一种超表面单元、透镜及使用其的透镜天线

技术领域

本发明涉及超表面单元技术领域，尤其涉及一种超表面单元、透镜及使用其的透镜天线。

背景技术

由于超材料平面透镜可以使电磁波能通过其进行聚焦，使平面透镜具备了曲面透镜的电磁属性，同时保留了同样的宽带性能，在不需要大型中凹反射器或曲面透镜的情况下实现更好的性能和更大的带宽，因此被广泛的应用在飞机、舰艇、无线电和卫星天线等领域。

但现有的超材料平面透镜主要是通过同时改变多个结构部来实现相位变化所带来的叠加加工误差，由于需要同时改变多个结构部，因此将会导致增加相位的不稳定，并且在实际使用过程中，进行相位改变时操作较为复杂。

发明内容

本发明的主要目的是提出一种超表面单元、透镜及使用其的透镜天线，旨在解决现有的超材料平面透镜在增加相位时容易出现不稳定的情况，并且在进行相位调整时操作较为复杂的技术问题。

为实现上述目的，本发明提出一种超表面单元，包括相位补偿件，所述相位补偿件的两侧对称设置有金属贴片组件，所述金属贴片组件包括由所述相位补偿件向外侧依次分布的第一金属贴片、第二金属贴片和第三金属贴片，且所述第一金属贴片、所述第二金属贴片、所述第三金属贴片和所述相位补偿件两两之间均插设有介质基板；

所述相位补偿件包括开路短截线组和相位延长线，两组所述开路短截线组通过所述相位延长线连接，且两组所述开路短截线组在水平面上的投影以所述第一金属贴片的投影中心O为中心呈中心对称分布；所述开路短截线组包括依次连接的第一开路短截线、第二开路短截线和第三开路短截线；

所述第一金属贴片上开设有第一缝隙，位于所述相位补偿件一侧的所述第一金属贴片的第一缝隙的中心与一个所述第二开路短截线的中心一致，位于所述相位补偿件另一侧的所述第一金属贴片的第一缝隙的中心与另一个所述第二开路短截线的中心一致；

所述第二金属贴片上开设有“口”字型的用于增强耦合作用的第二缝隙。

优选地，所述第一开路短截线包括第一水平段和第一竖直段，所述第一水平段和所述第一竖直段连接形成“T”型的所述第一开路短截线，所述第二开路短截线包括第二水平段和第二竖直段，所述第二水平段和所述第二竖直段连接形成“T”型的所述第二开路短截线，所述第三开路短截线包括第三水平段和第三竖直段，所述第三竖直段和所述第三水平段首尾连接形成“L”型的所述第三开路短截线，所述相位延长线的两端分别连接两个所述第一竖直段，所述第一竖直段与所述第二竖直段连接，所述第二竖直段与所述第三竖直段连接；

所述第一水平段的长度>所述第二水平段的长度。

优选地，所述相位延长线包括第一段、第二段、第三段、第四段、第五段和第六段，所述第一段水平向一侧延伸，其末端垂直向上延伸形成所述第二段，所述第二段的末端水平向靠近所述第一段的方向延伸形成所述第三段，所述第三段的末端垂直向下延伸形成所述第四段，所述第四段的末端水平向靠近所述第三段的方向延伸形成所述第五段，所述第五段垂直向上延伸形成所述第六段；

所述第一段的首端与一个所述第一竖直段连接，所述第六段的末端与另一个所述第一竖直段连接；

所述第一段、所述第二段、所述第三段与所述第四段、所述第五段、所述第六段在水平面上的投影沿所述第一金属贴片在水平面上投影的对角线对称分布。

优选地，所述第一缝隙为矩形或两头大、中间小的形状。

优选地，所述第三金属贴片为正方形。

优选地，所述介质基板包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板的厚度>所述第二介质基板的厚度；

所述第一介质基板插设在所述第二金属贴片和第三金属贴片之间，所述第一金属贴片与所述第二金属贴片之间插设有所述第二介质基板，所述第一金属贴片与所述相位补偿件之间插设有所述第二介质基板。

优选地，所述金属贴片组件和所述介质基板通过金属探针固定。

除此之外，本发明还提出一种透镜，使用如上述任一项所述的超表面单元，所述透镜由M×N个所述超表面单元阵列排布形成，其中，M≥4,N≥4，M和N均为自然数，且相邻的所述超表面单元之间的间距相等。

优选地，从所述透镜的中心到边缘，所述超表面单元的相位逐渐减小。

除此之外，本发明还提出一种透镜天线，使用如上述任一项所述的透镜，包括用于辐射电磁波的馈源，所述透镜用于对所述馈源辐射出的电磁波进行相位补偿。

本发明的超表面单元、透镜及使用其的透镜天线具有如下有益效果：在实现电磁波相位补偿手段上，只需要将超表面单元的两组相位延长线等比例缩小或放大即可，避免了传统的平面超材料透镜需要通过改变多个结构部来实现相位变化所带来的叠加加工误差，从而导致增加相位时的不稳定。同时提出了一种简单有效的方法来设计具有宽带特性的透镜，超表面透镜在工作带宽内具有非常平坦的增益，具有较高的应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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示出的结构获得其他的附图。

图1为本发明超表面单元一实施例的结构示意图；

图2为本发明超表面单元的爆炸图；

图3为本发明超表面单元的相位补偿件的结构示意图；

图4为本发明超表面单元的第二金属贴片的结构示意图；

图5为本发明超表面单元的第一金属贴片的结构示意图；

图6为本发明超表面单元在水平面上的投影示意图；

图7为本发明超表面单元在不同相位延长线的穿透电磁波相位变化图；

图8为本发明超表面单元在不同相位延长线时的穿透电磁波幅度变化；

图9为本发明透镜天线的结构示意图；

图10为本发明透镜天线在频率为9.5GHz和1GHz的二维方向图曲线；

图11为本发明透镜天线的增益随频率的变化趋势图。

附图中：1-相位补偿件、11-开路短截线组、111-第一开路短截线、1111-第一水平段、1112-第一竖直段、112-第二开路短截线、1121-第二水平段、1122-第二竖直段、113-第三开路短截线、1131-第三水平段、1132-第三竖直段、12-相位延长线、121-第一段、122-第二段、123-第三段、124-第四段、125-第五段、126-第六段、2-金属贴片组件、21-第一金属贴片、211-第一缝隙、22-第二金属贴片、221-第二缝隙、23-第三金属贴片、3-介质基板、31-第一介质基板、32-第二介质基板、4-金属探针、5-透镜、6-馈源。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示诸如上、下、左、右、前、后……，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态如附图所示下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

如图1至图11所示，本发明提出一种超表面单元，包括相位补偿件1，所述相位补偿件1的两侧对称设置有金属贴片组件2，所述金属贴片组件2包括由所述相位补偿件1向外侧依次分布的第一金属贴片21、第二金属贴片22和第三金属贴片23，且所述第一金属贴片21、所述第二金属贴片22、所述第三金属贴片23和所述相位补偿件1两两之间均插设有介质基板3；

所述相位补偿件1包括开路短截线组11和相位延长线12，两组所述开路短截线组11通过所述相位延长线12连接，且两组所述开路短截线组11在水平面上的投影以所述第一金属贴片21的投影中心O为中心呈中心对称分布；所述开路短截线组11包括依次连接的第一开路短截线111、第二开路短截线112和第三开路短截线113；

所述第一金属贴片21上开设有第一缝隙211，位于所述相位补偿件1一侧的所述第一金属贴片21的第一缝隙211的中心与一个所述第二开路短截线112的中心一致，位于所述相位补偿件1另一侧的所述第一金属贴片21的第一缝隙211的中心与另一个所述第二开路短截线112的中心一致；

所述第二金属贴片22上开设有“口”字型的用于增强耦合作用的第二缝隙221。

具体的，本发明中的超表面单元是由多层介质基板3和多层金属贴片堆叠组成，其特质在于能够使绝大部分的电磁波能量穿透过去并且相位得到改变，同时信号幅度值衰减比较小，因此可以利用超表面单元的相位变化特性进行电磁波的相位补偿，介质基板3的尺寸大于等于金属贴片组件2的尺寸。介质基板3和金属贴片均具有多个，介质基板3和金属贴片1的具体设置个数可以根据实际需求进行调整。本发明提出了一种简单有效的方法来设计具有宽带特性的超表面单元，在实现电磁波相位补偿手段上，只需要调整超表面单元的关键部件即相位补偿件1即可，在本方案中，超表面单元的电磁场相位改变量，主要是通过改变相位补偿件1的比例来实现的，该方法的突出特点是无需改变其他结构，只需要逐渐改变相位补偿件1的相位延长线12的总长，就可以实现穿透电磁场的相位从0°变换到360°，相位补偿件1的相位延长线12总长与相位呈线性变化关系，相位延长线12的总长越长，其改变的相位越大，在超表面单元尺寸足够大的情况下，其相位延长线12最多可以实现穿透电磁波相位发生N×360°的改变，其中，N为实数。

本方案中的相位延长线12可以设置为不同的形状，只需要能实现将两组开路短截线组11连接固定即可，当两个相位延长线12的形状不同但总长相同时，其组成的超表面单元相位相同。第一缝隙211主要是将由馈源6辐射出的电磁波耦合进去，为了保持超表面单元整体结构的对称性，位于相位补偿件1两侧的两个第一金属贴片21上的第一缝隙211，并非设置在同样的位置，而是相互偏转了180°，位于相位补偿件1一侧的第一金属贴片21在水平面上的投影旋转180°即为相位补偿件1另一侧的第一金属贴片21在水平面上的投影，如此，才可以保证两个第一缝隙211均与第二开路短截线112对应，具体为两者的中心一致。本方案中水平面的投影具体是指介质基板3、相位补偿件1和金属贴片组件2竖直堆叠时，各个部件由超表面单元的顶面向底面投影出的形状，如图6所示，从上往下看，位于相位补偿件1一侧的第一金属贴片21的第一缝隙211位于该层的右上方，位于相位补偿件1另一侧的第一金属贴片21的第一缝隙211位于该层的左下方，第一缝隙211与第二开路短截线112的中心一致。

两个第二金属贴片22通过介质基板3设置在相位补偿件1的两侧，且两个第二金属贴片22具有相同的形状和尺寸，第二金属贴片22开设的“口”字型第二缝隙221的主要作用是增强与第一金属贴片21、第二金属贴片22的电磁场耦合作用，且能够与上述含有第一缝隙211的第一金属贴片21共同形成滤波结构，过滤掉谐振频率以外的电磁波。在实际生产时，“口”字型的第二缝隙121的宽度具体可为1.2mm，可以适应性调整。

进一步地，所述第一开路短截线111包括第一水平段1111和第一竖直段1112，所述第一水平段1111和所述第一竖直段1112连接形成“T”型的所述第一开路短截线111，所述第二开路短截线112包括第二水平段1121和第二竖直段1122，所述第二水平段1121和所述第二竖直段1122连接形成“T”型的所述第二开路短截线112，所述第三开路短截线113包括第三水平段1131和第三竖直段1132，所述第三竖直段1132和所述第三水平段1131首尾连接形成“L”型的所述第三开路短截线113，所述相位延长线12的两端分别连接两个所述第一竖直段1112，所述第一竖直段1112与所述第二竖直段1122连接，所述第二竖直段1122与所述第三竖直段1132连接；

所述第一水平段1111的长度>所述第二水平段1121的长度。

如图3所示，相位补偿件1包括两对相同的开路短截线组11，开路短截线组11则由多个枝节微带线组成，两对开路短截线组11通过相位延长线12连接固定，各个开路短截线组11均由三组相同的开路短截线组合形成，具体为第一开路短截线111、第二开路短截线112、第三开路短截线113。如图6所示，其中一组第二开路短截线112的第二水平段1121正好位于其中一个第一缝隙211的正下方，另一组第二开路短截线112的第二水平段1121也是正好是位于另一个第一缝隙211的正上方，由此组成的结构使得超表面单元具有对称性，同时能够有效的耦合电磁波。

在实际生产时，相位补偿件1整体结构是由两段相位延长线、第一开路短截线111、第二开路短截线112和第三开路短截线113共同组成，其中，第一开路短截线111是由两段长度为1.7mm，宽度为0.5mm的开路微带线组成；第二开路短截线112是由两段长度为0.6mm，宽度为0.5mm的开路微带线组成；第三开路短截线113是由一段长度为1.8mm，宽度为0.5mm的开路微带线组成；第一开路短截线111、第二开路短截线112和第三开路短截线组113由微带线组成以串联方式连接起来，在其他实施例中，第一开路短截线111、第二开路短截线112和第三开路短截线113的尺寸可以适应性调整。

进一步地，所述相位延长线12包括第一段121、第二段122、第三段123、第四段124、第五段125和第六段126，所述第一段121水平向一侧延伸，其末端垂直向上延伸形成所述第二段122，所述第二段122的末端水平向靠近所述第一段121的方向延伸形成所述第三段123，所述第三段123的末端垂直向下延伸形成所述第四段124，所述第四段124的末端水平向靠近所述第三段123的方向延伸形成所述第五段125，所述第五段125垂直向上延伸形成所述第六段126；

所述第一段121的首端与一个所述第一竖直段1112连接，所述第六段126的末端与另一个所述第一竖直段1112连接；

所述第一段121、所述第二段122、所述第三段123与所述第四段124、所述第五段125、所述第六段126在水平面上的投影沿所述第一金属贴片21在水平面上投影的对角线对称分布。

具体的，由于相位延长线12的形状可以具有多种选择，本方案中提出一种优选实施例，采用本实施例进行相位调整时更加便利，且加工过程更为简单，相位延长线12包括第一段121、第二段122、第三段123、第三段123、第四段124、第五段125和第六段126，其中第一段121、第二段122和第三段123构成第一组相位延长线12，第四段124、第五段125和第六段126构成第二组相位延长线12，两组相位延长线12的结构近似，第一组相位延长线12和第二组相位延长线12在水平面上的投影沿第一金属贴片21的对角线对称分布。在需要进行相位调整时，具体的调节方式为将两组相位延长线12等比例缩小或放大即可，相位延长线12的总长度得以增加或减少，操作较为简便，避免了传统的平面超材料透镜5需要通过改变多个结构部来实现相位变化所带来的叠加加工误差，从而导致增加相位时的不稳定。

本方案中提出的超表面单元具有非常高的结构对称性，改变穿透电磁波的相位只需要改变相位延长线12的总长即可，根据平面透镜5的电磁波聚焦原理可知，多个超表面单元能够支持穿透电磁波的相位实现360度的变化；图7展示了超表面单元在不同相位延长线12总长情况下的对穿透电磁波的相位改变曲线；由此可知，当任一组相位延长线12的总长度，即第一段121、第二段122和第三段123的总长度或第四段124、第五段125和第六段126的总长度从16.2mm增加到22.4mm时，穿透电磁波的相位在9.5GHz-1GHz的频率范围内均实现了360度以上的改变；由图8可知，穿透电磁波的幅度变化均在1.4dB范围内，体系了电磁波穿透超表面单元的衰减程度较小。

进一步地，所述第一缝隙211为矩形或两头大、中间小的形状。具体地，由于第一缝隙211的主要作用是实现电磁波耦合，因此其形状具有多种选择，两个第一金属贴片21位于相位补偿件1的两侧，两个第一金属贴片21的尺寸相同，第一金属贴片21所刻蚀的第二缝隙211可以采用矩形，也可以采用两头大、中间小的近似“沙漏”形，在本发明的实施例中，第一缝隙211还可为其他形状，根据实际情况适应性的进行调整。

进一步地，所述第三金属贴片23为正方形。如此，两个第三金属贴片23分别位于超表面的顶层和底层，其具体形状可采用长方形或正方形，当第三金属贴片23采用正方形时，超表面单元相位补偿的效果更佳。在实际生产时，第三金属贴片23的尺寸较于第一金属贴片21的尺寸和第三金属贴片23的尺寸要小。

进一步地，所述介质基板3包括第一介质基板31和第二介质基板32，所述第一介质基板31的厚度>所述第二介质基板32的厚度；

所述第一介质基板31插设在所述第二金属贴片22和第三金属贴片23之间，所述第一金属贴片21与所述第二金属贴片22之间插设有所述第二介质基板32，所述第一金属贴片21与所述相位补偿件1之间插设有所述第二介质基板32。

可以理解，在本实施例中的超表面单元具体包括13层，分别是七层金属贴片1和六层介质基板3，从上至下依次是第三金属贴片23、第一介质基板31，第二金属贴片22、第二介质基板32、第一金属贴片21、第二介质基板32、相位补偿件1、第二介质基板32、第一金属贴片21、第二介质基板32、第二金属贴片22、第一介质基板31和第三金属贴片23。在实际生产时，第一介质基板31和第二介质基板32均可为正方形，其中，位于超表面单元表层和底层的第一介质基板31均是由介电常数为3.9，厚度为1.5mm的高频板材组成；第二介质基板32均是由介电常数为2.2，厚度为0.5mm的高频板材组成，具体的厚度和介电常数并不限定，不同的型号和规格可以适应性进行调整。

进一步地，所述金属贴片组件2和所述介质基板3通过金属探针4固定。超表面单元的所有介质基板3和金属贴片1是由若干个金属探针4连接在一起，金属探针4位于超表面单元的边缘处将各个部件固定。

除此之外，本发明还提出一种透镜5，使用如上述任一项所述的超表面单元，所述透镜5由M×N个所述超表面单元阵列排布形成，其中，M≥4,N≥4，M和N均为自然数，且相邻的所述超表面单元之间的间距相等。

进一步地，从所述透镜5的中心到边缘，所述超表面单元的相位逐渐减小。

本实施例中的透镜5具体由M×N个超表面单元等间距排列起来组成的一个平面阵列，可以是矩形排列，也可以是圆形排列或三角形排列方式等，其中，M和N均大于等于4，保证排列的完整性，M和N可以相等也可以不等。本发明中的透镜5是一种能够实现电磁波聚焦的特殊结构，具体由若干个超表面单元组成的平面阵列，当一个场源辐射电磁波穿过该透镜5时，由于使用了具有不同相位特性的超表面单元组成的平面阵列，因此可以使得馈源6发射出的电磁波相位得到补偿从而转换为平面波，从而在空间中电磁波得到有效的叠加，以获取高增益、窄波束特性。

该透镜5由多个超表面单元组合形成，超表面单元参照上述实施例，由于该透镜5采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有效果，在此不再一一赘述。本发明提出了一种简单有效的方法来设计具有宽带特性的透镜5，只需要等比例调整相位补偿件1即可实现电磁波相位补偿，避免了传统的平面超材料透镜5通过改变多个结构部来实现相位变化所带来的叠加加工误差，导致增加相位的不稳定，本发明所设计的透镜5在工作带宽内具有非常平坦的增益，具有较高的应用价值。

除此之外，本发明还提出一种透镜天线，包括用于辐射电磁波的馈源6，所述透镜5用于对所述馈源6辐射出的电磁波进行相位补偿。本方案中的透镜天线使用由上述超表面单元组成的透镜5，可以使用普通的喇叭天线或微带天线等作为馈源6，可得到具有增益平坦的宽带、高增益的透镜天线。

本方案中设置有一组实施例，设置一组相位延长线总长度从16.2mm到22.4mm变化的超表面单元组成透镜5，并依次命名为E5，E4，E3，E2和E1，本实施例将五个不同相位延长线的超表面单元E1，E2，E3，E4，E5按照相位逐渐减小的规则排列，组成二维矩形的平面透镜5，具体的排列规则是矩形中心区域安放相位延长线最长的超表面单元E1，然后E2，E3，E4和E5按照相位延长线长度逐减方式的依次安放至矩形的边沿；再使用一个波导喇叭作为馈源6，波导喇叭的口径面与透镜5的距离为100mm，使用该透镜5天线在微波远场进行测量，所得到的测量结果如图10和1所示。由图10和1可知，超表面透镜5天线在9.5-1GHz范围内的具有较平坦的增益，增益浮动范围小于1dB。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。