通过对由上层矩形介质块和下层矩形介质块组成的介质单元进行参数优化决定；下层矩形介质块的边长为a，介质单元的工作谐振点与边长相对应，工作频带在非谐振区，将a大小控制在四分之一到二分之一自由波长进行参数优化。

8、进一步地，参数优化结果满足透射系数大于0.85，单元相移变化曲线相位覆盖360°，不同频率下的单元相移曲线彼此保持平行且线性。

9、进一步地，所述上层矩形介质块和下层矩形介质块均为介电常数为9.8、损耗角正切为0.004的介质材料。

10、进一步地，所述超表面的焦径比为0.78。焦径比等于馈源相位中心到超表面距离与超表面口径的比值。

11、进一步地，所述超表面阵面的补偿相位由下式计算得到：

12、；

13、其中，表示自由空间中的传播常数，表示基本单元在超表面阵面的位置坐标，表示馈源相位中心到超表面阵面上的距离，表示参考相位，表示二次出射波束与z轴之间的夹角，表示二次出射波束与x轴之间的夹角。

14、进一步地，所述下层矩形介质块的高度由计算出的超表面阵面的补偿相位结合单元相移变化曲线得到。

15、有益效果

16、本发明提供了一种宽带双层全介质透射型超表面，基本单元采用介质材料，具有损耗小、加工方便和成本低廉的特性，相较于微带形式的单元，介质单元具有更宽的带宽；基本单元由两个等比例的矩形块上下叠加组成，矩形块相比其他形状的单元有更好的相位控制性能，而且双层结构与单层结构相比具有更稳定的相位分布，相移曲线更加平滑和线性；本发明通过改变单元尺寸的方法实现相位补偿，这种方法具有较高的辐射效率和较低的损耗，加工也更简单。

17、本发明提供了一种宽带双层全介质透射型超表面，通过控制双层矩形介质块单元的长度和宽度不变，改变高度，对馈源的入射波进行相位调控，从而实现将通过超表面的球面波汇聚成笔形波束进行二次出射。在此基础上，通过将工作频带设置在远离谐振点的非谐振区，可以实现更好的宽带特性，解决了现有技术中透射阵天线高增益但带宽窄的技术难题。

18、本发明提供了一种宽带双层全介质透射型超表面，采用将介质工作区设置在非谐振区的方式进一步扩大带宽，在ka波段内可以实现最大增益26.5 dbi，1-db增益带宽达38.4%，相较于其他介质型和微带型的工作，在高增益的基础上取得了更好的宽带效果。

技术特征：

1.一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：包括大小不同且上下堆叠的上层矩形介质块和下层矩形介质块；一个上层矩形介质块和一个下层矩形介质块组成一个基本单元，n×n个基本单元进行周期性排布组成正方形的宽带双层全介质透射型超表面；超表面口径边长m由下式计算得到：

2.如权利要求1所述的一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：所述上层矩形介质块和下层矩形介质块的长度比例系数和宽度比例系数均为k1，高度比例系数为k2，k1和k2均小于1，k1和k2的值通过对由上层矩形介质块和下层矩形介质块组成的介质单元进行参数优化决定；下层矩形介质块的边长为a，介质单元的工作谐振点与边长相对应，工作频带在非谐振区，将a大小控制在四分之一到二分之一自由波长进行参数优化。

3.如权利要求2所述的一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：参数优化结果满足透射系数大于0.85，单元相移变化曲线相位覆盖360°，不同频率下的单元相移曲线彼此保持平行且线性。

4.如权利要求1所述的一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：所述上层矩形介质块和下层矩形介质块均为介电常数为9.8、损耗角正切为0.004的介质材料。

5.如权利要求1所述的一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：所述超表面的焦径比为0.78。

6.如权利要求1所述的一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：所述超表面阵面的补偿相位由下式计算得到：

7.如权利要求1所述的一种宽带双层全介质透射型超表面，其特征在于：所述下层矩形介质块的高度由计算出的超表面阵面的补偿相位结合单元相移变化曲线得到。

技术总结
本发明属于天线技术领域，涉及一种透射型超表面，具体涉及一种宽带双层全介质透射型超表面。包括大小不同且上下堆叠的上层矩形介质块和下层矩形介质块；一个上层矩形介质块和一个下层矩形介质块组成一个基本单元，N×N个基本单元进行周期性排布组成正方形的宽带双层全介质透射型超表面；上层矩形介质块和下层矩形介质块的横向截面为正方形；上层矩形介质块的尺寸小于下层矩形介质块，上层矩形介质块随下层矩形介质块等比例变化。本发明通过改变单元尺寸的方法实现相位补偿，这种方法具有较高的辐射效率和较低的损耗，加工也更简单。

技术研发人员：李斌,姜惠文,郭珈铭,胡伟东,孙厚军
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16