一种惠更斯超表面单元及平面透射阵天线制造技术

本发明专利技术公开了一种惠更斯超表面单元及平面透射阵天线，涉及惠更斯超表面设计领域，该惠更斯超表面单元，包括：介质基板、上层金属结构和下层金属结构；上、下层金属结构分别对应设置在介质基板的上、下表面；两层金属结构反对称；每层金属结构均包括：第一金属层和与第一金属层均垂直的第二金属层、可变金属层和第三金属层；第一金属层的两端分别对应连接第二、第三金属层的第一端；可变金属层位于第二金属层与第三金属层之间，且第一端与第一金属层连接；上层金属结构在介质基板的下表面上的投影与下层金属结构具有重叠区域；当入射波射入惠更斯超表面单元时，通过调节可变金属层的长度使透射相位发生变化。本发明专利技术结构简单，便于设计和加工。于设计和加工。于设计和加工。

【技术实现步骤摘要】
一种惠更斯超表面单元及平面透射阵天线


[0001]本专利技术涉及惠更斯超表面设计领域，特别是涉及一种惠更斯超表面单元及平面透射阵天线。

技术介绍

[0002]超表面是一种平面型超材料，与传统三维超材料相似，超表面同样具有的强大的电磁波调控能力。超表面通常分为反射和透射两种类型，然后对于透射型超表面而言，采用单层或者双层金属结构很难同时实现高透射率和360
°
的透射相位控制。
[0003]传统的超表面想要在保持高透射率的情况下实现360
°
透射相位控制，至少需要三层金属结构。然而多层金属透射结构复杂，制作工艺难度大，成本高，这就给超表面结构的小型化和加工带来了麻烦。惠更斯超表面作为一种新型超表面，其单元结构由电谐振部分和磁谐振部分组成，分别对电场和磁场进行调控，从而实现对电磁波的自由调控。惠更斯超表面极大拓展了超表面调控电磁波的自由度，使得只采用一层介质板和两层金属结构就能同时实现高透射率和360
°
的透射相位控制。由于惠更斯超表面对电磁波出色的调控能力，被广泛应用于波束偏转、平板透镜、极化转换器、成像系统等的设计，因而受到了人们的广泛关注。
[0004]近年来，已有学者设计出了不同的惠更斯超表面单元。如中国专利公开号为CN110380222A的专利文献公开了一种惠更斯超表面单元。其单元包括介质基板、位于介质基板上表面的上层金属层和位于介质基板下表面的下层金属层，上层金属层和下层金属层均包括开口金属谐振环，在金属谐振环内部镶嵌有金属贴片，且上层金属层的开口金属谐振环和下层金属层的开口金属谐振环的开口位置反对称。所述单元结构工作在13GHz，同时改变单元的两个结构参数，其可以在保持传输损耗高于
‑
2.5dB的情况下实现360
°
透射相位控制。中国专利公开号为CN109994836A的专利文献公开了一种惠更斯超表面单元。所述超表面透射单元由两层轴对称的复合金属结构以及一层介质板组成，其中上层复合金属结构由两个相互连接的同心圆弧构成，同心圆弧的开口向上；下层复合金属结构则与上层复合金属结构关于轴对称，下层复合金属结构的同心圆弧开口向下，外圆弧存在交叠区。所述单元工作在24GHz、26GHz和28GHz时，透射相位总共可以调节405
°
、427
°
和481
°
，同时传输损耗均高于
‑
2.3dB，但其单元也需要同时调节两个结构参数。
[0005]上述专利的惠更斯超表面单元能在较高透射率的情况下实现360
°
透射相位控制，但其单元都需要改变两个或以上的结构参数才能实现。这使得控制不同透射相位单元之间的结构差异较大，使得设计超表面阵列和加工的过程变得复杂繁琐。

技术实现思路

[0006]基于此，本专利技术实施例提供一种惠更斯超表面单元及平面透射阵天线，结构简单，便于设计和加工。
[0007]为实现上述目的，本专利技术实施例提供了如下方案：
[0008]一种惠更斯超表面单元，包括：介质基板和两层相同的金属结构；两层金属结构分别为上层金属结构和下层金属结构；
[0009]所述上层金属结构位于所述介质基板的上表面；所述下层金属结构位于所述介质基板的下表面；所述上层金属结构和所述下层金属结构关于所述介质基板反对称；
[0010]所述金属结构，包括：第一金属层和与所述第一金属层均垂直的第二金属层、可变金属层和第三金属层；所述第一金属层的第一端连接所述第二金属层的第一端，所述第一金属层的第二端连接所述第三金属层的第一端；所述可变金属层的第一端与所述第一金属层连接，所述可变金属层位于所述第二金属层和所述第三金属层之间；
[0011]所述上层金属结构在所述介质基板的下表面上的投影与所述下层金属结构具有重叠区域；
[0012]当入射波射入惠更斯超表面单元时，通过调节所述可变金属层的长度使透射相位发生变化。
[0013]可选地，所述上层金属结构的第二金属层在所述介质基板的下表面上的投影与所述下层金属结构的第二金属层具有第一重叠区域；所述上层金属结构的第三金属层在所述介质基板的下表面上的投影与所述下层金属结构的第三金属层具有第二重叠区域；
[0014]所述第一重叠区域为所述第二金属层上从所述第二金属层的第二端为起点的一段区域；所述第二重叠区域为所述第三金属层上从所述第三金属层的第二端为起点的一段区域；所述第一重叠区域与所述第二重叠区域的长度相等。
[0015]可选地，所述可变金属层的第一端与所述第一金属层的中点连接；
[0016]所述可变金属层与所述第二金属层之间的距离等于第一非重叠区域的长度；所述第一非重叠区域为所述第二金属层上除所述第一重叠区域之外的区域。
[0017]可选地，所述第二金属层和所述第三金属层的宽度均为0.2mm；所述第二金属层和所述第三金属层的长度均为3.4mm；所述可变金属层的长度的调整范围为0mm～4.4mm。
[0018]可选地，所述第一重叠区域和所述第二重叠区域的长度均为1.3mm。
[0019]可选地，所述介质基板的上表面和下表面均为正方形。
[0020]可选地，所述介质基板的上表面和下表面的边长均为5.2mm；所述介质基板的厚度为1.5mm。
[0021]可选地，所述介质基板的介电常数为2.2，所述介质基板的损耗角的正切值为0.001。
[0022]本专利技术还提供了一种平面透射阵天线，包括：透射阵列和馈源喇叭；所述透射阵列与所述馈源喇叭连接；所述透射阵列包括多个上述的惠更斯超表面单元。
[0023]可选地，所述透射阵列中各个所述惠更斯超表面单元的位置和结构参数是采用基于高斯随机过程代理模型的多目标优化算法确定的；所述结构参数，包括：第二金属层的长度、可变金属层的长度和第三金属层的长度。
[0024]根据本专利技术提供的具体实施例，本专利技术公开了以下技术效果：
[0025]本专利技术实施例提出了一种惠更斯超表面单元及平面透射阵天线，该惠更斯超表面单元只有单层介质基本和两层金属结构，结构简单，是一种薄的超表面单元，易于实现小型化，具有更高的透射率和更大的透射相位控制范围；惠超表面单元的金属结构为“E”字型，只需要改变一个结构参数(即可变金属层的长度)，就能实现传输幅度
‑
2dB以内，360
°
的透
射相位连续控制，惠更斯超表面单元需要改变的结构参数少，结构变化简单，在超表面布阵与加工方面更容易；基于惠更斯超表面单元设计的平面透射阵天线，结构简单，成本低，便于设计和加工。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惠更斯超表面单元，其特征在于，包括：介质基板和两层相同的金属结构；两层金属结构分别为上层金属结构和下层金属结构；所述上层金属结构位于所述介质基板的上表面；所述下层金属结构位于所述介质基板的下表面；所述上层金属结构和所述下层金属结构关于所述介质基板反对称；所述金属结构，包括：第一金属层和与所述第一金属层均垂直的第二金属层、可变金属层和第三金属层；所述第一金属层的第一端连接所述第二金属层的第一端，所述第一金属层的第二端连接所述第三金属层的第一端；所述可变金属层的第一端与所述第一金属层连接，所述可变金属层位于所述第二金属层和所述第三金属层之间；所述上层金属结构在所述介质基板的下表面上的投影与所述下层金属结构具有重叠区域；当入射波射入惠更斯超表面单元时，通过调节所述可变金属层的长度使透射相位发生变化。2.根据权利要求1所述的惠更斯超表面单元，其特征在于，所述上层金属结构的第二金属层在所述介质基板的下表面上的投影与所述下层金属结构的第二金属层具有第一重叠区域；所述上层金属结构的第三金属层在所述介质基板的下表面上的投影与所述下层金属结构的第三金属层具有第二重叠区域；所述第一重叠区域为所述第二金属层上从所述第二金属层的第二端为起点的一段区域；所述第二重叠区域为所述第三金属层上从所述第三金属层的第二端为起点的一段区域；所述第一重叠区域与所述第二重叠区域的长度相等。3.根据权利要求2所述的惠更斯超表面单元，其特征在于，所述可变金属层的第一端与所述第一金属层的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁大维，李广，杨利霞，黄志祥，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：