[发明专利]一种可数字编码的透射型宽带介质基超表面天线及阵列

说明书

本发明公开一种可数字编码的透射型宽带介质基超表面天线及阵列，该天线包括上、下矩形介质谐振器和相位调制装置，相位调制装置包括两层金属地板和两层相移电路，电磁波通过上矩形介质谐振器接收，然后通过上金属地板利用缝隙耦合方式耦合到上相移电路，上相移电路通过金属过孔与下相移电路相连接，将电磁波传导到下相移电路，在下相移电路上设置两种不同的前向通路，所述两种通路存在0.5倍波长的波程差，使得透射相位相差180°，分别编码为“0”和“1”模式，对电磁特性进行二进制的数字编码。本发明可以对透射电磁波进行各种波束调控，实现波束扫描以及多波束辐射功能，对现代无线通信系统的发展具有重要意义。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种可数字编码的透射型宽带介质基超表面天线。应用于无线通信领域。

背景技术

近年来，无线通信系统发展迅速，随之而来对带宽和增益的要求越来越高。透镜天线因具有高增益和定向波束的特点，被广泛应用于雷达探测、波束扫描等领域。相比于反射面天线，透镜天线具有设计自由度高、无馈源遮挡问题、波束方向可控等显著优点。传统的透镜天线一般是将金属材料或者介质材料弯折一定角度来实现电磁波的汇聚，这样的方法会造成天线整体结构复杂、重量过大、加工成本高和加工难度大等问题。由编码超表面的电磁波调控原理可知，可以对透射电磁波实现实时的调控。所以，超表面透射阵天线可以克服传统透镜天线的缺点，通过对每个透射单元的透射电磁波相位响应进行编码，改变其相位幅度，从而实现对透射电磁波的波束调控。

透射型介质基超表面天线结合了传统相控阵天线和传统透镜天线二者的优点：与相控阵天线相比，采用空馈的馈电方式减少了庞大复杂的馈电网络设计；与传统透镜天线相比，利用单元排列的二维平面结构缩小整体体积，减少了昂贵的材料加工成本。这种天线避免了馈电网络部分的损耗，又能实现高增益的定向辐射和多波束辐射，具有应用在下一代移动通信系统的前景。

发明内容

本发明针对相控阵天线馈电网络庞大复杂和传统透镜天线制作工艺难度大的现状，提供了一种可数字编码的透射型宽带介质基超表面天线及阵列。

为达上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明提供一种可数字编码的透射型宽带介质基超表面天线，如图1所示，包括上、下矩形介质谐振器和相位调制装置，上、下矩形介质谐振器分别作为接收装置和发射装置通过介质基板固定在相位调制装置两侧，相位调制装置包括两层金属地板和两层相移电路，入射的自由空间电磁波通过上矩形介质谐振器接收，然后通过上金属地板的缝隙耦合到上相移电路，上相移电路通过介质基板上的金属过孔与下相移电路相连接，将电磁波传导到下相移电路，在上、下相移电路上设置通路，其中，下相移电路上的通路为两种不同的模式，分别编码为“0”和“1”，编码为“0”和“1”的通路存在0.5倍波长的波程差，电磁波通过下金属地板的缝隙耦合到下矩形介质谐振器向外辐射。

所述矩形介质谐振器可以选用3D打印材料ABS作为介质块材料， 所述上、下矩形介质谐振器的尺寸大小完全一致。

所述通路可以为一个L型金属开路枝节线，金属过孔位于该L型金属开路枝节线的末端。

本发明透射型宽带介质基超表面天线的工作过程为：上矩形介质谐振器将入射的自由空间电磁波通过谐振接收下来，然后通过上金属地板，利用缝隙耦合的方式耦合到上相移电路上。其中上相移电路通过金属过孔与下相移电路相连接，将电磁波传导到下相移电路上。两层相移电路为可自由调节层，在上、下相移电路上设置通路，在下相移电路设置两种不同的前向通路，分别编码为“0”和“1”模式，这两种通路因存在0.5倍波长的波程差，使得透射相位相差180°，由此实现1-bit数字编码所需要的相应相位差，电磁波最后通过下金属地板将电磁波耦合到下矩形谐振器，向天线表面的另一侧辐射出去。