[发明专利]一种基于近零折射率超材料的相控阵天线

说明书

技术领域

本发明涉及一种相控阵天线，特别涉及一种基于近零折射率超材料的相控阵天线。

背景技术

超材料是一种由人工设计微结构组成的材料，通过设计超材料的结构单元，使其对电场和磁场产生相应的谐振，从而可以方便地调控其有效介电常数和有效磁导率。超材料的电磁属性可以按人的意愿所设计并可改变，而且在较宽频段外场作用下表现出类似均匀介质的宏观参数，如介电常数ε和磁导率μ。此外，超材料的所有属性是依靠内部各个散射体的谐振产生。近几年，对超材料结构和特性的研究引起了人们极大的兴趣，各种超材料结构也相继被提出。其中，零折射率超材料是近年来颇受关注的一种超材料。根据Snell定律n₁sinθ₁＝n₂sinθ₂，光束在折射率为n₁的介质中传播，并在与折射率为n₂的介质界面处发生折射时，如果n₁≈0且n₂＞0，则不论入射角θ₁为多少，出射角θ₂必然接近于零，即沿界面法线出射，零折射率的这种特性提供了一种独特的可以用来控制波传播方向的方法。

Enoch等人^[49]第一次实验证实了将辐射源嵌入零折射率基板中时，辐射的能量将被限制在周围介质一个狭小的圆锥区域内，即通过利用零折射率材料的特性，能量辐射的方向性得到了很大的改善。Wu等人^[55]研究了将偶极天线嵌入不同的零折射率和近零折射率材料中时，天线辐射性能的变化，均发现利用零折射率超材料可以有效的控制波传播的方向。

相控阵天线是卫星通信、雷达等系统中广泛使用的一种天线技术。利用多个天线单元按照特定的间距排列成阵列，并通过移相器对每个单元的传输电磁波相位进行调制，可以使得相控阵天线具有高定向性，波束可电控扫描等特点。但是相控阵天线的波束扫描角度通常受到一些条件的约束，例如天线单元间距超过一定距离时，波束扫描超过特定的扫描角度会在主波束的反方向出现扫描栅瓣，该栅瓣波束的出现不仅是有限辐射能量的一种浪费，而且会与其他非合作对象发生干扰或被干扰，更严重的是在军事通信场景中栅瓣会带来信息泄露，降低系统的抗干扰能力和保密性。为了抑制栅瓣的产生，在相控阵天线的系统设计过程中，天线单元间距是首先要考虑的，较小的天线间距可以得到较大的无栅瓣扫描区。然而天线单元间距减小会带来有源器件设计难度提高，热设计很难满足工作环境要求，单元互耦影响增加，出现扫描盲区等诸多不利因素。因此相控阵天线的单元间距与栅瓣约束是天线设计过程中的一大难题。

发明内容

本发明的目的是利用近零折射率超材料的特殊电磁性能，在保持相控阵天线技术指标基本不变的情况下，提高相控阵天线的天线单元间距，展宽天线波束扫描角度，从而增加有源器件的设计空间和散热空间，减少有源器件的使用数量，降低相控阵天线的设计难度和成本，提高可靠性。

为了达到以上目的，本发明提供了一种基于近零折射率超材料的相控阵天线，该天线由阵列形式的有源天线单元、散热模块、综合网络、电源及控制模块、高频接口、近零折射率超材料组成。本发明所述的近零折射率超材料的有效折射率小于1，接近于零，通过人工超材料结构实现；将该近零折射率超材料加载于天线的辐射表面，相控阵天线的天线单元的间距d₀可以大于传统相控阵天线的天线单元间距d，其中d必须满足无栅瓣最大扫描角度θ_max约束条件：λ₀是空间波长。

本发明中的近零折射率超材料等效折射率在相控阵天线工作频段内取值范围为可以通过介电常数接近零的超材料结构或磁导率接近零的超材料结构实现，如介电常数接近零的超材料常采用周期排列的亚波长树枝形、“工”形、矩形、圆形等结构，磁导率接近零的超材料常采用周期排列的亚波长树枝形、开口谐振环、螺旋等结构。近零折射率超材料通过加载的方式覆盖于天线的辐射表面上，材料高度h为λ₀/2的整数倍，宽度至少大于相控阵天线边缘单元一个空间波长。

阵列形式的有源天线单元由辐射器、发射/接收有源器件、移相器所组成。辐射器的形式可以是喇叭、缝隙、微带、螺旋等各种天线形式。发射/接收有源器件根据所需的系统体制选择，可以是通信体制的全双工，也可以是雷达体制的半双工。移相器的选择根据所需扫描精度的不同使用数字移相器或模拟移相器。