一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，尤其涉及一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线。

背景技术

工程应用上常用的高增益天线包括反射面天线和阵列天线。反射面天线虽然具有高增益和大带宽的优点，但是由于其体积庞大，安装复杂，大部分适用于地面或者舰载雷达上工作，对于星载和机载，反射面天线的使用较少。平面阵列天线的重量较轻，辐射增益高，可以波束赋形，然而它复杂的馈电网络带来的损耗，以及有源集成电路带来的高昂的造价，也成为一个不可忽视的缺点。所以，一种结合了反射面天线和平面阵列天线特点的平面反射阵天线被提了出来。它是由馈源在等效焦点处照射到平面反射阵面上，经过单元的相位补偿形成平面波阵面，产生高定向性的笔形波束。反射阵天线采用空间馈电减小了馈电网络的损耗，并且具有平面阵列天线低重量、小体积、低造价和易于波束扫描等优点，也具有反射面天线高增益的优点。但是由于微带贴片自带的窄带特点，导致反射阵天线的带宽一般较小，并且旁瓣电平也会相对偏大，因此宽带、高增益和低旁瓣的反射阵天线成为一个重要的并且热门的研究方向，具有广泛的应用前景，发展也十分迅速。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：反射面天线体积庞大，安装复杂，平面阵列天线馈电网络损耗大，造价高昂。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线。

本发明是这样实现的，一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线，由具有相位梯度变化特征的双环微带超表面阵列和馈源喇叭组成，双环微带超表面阵列由环形微带超表面单元构成，馈源喇叭由波导和喇叭口组成；双环微带超表面单元由介质基板、介质基板上表面的方环金属结构薄层和金属贴片薄层组成；其中，方环结构和贴片均呈中心旋转对称，方环结构的四边分别与x轴和y轴平行；每一个双环微带超表面单元中的方环金属结构和金属贴片的宽度按照相位分布排列，所有单元组成了具有聚焦、准直与高反射功能的反射阵列。

进一步，环形微带超表面结构单元中的方环金属结构薄层和金属贴片薄层，分别满足中心旋转对称。

进一步，电介质板的厚度h与结构单元周期P的关系满足倍数0.133-0.625。

进一步，电介质基板的的材料可以选用Polyimide(聚酰亚胺)、Polyethylene(聚乙烯)、Rogers(罗杰斯材料)、BCB(苯并环丁烯)、石英、高阻硅、PCB(印制电路板)等。电介质基板上表面的方环金属结构薄层和金属贴片薄层的材料可以选用金、银、铝、铜等高电导率材料。

进一步，超构反射面是由一系列的环形微带超表面结构单元组成的M×N的反射阵列，M和N的大小满足能够使得反射阵列的总的边长大于至少5倍的工作波长，并且组成超构反射阵列的每一个超构单元中的方环金属结构和金属贴片的宽度按照相位分布排列。

进一步，馈源喇叭为超构反射阵列提供激励，为了将这个入射的准球面波经由超构反射阵列反射后转化为平面波，反射阵列上的每一个环形微带超表面结构单元都要满足相位分布公式或者相位补偿公式：

其中的mP、nP为x轴或者y轴方向的第m行第n列个单元的中心点坐标(其z轴坐标为零)，m＝0，1，2，......，M；n＝0，1，2，......，N，P表示单元周期；反射阵列的焦距f为馈源相位中心z坐标的值；定向波束传播方向可以取零度，也可以取任意的其它方向所对应的度数，在此取为零度；相位补偿

进一步，环形微带超表面单元在x轴或者y轴方向上的个数为d/P。

本发明的另一目的在于提供一种实现所述的基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线的生成方法，包含以下步骤：

S1：根据所需要的调制功能，优化设计出高反射的各环形微带超表面单元反射结构，并计算出每一个单元结构所产生的反射相位和反射系数；

S2：根据相位补偿公式：

S3：根据求出的微带面反射阵列中各个单元的反射相位(反射相位矩阵)，计算出与之相对应的阵列尺寸分布图；

S4：根据求出的反射阵列中各个环形微带超构单元的尺寸，进行反射阵列的布阵，得到微带面超构反射阵列的反射拓扑结构，反射阵面拓扑结构的尺寸分布图与阵列尺寸分布图恰好保持一致；

S5：优化设计馈源喇叭天线，注意其半角大小和微带面超构反射阵列的口径、焦距相匹配，通过扫描馈源位置参数进行计算，以得喇叭天线的相位中心与微带面超构反射阵列的焦点相重合，从而将喇叭辐射的准球面波变为准直的平面波；

S6：得出反射阵列后，增加波导喇叭天线作为反射阵的馈源，注意馈源的波束宽度范围、馈源半角θ与反射阵列的口径d和焦距f的关系满足：

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，该程序基于API路径，将有限元算法、有限积分算法或者时域有限差分算法等与数值计算软件联通起来，完成阵列超构单元的构造、优化以及阵列的计算机生成等；当该计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线生成方法的步骤，当然也可以根据进一步的需要，来执行其它阵列天线模式的生成。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行所述的基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线等生成方法的步骤。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，本发明在X频段提出了一种生成微带反射阵天线的方法，采取环形微带超表面单元来构造超构反射阵天线，该环形微带超构反射单元也可以进行其它排布方式，从而设计出其它方向或者功能的波束偏转方式与器件，完成更加灵活的反射相位调控；所得到的微带反射阵超构天线的高反射、高增益、高定向、低旁瓣、低损耗、超薄，厚度不超过2毫米，超构反射阵列的上下层结构没有贯通孔，加工制作工艺与成熟的CMOS工艺相兼容，容易加工制作；所得到的超构反射阵列天线的重量低、体积小、易于波束扫描、设计与制造成本低，是平面结构，容易集成，具有更加广泛的应用前景。

第二，本发明设计了一种工作在X频段的高定向、高增益、高反射超表面反射阵天线的方法。本发明提供了一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线。利用环形微带超表面单元实现了360度相位全覆盖，在此基础上设计了超薄超构反射阵列，该反射阵列能够将馈源喇叭辐射的准球面波转化为平面波，并能实现高增益。本发明无需打孔设计，易于制造，可以用于实现微波到太赫兹波的波束偏折、波束准直聚焦与高反射等。

第三，本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明技术方案解决了反射面天线的体积庞大、安装复杂的问题，解决了平面阵列天线复杂馈电网络所带来的高损耗以及高昂造价的问题；本发明技术方案基于具有相位梯度变化特征的优化的方环微带超表面结构单元，并将这些优化结构单元按照相位补偿公式进行排列，在理论数据上能够取得高增益低旁瓣的良好结果；此外，还具备小体积、低成本、结构相对简单、高反射、低损耗、轻便化、易集成和易于波束扫描等特征。综合这些特点，本发明技术方案填补了X波段反射阵天线的技术空白。

本发明的技术方案解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明微带反射阵天线所具备的平面超构反射阵列结构的整体厚度只有2毫米，远远小于传统的反射面天线和平面阵列天线的厚度，并且本发明通过超构单元结构优化、优化馈源波束宽度、优化馈源半角和馈源尺寸等，其增益完全可以达到需求，再结合其具备的另外的优势，譬如小体积、低成本、结构相对简单、高反射、低损耗、轻便化、易集成和易于波束扫描等特征，可以取代传统的反射面天线和平面阵列天线，从而应用于远距离无线通信、雷达探测以及遥感等工程应用领域。

第四，这种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线技术方案具体取得了以下显著的技术进步：

1.高度定制化的波束控制：通过调整每个双环微带超表面单元中金属结构和贴片的宽度，可以实现精确的相位控制，从而实现高度定制化的波束控制。这意味着可以在特定方向上实现更强的信号聚焦，从而提高天线系统的效率和性能。

2.宽频带性能：这种反射阵天线的超构反射面由多个环形微带超表面单元组成，具有宽带性能。通过优化结构和相位分布，可以在相对较宽的频带范围内保持稳定的性能，使天线适用于多种频率的应用。

3.紧凑性和低剖面设计：环形微带超表面单元的紧凑设计使得整个天线系统在空间上具有较低的剖面。这对于嵌入式、无人机和其他空间受限的应用非常有益，使得天线可以更方便地集成到不同的平台中。

4.相位控制和波束调整：通过调整金属结构和贴片的宽度，可以实现对反射阵列的相位控制，从而调整输出波束的方向。这种灵活性在雷达、通信和无人机导航等应用中非常重要，可以快速适应不同的工作场景。

5.高反射效率：环形微带超表面单元的设计允许在X波段内实现高反射效率。这对于提高信号传输效率以及在远距离通信和雷达应用中提供更好的性能至关重要。

基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线技术方案通过其高度可定制化的波束控制、宽频带性能、紧凑性和低剖面设计，以及相位控制和高反射效率等特点，取得了在通信、雷达、导航等领域显著的技术进步。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的环形微带超表面单元的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的通过参数扫描计算得出的微带反射阵天线的超构单元在8GHz到12GHz范围内的反射相位分布曲线图；

图3本发明实施例提供的根据相位补偿公式计算得出的微带面反射阵列中各个单元的反射相位分布图；

图4本发明实施例提供的与各个单元的反射相位对应的19*19的阵面尺寸分布图；

图5本发明实施例提供的反射阵列的拓扑结构示意图；

图6本发明实施例提供的微带反射阵天线的仿真增益曲线图；

图中：1、环形金属结构；2、金属贴片结构，3、电介质；4、顶层19×19金属光栅阵列；5、电介质基板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供了一种基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线，其中环形微带超表面单元是要在电介质基板的表面上设计方环金属结构薄层和金属贴片薄层结构，两类结构呈中心旋转对称。图1是本发明实施例提供的环形微带超表面单元的结构示意图，图中，1是环形金属结构，2是金属贴片结构，3是电介质。图4是本发明实施例提供的基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵列示意图，其中，4是顶层19×19金属光栅阵列，5是电介质基板。

如图1所示，环形微带超表面单元中的方环金属结构薄层和金属贴片薄层结构都关于x轴和y轴对称，并且满足中心旋转对称。

电介质基板3的材料可以选用Polyimide(聚酰亚胺)、Polyethylene(聚乙烯)、Rogers(罗杰斯材料)、BCB(苯并环丁烯)、石英、高阻硅、PCB(印制电路板)等。

电介质3上面的环形金属结构1和金属贴片结构2的材料可以选用金、银、铝、铜等高电导率材料。

为形成高增益、低副瓣的辐射，环形微带超构反射阵列的口径大小，即M*p和N*p都要大于至少5倍的工作波长；为了使波束均匀对称，环形微带超构反射阵列的单元个数通常为奇数。

环形微带超构反射阵列中的每一个单元结构，都是根据所能实现的波束偏折、波束聚焦与准直，以及高反射系数的功能所需要的相位分布进行的结构设计。

实施例：

基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线的生成方法，主要包含以下步骤：

S1：根据所需要的调制功能，优化设计出各环形微带超构反射阵列的单元结构(如图1所示)，并计算出多频率下每一个单元结构所产生的反射相位(如图2所示)，然后从这一系列的反射相位中选出工作频率10GHz处的每一个单元结构所产生的反射相位。

S2：根据相位补偿公式：

S3：根据求出的微带面反射阵列中各个单元的反射相位(反射相位矩阵)，计算出与之相对应的阵列尺寸分布图(图4)；

S4：根据求出的反射阵列中各个环形微带超构单元的尺寸，进行反射阵列的布阵，得到微带面超构反射阵列的反射拓扑结构(图5)，反射阵面拓扑结构的尺寸分布图与阵列尺寸分布图恰好保持一致；

S5：优化设计馈源喇叭天线，注意其半角大小和微带面超构反射阵列的口径、焦距相匹配，通常取6到12dBi的喇叭天线增益所对应的角度作为喇叭天线的半角，同时考虑到喇叭天线辐射源覆盖的波束宽度范围与微带超构反射阵列的物理口径是否恰好匹配，同时借助扫参计算，以此种种来确定反射阵列的焦距、喇叭天线半角和喇叭天线口径之间的关系。另外，为了更加精准以减少相位中心自身所带来的误差，可以通过扫描馈源位置这个参数进行计算，以得喇叭天线的相位中心与微带面超构反射阵列的焦点相重合，从而将喇叭辐射的准球面波变为准直的平面波；

S6：得出上述反射阵列后，增加波导喇叭天线作为反射阵的馈源，注意馈源的波束宽度范围、馈源半角θ与反射阵列的口径d和焦距f的关系满足：

对环形微带超构反射阵列天线的性能进行计算时，需要针对馈源喇叭的相位中心到超构反射阵列或其焦点的距离进行扫参计算，以此来补偿辐射相位中心所带来的计算误差问题，同时还要针对馈源喇叭波束半角进行扫参计算，以此来补偿馈源波束宽度对反射阵列的覆盖误差问题；从而能够获得该超构反射阵天线的最佳增益G；需要注意的是，本专利的主要目的是提供一种求解超构反射阵列天线的一种生成方法，所计算的增益完全可以通过进一步优化环形微带反射单元结构尺寸、馈源波束宽度、馈源半角和馈源尺寸等方式来获得更大的增益数值。

总之，与传统的平面反射阵天线相比较，本发明的优势体现在这些方面：本发明在X频段提出了一种生成微带反射阵天线的方法，采取环形微带超表面单元来构造超构反射阵天线，该环形微带超构反射单元也可以进行其它排布方式，从而设计出其它方向或者功能的波束偏转方式与器件，完成更加灵活的反射相位调控；所得到的微带反射阵超构天线具备高反射、高增益、高定向、低旁瓣、低损耗、超薄等特征，厚度不超过2毫米，这远远薄于传统平面反射阵天线的反射阵列的厚度，超构反射阵列的上下层结构没有贯通孔，可以采用集成电路MEMS制造技术制备该款微带超构反射阵列，其加工制作工艺与成熟的CMOS工艺相兼容，容易加工制作，所得到的超构反射阵列天线的重量低、体积小、易于波束扫描、设计与制造成本低，是平面结构，容易组装集成，具有更加广泛的应用前景。

本发明的应用实施例提供了一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器。存储器存储有计算机程序，该程序基于API路径，将有限元算法、有限积分算法或者时域有限差分算法等与数值计算软件联通起来，完成阵列超构单元的构造、优化以及阵列的计算机生成等；当该计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线生成方法的步骤，当然也可以根据进一步的需要，来执行其它阵列天线模式的生成。

本发明的应用实施例提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行基于环形微带超表面结构单元的X波段反射阵天线等生成方法的步骤。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。