一种加载超材料隔板透镜的宽角扫描相控阵天线

技术领域

本发明属于通信、测控和遥感接收等领域，涉及一种加载超材料隔板透镜的宽角扫描相控阵天线。

背景技术

随着人类日益增长的生活需求，相控阵天线的研究日益深入，目前相控阵天线被广泛地应用于卫星通信、气象水文、空中交通、地球探测、太空探测、遥感测绘和生物医学等多个民用领域。

传统的相控阵天线一般要求波束扫描范围为±45°，这种典型的相控阵天线设计目前已经成熟。但随着电子科技飞速发展，以及人类日益增长的生活需求，各个领域对相控阵天线的性能要求日益提高。更加宽角扫描的相控阵天线已成为当前研究热点和重要方向，越来越多的雷达系统要求相控阵天线的波束扫描范围更宽达到±60°，有些通信系统甚至对相控阵天线的波束扫描范围提出了更高的指标要求。

宽角度波束扫描的相控阵技术主要是指：波束扫描到较大角度时增益下降较少，比如不超过3dB；且波束扫描到较大角度时天线单元仍有良好阻抗匹配。但是同时实现这两种性能要求存在很大的难度，而且在满足宽角扫描能力的同时，也对其他性能指标提出更高的要求，对于无人汽车中的防撞雷达和5G技术中的相控阵天线既要结构紧凑又要造价低等。

电磁超材料是近年来的研究热点，研究人员发现通过改变介质基板表面的金属结构不但做到空间滤波的效果，还可以对空间电磁波的相位进行调控达到改变波束指向的作用，其优良的电磁调控特性可以被应用于天线的波束控制。本发明将低成本可控制的电磁超材料应用于传统的相控阵天线中，可在已经成熟的相控阵的基础上，将其扫描范围拓宽至±60°。

发明内容

本发明提出一种加载超材料隔板透镜的宽角扫描相控阵天线，能够有效地提升相控阵天线的扫描范围，本发明也可应用于太赫兹频率天线。本发明避免了复杂宽角扫描相控阵单元的设计，降低了宽角扫描相控阵的通道数，可以大大降低宽角扫描相控阵天线的成本。

本发明所采取的技术方案为：

一种加载超材料隔板透镜的相控阵天线，其特征在于：该天线由超材料隔板透镜和相控阵天线组成。一种平面形式的天线副反射面，包括平面结构的频率选择层和平面结构的移相层，所述的由超材料隔板透镜由多层介质和金属贴片构成，对入射电磁波是全透射的，且能够改变透射波的相位。

超材料微结构单元的移相角度Δφ的计算公式为：

其中，f为工作频率，c为光速，d为超材料单元距相控阵的距离，θ

本发明相比于背景技术，其优点为：

(1)相控阵单元为简单偶极子，不存在设计加工复杂的问题，设计准确，制作简单。

(2)相控阵单元为简单偶极子，单元尺寸不会因为扫描范围提升而减小，保持了通道数不变，降低了宽角扫描相控阵的成本。频率选择层可自主设计，工作频宽调控方便。

(3)超材料隔板透镜可自主设计，微结构单元形状多样，工作频宽调控方便。

(4)超材料隔板透镜可采用印制板工艺制作，工艺成熟稳定，加工精度高，便于安装固定。

附图说明

图1是一种加载超材料隔板透镜的相控阵天线示意图；

图2是本发明加载超材料隔板透镜相控阵天线的光路图；

图3是本发明加载的超材料隔板透镜示意图；

图4是加载超材料隔板透镜前后的相控阵扫描60°方向图对比图；

图5是本发明应用到360°扫描相控阵的示意图。

具体实施方式

下面结合图1至图4对本发明作进一步说明。但本发明的保护范围不局限于所述实施范例。

如图1所示，一种加载超材料透镜的宽角扫描相控阵天线，包括超材料透镜和相控阵，所述超材料透镜通过隔板形式纵向插入到相控阵中，平行于相控阵的法向，不影响相控阵的法向出射波束。超材料透镜对相控阵出射的电磁波是全透射的。

如图2所示，相控阵发出的扫描波束通过超材料透镜后，电磁波的透射相位发生变化，使透射波的出射角度发生偏折，放大了相控阵的扫描角度。

如图3所示，所述的超材料隔板透镜由多层介质板和印刷在各层介质板一侧表面的多个结构相同的金属微结构单元组成，多个金属微结构单元为阵列排布，属微结构单元的移相角度Δφ的计算公式为：

其中，f为工作频率，c为光速，d为超材料单元距相控阵的距离，θ

如图4所示，加载超材料隔板透镜后，相控阵在扫描到更大角度时的方向图增益更高，旁瓣更低。本发明在保证相控阵天线法向波束的同时提高了扫描范围，可以有效降低宽角扫描相控阵天线的成本。

如图5所示，本发明可应用于360°扫描的相控阵中，在控制了成本的同时，可有效的提高360°扫描相控阵的性能。