一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法

本发明涉及通信，尤其涉及一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法。

背景技术：

1、随着新一代移动通信技术(b5g/6g)的快速发展，迫切需要大带宽、高增益、高效率、低剖面、低成本的天线。作为一种高增益天线的实现形式，透射阵列天线的主要优势在于高增益、高效率、无遮挡、成本低等，近年来引起了学术界以及工业界的广泛关注。目前经典的透射阵列天线有三种主要形式：多层频率选择结构、接收-再传输结构、超表面传输结构。其中，多层频率选择结构和接收-再传输结构至少需要三层结构才能实现所需的360°传输相位覆盖范围，往往剖面高，结构复杂，制造难度大。超表面传输结构则具有低于3层结构的低剖面，但效率低，并且工作带宽窄。因此，如何实现宽带、高效率，同时具有低剖面的透射阵列天线是亟待研究和攻克的技术难题。

2、近年来的研究发现，惠更斯超表面可以同时激发电谐振和磁谐振，当电谐振和磁谐振达到平衡时，即可实现损耗近似为零的高效率传输，因此，由惠更斯超表面构成的透射阵列天线由于高效调控电磁波的能力备受关注。然而，惠更斯超表面的谐振被激发时工作带宽非常窄，窄带的工作带宽限制了惠更斯超表面的进一步应用。

技术实现思路

1、为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种宽带惠更斯超表面单元、透射阵列天线及设计方法。

2、本发明采用的第一技术方案如下：

3、一种宽带惠更斯超表面单元，包括：

4、超表面单元层，所述超表面单元层包括上层超表面单元层和下层超表面单元层；所述上层超表面单元由内层和外层嵌套的两个金属微带谐振体构成；所述下层超表面单元与所述上层超表面单元层的结构相同，且与所述上层超表面单元关于单元中心呈旋转对称关系，形成双惠更斯谐振状态和紧耦合状态；

5、介质层，所述介质层位于所述上层超表面单元层和下层超表面单元层之间；

6、其中，所述双惠更斯谐振状态由上、下层超表面单元的内层和外层嵌套的金属微带谐振体分别形成两对惠更斯谐振构成，以提供接近于0db的传输幅度，建立起低损耗传输的惠更斯超表面单元；所述紧耦合状态由内外层嵌套的金属微带谐振体构成，以提供宽带的惠更斯超表面单元工作带宽。

7、进一步地，所述双惠更斯谐振状态，是指在预设带宽内同时激励起两个或两个以上谐振频率接近的惠更斯谐振，获得多个临近的传输零点，以提升惠更斯超表面单元的谐振带宽；

8、所述紧耦合状态，是指内外层金属微带谐振体的谐振频率之差低于中心频率的20％，同时相位带宽因子小于1，以提升惠更斯超表面单元的相位带宽。

9、进一步地，所述紧耦合状态的表达式为：

10、

11、式中，f0是中心频率，f1、f2是内外层金属微带谐振体的谐振频率；为相位带宽因子定义，用于描述透射单元的相位带宽大小，定义式如下：

12、

13、式中，是惠更斯超表面单元在中心频率处的透射相位值，是预设带宽内单元的相位覆盖范围；相位带宽因子表示中心频率处相位值和所实现相位覆盖范围的比值。

14、进一步地，所述超表面单元层中金属微带谐振体的结构包括开口多边形、开口圆弧形、矩形、圆形、扇形或者椭圆形；

15、通过调控所述两个金属微带谐振体的谐振频率，以调控所述宽带惠更斯超表面单元的带宽、传输幅度和/或传输相位，进而实现传输相位覆盖360°、传输幅度大于-1.5db的惠更斯超表面单元组合。

16、进一步地，所述上层超表面单元的外层金属微带谐振体包括两条第一方向臂和一条第二方向臂，两条所述第一方向臂均与所述第二方向臂垂直连接；

17、所述上层超表面单元的内层金属微带谐振体包括两条第三方向臂和一条第四方向臂，两条所述第三方向臂均与所述第四方向臂垂直连接；

18、其中，所述第一方向臂与第三方向臂平行，且第一方向臂的长度大于第三方向臂的长度；所述第二方向臂与第四方向臂平行，且第二方向臂的长度大于第四方向臂的长度。

19、进一步地，所述宽带惠更斯超表面单元的激励方式为单线极化激励，所述单线极化激励包括x极化、y极化或者±45°极化，激励的极化方向沿着金属微带谐振体的主极化方向。

20、进一步地，所述宽带惠更斯超表面单元采用的基板包括但不限于印刷电路板(pcb)单层介质基板、低温共烧陶瓷(ltcc)基板，由其余单层形式的介质基板所构成的宽带惠更斯超表面单元均在本发明保护之内。

21、本发明所采用的第二技术方案是：

22、一种针对如上所述的宽带惠更斯超表面单元的设计方法，包括以下步骤：

23、将内层与外层金属微带谐振体的金属臂长度和间隙距离作为调控参数；

24、通过调控参数的匹配组合，使宽带惠更斯超表面单元满足双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，以提升惠更斯超表面单元的谐振带宽和相位带宽，进而实现宽带惠更斯超表面单元。

25、本发明所采用的第三技术方案是：

26、一种宽带惠更斯透射阵列天线，包括：

27、宽带惠更斯超表面阵列，由多个如上所述的宽带惠更斯超表面单元按照预设规律排布组成；

28、馈源天线，作为所述宽带惠更斯透射阵列天线的馈源，用于提供覆盖宽带惠更斯超表面阵列的波束宽度。

29、进一步地，所述宽带惠更斯超表面阵列中的每个所述宽带惠更斯超表面单元所需的传输相位通过下式进行计算：

30、

31、式中，ri是馈源相位中心到编号为i的阵面单元之间的距离，f是馈源相位中心到阵面的焦距，k0是预设频率下的自由空间波数，是引入的参考相位；

32、其中，所选取的焦距与阵面口径的比值，使馈源照射到所述透射阵面的边缘区域照射信号强度较中央区域的照射信号强度下降10db。

33、进一步地，根据计算所得的所需传输相位数值，对所述宽带惠更斯超表面单元组合进行索引，可得到每个单元具体的尺寸参数。

34、进一步地，所述宽带惠更斯超表面阵列为方形布阵的方形阵列、方形布阵的圆形阵列或者三角形布阵的方形阵列；

35、馈源类型包括喇叭馈源、维瓦尔第天线馈源或者贴片天线阵列馈源，馈源入射波束与阵面的夹角为预设角度。

36、本发明所采用的第四技术方案是：

37、一种针对如上所述的宽带惠更斯透射阵列天线的设计方法，包括以下步骤：

38、在惠更斯透射阵列天线的阵面计算中引入参考相位使阵列实际相位和所需相位的相位误差值低于预设值，进而实现宽带惠更斯透射阵列天线。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

40、(1)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元，包括单层介质基板以及由内层与外层金属微带谐振体构成的金属贴片单元，获得平缓的0-360°反射相位覆盖与低于1.5db的透射损耗，具有紧凑的结构和简单的设计优势。

41、(2)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元，通过构造双惠更斯谐振状态和紧耦合状态，可同时实现惠更斯超表面单元谐振带宽和相位带宽的提升，突破了现有单谐振惠更斯单元构造的限制，获得了比以往惠更斯超表面单元更宽的损耗带宽和相位带宽。

42、(3)本发明提出的宽带惠更斯透射阵列天线，与以往的惠更斯透射阵列研究相比，同时兼顾带宽和效率，获得了更宽的3-db增益带宽(33％)和更高的辐射口径效率(49.65％)，在以往的设计中很少能做到带宽和效率的兼顾。

43、(4)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元与透射阵列天线的设计方法，突破了现有设计方法的限制，使惠更斯超表面单元和惠更斯透射阵列的性能都获得大幅提升，并且方法具有通用性，适用于不同频段的宽带、高效率透射超表面的设计需求。

44、(5)本发明提出的宽带惠更斯超表面单元及宽带惠更斯透射阵列天线，仅由单层介质基板和双面的金属结构构成，无需金属通孔结构，与以往透射阵天线单元相比，结构简单，加工容易，剖面低，成本低，便于大规模生产，可广泛应用于毫米波及太赫兹频段的宽带、高效率透射阵列器件中。