一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法技术

本发明专利技术公开了一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法。本发明专利技术采用天线馈源集成在全息阻抗调制表面中心上，全息阻抗调制表面包括多个阻抗调制单元，相应连接至电压控制网络的一个节点，通过电压控制网络的节点电压控制相应的阻抗调制单元的表面阻抗，当全息阻抗调制表面的阻抗分布满足相干调制时，天线馈源产生的表面波源场会转化为目标辐射场向空间辐射；本发明专利技术不需要复杂的移相和馈电网络，拥有剖面低的优势，而且避免了在辐射方向上的馈源遮挡问题；解决了在固定工作频率上辐射的极化方式不能改变与辐射角度不能改变这两个问题；本发明专利技术以其低剖面、利于集成、目标波束可重构等优点，在微波通信系统中有着非常大的优势和发展前景。

【技术实现步骤摘要】
一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法
本专利技术涉及微波通信技术，具体涉及一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法。
技术介绍
随着通信技术的发展，传统的单功能天线已经很难满足日益增长的通信需求，可重构天线可以在一个天线中实现波束角度控制，极化方式控制，工作频段控制等要求，大大拓宽了天线的使用场景，成为了在复杂通信场景下简化天线系统的有效解决方案。其中，由于高增益天线辐射波束极窄的特性，无法覆盖多方位用户的通信需求，所以辐射波束扫描能力在高增益定向天线中非常重要；同时，极化可重构能力可以实现通信上的频率复用，提高通信系统容量。因此，同时拥有极化可重构能力和波束扫描能力的天线可以减小通信系统收发模块的复杂度，提升通信系统的通信质量。目前对于极化可重构的波束扫描二维天线的实现方式主要有两种：1)相控阵天线，通过调整各个天线单元的馈电相位，使天线在不同极化方式下实现辐射波束的扫描，这种方式需要复杂的移相和馈电网络，成本高，系统复杂；2)电控波束可重构反射阵，通过对反射阵面上的相位分布进行实时调控，使天线在不同极化方式下实现辐射波束的扫描，这种方式需要在阵面的辐射面放置照射反射阵面的馈源喇叭，由于喇叭遮挡，馈源方向的辐射波束性能会恶化，且在阵面外置的馈源会增大天线系统的体积。
技术实现思路
为了解决了传统全息天线在固定工作频率上辐射的极化方式不能改变与辐射角度不能改变这两个问题，本专利技术提出了一种极化可重构的二维波束扫描全息天线及其实现方法，具有低剖面、利于集成、波束可重构等优点，在微波通信系统中有着非常大的优势和发展前景。本专利技术的一个目的在于提出一种极化可重构的二维波束扫描全息天线。本专利技术的极化可重构的二维波束扫描全息天线包括：全息阻抗调制表面、电压控制网络和天线馈源；全息阻抗调制表面连接至电压控制网络，在全息阻抗调制表面的中心设置天线馈源；其中，全息阻抗调制表面包括V×H个阻抗调制单元或V×H-1个阻抗调制单元，当V和H不全为奇数时，包括V×H个阻抗调制单元，当V和H均为奇数时，中心的位置被天线馈源占据，包括V×H-1个阻抗调制单元，每一个阻抗调制单元包括上层基板、底层基板、金属地板、阻抗调制贴片、变容二极管、接地金属通孔和中心金属通孔；上层基板和底层基板分别为平板状，二者之间设置金属地板，金属地板接地；在上层基板的上表面中心设置阻抗调制贴片，阻抗调制贴片的形状为中心对称的图形；在阻抗调制贴片的边缘设置关于x轴和y轴均对称的L个变容二极管，L为≥2的自然数，变容二极管的导通方向指向阻抗调制贴片的中心；在阻抗调制贴片外，与每一个变容二极管相对应，开设有贯穿上层基板的上表面至金属地板的L个接地金属通孔，变容二极管的负极连接阻抗调制贴片，每一个变容二极管的正极通过相应的接地金属通孔连接至金属地板；在阻抗调制贴片下，开设有贯穿上层基板的上表面至底层基板的下表面的中心金属通孔，并且中心金属通孔与金属地板之间绝缘，阻抗调制贴片通过中心金属通孔连接电压控制网络；所有阻抗调制单元的上层基板、底层基板和金属地板的边缘紧密贴合连接成一个整体；电压控制网络包括FPGA(现场可编程逻辑门阵列)控制单元、变压单元和V×H个或V×H-1个节点；FPG控制单元连接至变压单元；与每一个阻抗调制单元向对应，变压单元伸出V×H个或V×H-1节点，节点为导线，V×H个或V×H-1节点分别连接至相对应的与V×H或V×H-1个阻抗调制单元的中心金属通孔；天线馈源为单极子天线，竖直的设立在全息阻抗调制表面的中心；根据FDTD(时域有限差分法)得到阻抗调制单元的色散曲线，通过阻抗调制单元的色散曲线得到阻抗调制单元的本征频率，通过本征频率得到阻抗调制单元的表面阻抗；表面阻抗与电容有关，电压控制网络的每一个节点向相应的阻抗调制单元施加电压，通过阻抗调制贴片向多个变容二极管加载反向偏置电压，电压控制网络的节点的电压变化导致变容二极管加载的反向偏置电压的变化，加载的反向偏置电压的变化控制多个变容二极管的电容同时变化，实现通过电压控制网络的节点电压控制阻抗调制单元的电容，从而控制对应的阻抗调制单元的表面阻抗；通过电容与表面阻抗的关系得到表面阻抗曲线；根据每一个阻抗调制单元的表面阻抗曲线，得到整个全息阻抗调制表面的阻抗分布；全息阻抗调制表面的阻抗分布由表面波源场和目标辐射场干涉而成，当全息阻抗调制表面的阻抗分布满足相干调制时，位于全息阻抗调制表面中心的天线馈源产生的表面波源场会转化为目标辐射场向空间辐射；并且通过特定的阻抗分布能够得到特定的辐射角度和极化方向的目标波束，从而实现利用阻抗调制单元的表面阻抗与电压控制网络对应节点的电压分布关系，能够将目标波束的极化方式和辐射角度的阻抗分布映射到电压控制网络的各个节点的电压分布上，从而使电压控制网络的电压分布控制极化可重构的二维波束扫描全息天线的辐射角度和极化方向。阻抗调制贴片采用导电性较好的金属，金属为铜、铝或铝合金。每一个阻抗调制单元的阻抗调制贴片的尺寸相同，并且变容二极管的型号也相同。阻抗调制单元的上层基板和底层基板的形状为正方形，阻抗调制单元的边长a即为上层基板和底层基板的正方形的边长，阻抗调制贴片的水平尺度小于阻抗调制单元的边长。V和H为≥λ0/a的自然数，λ0为极化可重构的二维波束扫描全息天线工作频率下的自由空间波长，a为阻抗调制单元的边长。本专利技术的另一个目的在于提出一种极化可重构的二维波束扫描全息天线的实现方法。本专利技术的极化可重构的二维波束扫描全息天线的实现方法，包括以下步骤：1)根据FDTD(时域有限差分法)得到阻抗调制单元的色散曲线，通过阻抗调制单元的色散曲线得到阻抗调制单元的本征频率，通过本征频率得到阻抗调制单元的表面阻抗Z：其中，η0为自由空间波阻抗，c为自由空间光速，a为阻抗调制单元的边长，φx为表面波在x方向跨越阻抗调制单元所对应的相位差，ω为阻抗调制单元的本征频率；表面阻抗与电容有关，通过电压控制网络的每一个节点向相应的阻抗调制单元施加电压，通过阻抗调制贴片向多个变容二极管加载反向偏置电压，电压控制网络的节点的电压变化导致变容二极管加载的反向偏置电压的变化，加载的反向偏置电压的变化控制多个变容二极管的电容同时变化，实现通过电压控制网络的节点电压控制阻抗调制单元的电容，从而控制对应的阻抗调制单元的表面阻抗；2)通过电容与表面阻抗的关系得到表面阻抗曲线；根据每一个阻抗调制单元的表面阻抗曲线，得到整个全息阻抗调制表面的阻抗分布，从而将全息阻抗调制表面的阻抗分布与电压控制网络的电压分布相联系；3)全息阻抗调制表面的阻抗分布由表面波源场和目标辐射场干涉而成，当全息阻抗调制表面的阻抗分布Z(x，y)满足相干调制分布时：其中，Xs为阻抗调制单元的平均阻抗值，M为阻抗调制深度，ψrad和分别为极化可重构的二维波束扫描全息天线的目标辐射场和表面波源场的共轭；4)并且通过特定的阻抗分布能够得到特定的辐射角度和极化方向的目标波束，从而实现利用阻抗调制单元的表面阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述极化可重构的二维波束扫描全息天线包括：全息阻抗调制表面、电压控制网络和天线馈源；全息阻抗调制表面连接至电压控制网络，在全息阻抗调制表面的中心设置天线馈源；其中，/n全息阻抗调制表面包括V×H个阻抗调制单元或V×H-1个阻抗调制单元，当V和H不全为奇数时，包括V×H个阻抗调制单元，当V和H均为奇数时，中心的位置被天线馈源占据，包括V×H-1个阻抗调制单元，每一个阻抗调制单元包括上层基板、底层基板、金属地板、阻抗调制贴片、变容二极管、接地金属通孔和中心金属通孔；上层基板和底层基板分别为平板状，二者之间设置金属地板，金属地板接地；在上层基板的上表面中心设置阻抗调制贴片，阻抗调制贴片的形状为中心对称的图形；在阻抗调制贴片的边缘设置关于x轴和y轴均对称的L个变容二极管，L为≥2的自然数，变容二极管的导通方向指向阻抗调制贴片的中心；在阻抗调制贴片外，与每一个变容二极管相对应，开设有贯穿上层基板的上表面至金属地板的L个接地金属通孔，变容二极管的负极连接阻抗调制贴片，每一个变容二极管的正极通过相应的接地金属通孔连接至金属地板；在阻抗调制贴片下，开设有贯穿上层基板的上表面至底层基板的下表面的中心金属通孔，并且中心金属通孔与金属地板之间绝缘，阻抗调制贴片通过中心金属通孔连接电压控制网络；所有阻抗调制单元的上层基板、底层基板和金属地板的边缘紧密贴合连接成一个整体；/n电压控制网络包括现场可编程逻辑门阵列FPGA控制单元、变压单元和V×H个或V×H-1个节点；FPG控制单元连接至变压单元；与每一个阻抗调制单元向对应，变压单元伸出V×H个或V×H-1节点，节点为导线，V×H个或V×H-1节点分别连接至相对应的与V×H或V×H-1个阻抗调制单元的中心金属通孔；/n天线馈源竖直的设立在全息阻抗调制表面的中心；/n根据时域有限差分法FDTD得到阻抗调制单元的色散曲线，通过阻抗调制单元的色散曲线得到阻抗调制单元的本征频率，通过本征频率得到阻抗调制单元的表面阻抗；表面阻抗与电容有关，电压控制网络的每一个节点向相应的阻抗调制单元施加电压，通过阻抗调制贴片向多个变容二极管加载反向偏置电压，电压控制网络的节点的电压变化导致变容二极管加载的反向偏置电压的变化，加载的反向偏置电压的变化控制多个变容二极管的电容同时变化，实现通过电压控制网络的节点电压控制阻抗调制单元的电容，从而控制对应的阻抗调制单元的表面阻抗；通过电容与表面阻抗的关系得到表面阻抗曲线；根据每一个阻抗调制单元的表面阻抗曲线，得到整个全息阻抗调制表面的阻抗分布；全息阻抗调制表面的阻抗分布由表面波源场和目标辐射场干涉而成，当全息阻抗调制表面的阻抗分布满足相干调制时，位于全息阻抗调制表面中心的天线馈源产生的表面波源场会转化为目标辐射场向空间辐射；并且通过特定的阻抗分布能够得到特定的辐射角度和极化方向的目标波束，从而实现利用阻抗调制单元的表面阻抗与电压控制网络对应节点的电压分布关系，能够将目标波束的极化方式和辐射角度的阻抗分布映射到电压控制网络的各个节点的电压分布上，从而使电压控制网络的电压分布控制极化可重构的二维波束扫描全息天线的辐射角度和极化方向。/n...

【技术特征摘要】
1.一种极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述极化可重构的二维波束扫描全息天线包括：全息阻抗调制表面、电压控制网络和天线馈源；全息阻抗调制表面连接至电压控制网络，在全息阻抗调制表面的中心设置天线馈源；其中，
全息阻抗调制表面包括V×H个阻抗调制单元或V×H-1个阻抗调制单元，当V和H不全为奇数时，包括V×H个阻抗调制单元，当V和H均为奇数时，中心的位置被天线馈源占据，包括V×H-1个阻抗调制单元，每一个阻抗调制单元包括上层基板、底层基板、金属地板、阻抗调制贴片、变容二极管、接地金属通孔和中心金属通孔；上层基板和底层基板分别为平板状，二者之间设置金属地板，金属地板接地；在上层基板的上表面中心设置阻抗调制贴片，阻抗调制贴片的形状为中心对称的图形；在阻抗调制贴片的边缘设置关于x轴和y轴均对称的L个变容二极管，L为≥2的自然数，变容二极管的导通方向指向阻抗调制贴片的中心；在阻抗调制贴片外，与每一个变容二极管相对应，开设有贯穿上层基板的上表面至金属地板的L个接地金属通孔，变容二极管的负极连接阻抗调制贴片，每一个变容二极管的正极通过相应的接地金属通孔连接至金属地板；在阻抗调制贴片下，开设有贯穿上层基板的上表面至底层基板的下表面的中心金属通孔，并且中心金属通孔与金属地板之间绝缘，阻抗调制贴片通过中心金属通孔连接电压控制网络；所有阻抗调制单元的上层基板、底层基板和金属地板的边缘紧密贴合连接成一个整体；
电压控制网络包括现场可编程逻辑门阵列FPGA控制单元、变压单元和V×H个或V×H-1个节点；FPG控制单元连接至变压单元；与每一个阻抗调制单元向对应，变压单元伸出V×H个或V×H-1节点，节点为导线，V×H个或V×H-1节点分别连接至相对应的与V×H或V×H-1个阻抗调制单元的中心金属通孔；
天线馈源竖直的设立在全息阻抗调制表面的中心；
根据时域有限差分法FDTD得到阻抗调制单元的色散曲线，通过阻抗调制单元的色散曲线得到阻抗调制单元的本征频率，通过本征频率得到阻抗调制单元的表面阻抗；表面阻抗与电容有关，电压控制网络的每一个节点向相应的阻抗调制单元施加电压，通过阻抗调制贴片向多个变容二极管加载反向偏置电压，电压控制网络的节点的电压变化导致变容二极管加载的反向偏置电压的变化，加载的反向偏置电压的变化控制多个变容二极管的电容同时变化，实现通过电压控制网络的节点电压控制阻抗调制单元的电容，从而控制对应的阻抗调制单元的表面阻抗；通过电容与表面阻抗的关系得到表面阻抗曲线；根据每一个阻抗调制单元的表面阻抗曲线，得到整个全息阻抗调制表面的阻抗分布；全息阻抗调制表面的阻抗分布由表面波源场和目标辐射场干涉而成，当全息阻抗调制表面的阻抗分布满足相干调制时，位于全息阻抗调制表面中心的天线馈源产生的表面波源场会转化为目标辐射场向空间辐射；并且通过特定的阻抗分布能够得到特定的辐射角度和极化方向的目标波束，从而实现利用阻抗调制单元的表面阻抗与电压控制网络对应节点的电压分布关系，能够将目标波束的极化方式和辐射角度的阻抗分布映射到电压控制网络的各个节点的电压分布上，从而使电压控制网络的电压分布控制极化可重构的二维波束扫描全息天线的辐射角度和极化方向。


2.如权利要求1所述的极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述阻抗调制贴片采用导电性好的金属。


3.如权利要求1所述的极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述阻抗调制贴片采用导电性好的金属。


4.如权利要求3所述的极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述阻抗调制贴片采用铜、铝或铝合金。


5.如权利要求1所述的极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述天线馈源为单极子天线。


6.如权利要求1所述的极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，所述阻抗调制单元的上层基板和底层基板的形状为正方形，阻抗调制单元的边长a即为上层基板和底层基板的正方形的边长，λ0为极化可重构的二维波束扫描全息天线工作频率下的自由空间波长。


7.如权利要求1所述的极化可重构的二维波束扫描全息天线，其特征在于，V和H为≥λ0/a的自然数，λ0为极化可重构的二维波束扫描全息天线工作频率下的自由空间波长，a为阻抗调制单元的边长。


8.一种如权利要求1所述的极化可重构的二维...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭云华，王艺东，王迪，杜朝海，刘濮鲲，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11