一种超薄宽带可重构透射单元及其阵列

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种超薄宽带可重构透射单元及其阵列。

背景技术

在雷达探测、卫星通信、导航引导等军用民用系统中，具有波束扫描功能的高增益天线发挥着关键作用，但是传统有源相控阵存在着成本高、功耗大等问题，从而限制了传统相控阵天线大规模的部署应用。目前的透射阵天线往往采用收发结构，这种结构一般分为接收金属层，地板层，透射金属层再加上控制所需的偏置线层，往往至少需要四层金属层才能完成可重构透射阵结构的设计，从而导致天线阵结构比较复杂，成本高。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种超薄宽带可重构透射单元及其阵列，仅需两层金属层就能完成可重构透射阵的设计，结构简单，加工方便，有助于简化设计和降低成本。

第一方面，本发明实施例提供了一种超薄宽带可重构透射单元，包括第一金属层、第二金属层和介质层，所述第一金属层与所述第二金属层平行设置，所述第一金属层与所述第二金属层之间设置有所述介质层；所述第一金属层包括辐射贴片，所述辐射贴片蚀刻有π型缝隙，所述π型缝隙用于将所述第一金属层分割成所述π型缝隙内的第一区域和所述π型缝隙外围的第二区域，在所述第一区域和所述第二区域之间设置有第一射频开关和第二射频开关，通过控制输入所述第一区域的电压的正负以改变所述第一射频开关和所述第二射频开关的通断状态，以改变所述辐射贴片辐射电磁波的状态，所述第一射频开关通断状态和所述第二射频的通断状态不同；所述第二金属层包括接收贴片，所述接收贴片蚀刻有L型缝隙，所述L型缝隙用于调整谐振频率，所述第一金属层通过金属柱连接所述第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层形成极化旋转结构，以使得所述第一金属层的辐射电磁波与所述第二金属层的接收电磁波极化垂直。

可选地，所述介质层上还设置有偏置线路，所述偏置线路上设置有射频电感，所述射频电感用于隔离射频信号、并将直流信号通过所述金属柱输入所述第二金属层。

可选地，所述π型缝隙包括第一T型脚缝隙和第二T型脚缝隙，所述第一T型脚缝隙和所述第二T型脚缝隙之间形成所述第一区域，所述第一区域的正中间设置有偏置点，所述第一区域通过所述偏置点连接至所述偏置线路。

可选地，所述第一射频开关元件正向连接所述第一T型脚缝隙两侧，所述第二射频开关元件反向连接所述第二T型脚缝隙两侧。

可选地，所述偏置线路上还设置有隔离电容，所述隔离电容用于隔离相邻两个所述可重构透射单元之间的直流电压信号。

可选地，所述接收贴片采用第一矩形贴片，所述第一矩形贴片的两侧蚀刻有沿中心线对称的两个所述L型缝隙。

可选地，所述辐射贴片采用第二矩形贴片，所述第二矩形贴片沿第一边长端蚀刻所述π型缝隙。

可选地，所述第二金属层对称设置有多根偏置线，所述金属柱连接至不同的所述偏置线、从而分别传输不同电压的直流信号控制连接不同偏置线的所述可重构透射单元的相位。

可选地，所述介质层的长度和宽度均是0.25λ

第二方面，本发明实施例提供了一种超薄宽带可重构透射阵列，包括上述的可重构透射单元，所述可重构透射阵列由多个所述可重构透射单元组合而成。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例提供了一种超薄宽带可重构透射单元及其阵列，包括第一金属层、第二金属层和介质层，所述第一金属层与所述第二金属层平行设置，所述第一金属层与所述第二金属层之间设置有所述介质层；所述第一金属层包括辐射贴片，所述辐射贴片蚀刻有π型缝隙，所述π型缝隙用于将所述第一金属层分割成所述π型缝隙内的第一区域和所述π型缝隙外围的第二区域，在所述第一区域和所述第二区域之间设置有第一射频开关和第二射频开关，通过控制输入所述第一区域的电压的正负以改变所述第一射频开关和所述第二射频开关的通断状态，以改变所述辐射贴片辐射电磁波的状态，所述第一射频开关通断状态和所述第二射频的通断状态不同；所述第二金属层包括接收贴片，所述接收贴片蚀刻有L型缝隙，所述L型缝隙用于调整谐振频率，所述第一金属层通过金属柱连接所述第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层形成极化旋转结构，以使得所述第一金属层的辐射电磁波与所述第二金属层的接收电磁波极化垂直。通过第一金属层和第二金属层这两层金属层即可构成一个可重构透射单元，结构简单，加工方便，有助于简化设计和降低成本。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射单元的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射单元的第一金属层的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射单元的第二金属层的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射单元的透射相位及透射幅度随频率变化的曲线图；

图5是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射阵列的波束E面扫描图；

图6是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射阵列的波束H面扫描图；

图7是本发明实施例提供的一种超薄宽带可重构透射阵列的结构示意图图：(a)为阵列的立体结构图，(b)为透射面结构图；

附图标记：第一金属层(1)、第二金属层(2)、隔离电容(3)、射频电感(4)、介质层(5)、偏置线(6)、π型缝隙(7)、金属柱(8)、L型缝隙(9)、偏置线路(10)、射频开关(11)、馈源(12)、第一区域(13)、第二区域(14)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

如图1-3所示，本发明实施例提供了一种超薄宽带可重构透射单元，包括第一金属层(1)、第二金属层(2)和介质层(5)，第一金属层(1)与第二金属层(2)平行设置，第一金属层(1)与第二金属层(2)之间设置有介质层(5)；第一金属层(1)包括辐射贴片，辐射贴片蚀刻有π型缝隙(7)，π型缝隙(7)用于将第一金属层(1)分割成π型缝隙(7)内的第一区域(13)和π型缝隙外围的第二区域(14)，在第一区域(13)和第二区域(14)之间设置有第一射频开关和第二射频开关，通过控制输入第一区域的电压的正负以改变第一射频开关和第二射频开关的通断状态，以改变辐射贴片辐射电磁波的状态，第一射频开关通断状态和第二射频的通断状态不同；第二金属层(2)包括接收贴片，接收贴片蚀刻有L型缝隙(9)，L型缝隙(9)用于调整谐振频率，第一金属层(1)通过金属柱(8)连接所述第二金属层(2)，第一金属层(1)和第二金属层(2)形成极化旋转结构，以使得第一金属层(1)的辐射电磁波与所述第二金属层(2)的接收电磁波极化垂直。

具体的，可重构透射单元由第一金属层(1)、第二金属层(2)和介质层(5)组成，第一金属层(1)设置于介质层(5)的上表面(第一表面)，第二金属层(2)设置于介质层(5)的下表面(第二表面)；第一金属层(1)和第二金属层(2)关于介质层互相平行且正交放置。辐射贴片上蚀刻“π”型缝隙(7)，再根据电流反转原理，控制射频开关(11)的第一射频开关和第二射频开关的通断来反转缝隙两端的短路和开路状态，“π”型缝隙(7)将第一金属层(1)分割成“π”型缝隙(7)内的第一区域(13)和“π”型缝隙(7)外围的第二区域(14)，在第一区域(13)和第二区域(14)之间设置有第一射频开关和第二射频开关，通过控制输入第一区域的电压的正负以改变第一射频开关和第二射频开关的通断状态，以改变辐射贴片辐射电磁波的状态，使所述超薄可重构透射单元在较宽的工作频带内具有稳定的180°相位差；第二金属层(2)属于接收层，用于接收电磁波，其接收贴片上蚀刻L型缝隙(9)，用于调整谐振频率，第一金属层(1)和第二金属层(2)共同构成极化旋转结构，使得接收的电磁波与辐射的电磁波极化垂直。

为保证结构性能不受影响，添加高阻抗细金属线作为直流电压控制的偏置线路(10)，其中π型缝隙(7)包括了两个T型结构，两个T型结构的第一T型脚缝隙和第二T型脚缝隙的正中间设置有偏置点，偏置点垂直连接至偏置线路，即是偏置点置于电场较弱的中间处，并采用隔离电容(3)隔离相邻两个可重构透射单元的直流电压信号。在经过一个射频电感(4)的扼流作用，隔绝射频信号，将直流信号通过金属柱(8)引导至第二金属层统一控制。

π型缝隙(7)的两个T型脚缝隙的具体形状和脚的倾斜角度在此不做限定，可根据需求设定；两个T型结构将矩形贴片中间的第一区域(13)单独隔离出来，通过两个射频开关元件连接T型脚缝隙的两侧的矩形贴片，偏置线路(10)上的直流电压通断两个射频开关元件，射频开关元件采用二极管，两个二极管分别正接和反接，即是两个二极管连接两侧的通断方向相反，第一T型脚缝隙的导通是从第一区域到第二区域，第二T型脚缝隙的导通是从第二区域到第一区域；从而可通过控制电流的正负控制两个二极管的通断，进而控制电压的正负，从而得到相位差稳定在180°的辐射电磁波。

参照图1，可选地，介质层(5)上还设置有偏置线路(10)，偏置线路(10)上设置有射频电感(4)，射频电感(4)用于隔离射频信号、并将直流信号通过金属柱(8)输入第二金属层。

参照图3，可选地，接收贴片采用第一矩形贴片，第一矩形贴片的两侧蚀刻有沿中心线对称的两个所述L型缝隙(9)。

参照图3，具体的，设置对称的L型缝隙使得第一矩形贴片在接收电磁波时性能更好，增加了调整性能时的灵活度，L型缝隙对称设置在第一矩形贴片的左右两侧，具体设置在两侧的位置可根据需要设置；L型缝隙改变输入到第二金属层的第一矩形贴片的电流路径，从到达到预设的谐振频率，可通过调节L型缝隙的大小改变预设的谐振频率值。

可选地，辐射贴片采用第二矩形贴片，第二矩形贴片沿第一边长端蚀刻π型缝隙。

具体的，偏置线路(10)平行于第二矩形贴片设置，第二矩形贴片沿第一边长端蚀刻π型缝隙，π型缝隙的第一T型脚缝隙和第二T型脚缝隙的正中间垂直连接到偏置线路(10)上，第一T型脚缝隙和第二T型脚缝隙隔断第二矩形贴片的第一边长端，进而形成一个独立的小矩形贴片，偏置线路(10)上的直流电流信号传输到第二矩形贴片矩形上被π型缝隙隔离出来的小矩形贴片上，通过正反接的二极管控制电流方向。对称设计的π型缝隙性能更加稳定，而且直流信号到达隔离的中间小矩形贴片上，不影响整个第二矩形贴片的工作。第一矩形贴片的第二金属层和第二矩形贴片的第一金属层共同构成极化旋转结构，极化旋转结构用于将第一矩形贴片接收的电磁波与第二矩形贴片辐射的电磁波极化垂直，互相垂直极化后的电磁波具有更稳定的相位差。

参照图1，可选地，第二金属层(2)对称设置有多根偏置线(6)，金属柱(8)连接至不同的偏置线(6)、从而分别传输不同电压的直流信号控制连接不同偏置线的可重构透射单元的相位。

具体的，金属柱(8)可连接四根不同的偏置线(6)，具体数量在此不做限定，可根据需求设定。通过让从金属柱(8)到达不同的偏置线(6)上，即是不同的可重构透射单元的金属柱(8)到达不同的偏置线(6)上，进而可分别输出不同大小的直流电压信号分别控制不同可重构透射单元的相位，达到独立控制每一个可重构透射单元的效果。

参照图1，可选地，介质层的长度和宽度均是0.25λ

在一个具体的实施例中，介质层(5)的宽度和长度均为0.31λ

参照图5和6，可以得知，通过在射频开关上施加正负电压来控制通断，状态1和状态2之间始终保持180°的相位差，形成单元级1比特相位控制。再根据相控阵原理进行相位配置，从而使所述超薄可重构透射阵列能实现二维扫描波束(由于结构的对称性，仅展示一半的扫描结果)，证实了提出方案的可行性。

实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例提供了一种超薄宽带可重构透射单元及其阵列，包括第一金属层、第二金属层和介质层，所述第一金属层与所述第二金属层平行设置，所述第一金属层与所述第二金属层之间设置有所述介质层；所述第一金属层包括辐射贴片，所述辐射贴片蚀刻有π型缝隙，所述π型缝隙用于将所述第一金属层分割成所述π型缝隙内的第一区域和所述π型缝隙外围的第二区域，在所述第一区域和所述第二区域之间设置有第一射频开关和第二射频开关，通过控制输入所述第一区域的电压的正负以改变所述第一射频开关和所述第二射频开关的通断状态，以改变所述辐射贴片辐射电磁波的状态，所述第一射频开关通断状态和所述第二射频的通断状态不同；所述第二金属层包括接收贴片，所述接收贴片蚀刻有L型缝隙，所述L型缝隙用于调整谐振频率，所述第一金属层通过金属柱连接所述第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层形成极化旋转结构，以使得所述第一金属层的辐射电磁波与所述第二金属层的接收电磁波极化垂直。通过第一金属层和第二金属层这两层金属层即可构成一个可重构透射单元，结构简单，加工方便，有助于简化设计和降低成本。

参照图7，第二方面，本发明实施例提供了一种超薄宽带可重构透射阵列，包括上述的可重构透射单元，所述可重构透射阵列由多个所述可重构透射单元组合而成。

具体的，本发明实施例公开的一种超薄宽带可重构透射阵列由180°相位差控制的可重构单元组成。本实施例的一种超薄宽带可重构透射阵列以低增益的电磁偶极子天线作为空馈馈源(12)，使得焦径比仅为0.42，降低了阵列的整体剖面。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。