[发明专利]一种波导结构电磁表面波束扫描阵列

说明书

本发明公开了一种波导结构电磁表面波束扫描阵列，该波束扫描阵列包括多层电磁表面结构和波导结构，电磁表面结构包括若干阵列排布的电磁表面单元，多层电磁表面结构层间通过介质层分隔，相邻的电磁表面单元通过波导结构隔离。本发明可用于便携式卫星通信，具有低剖面、高共形、低成本、低功耗、易加工、易实现等特点。

技术领域

本发明属于微波技术领域，尤其涉及一种波导结构电磁表面波束扫描阵列。

背景技术

自上世纪开始，无线通信技术得到飞速发展，天线在雷达、广播、电子对抗、导航等各个领域都有着广泛的应用。现代通信需处理的信息量和信息复杂程度不断提升，要求传输过程中信号的损失越小越好。考虑到现代通信的需求，功能单一的天线已经逐渐被淘汰，并对天线性能提出了更高的要求，诸如宽带、波束扫描、极化可重构等。

但是因为传统介质透镜尺寸与重量较大，以及在渐变介电常数透镜实现时因分层介质造成阻抗突变容易引起较大损耗，同时也带来加工困难等问题。为了克服上述不足，利用电磁表面阵列实现渐变相位延迟，利用电磁表面尺寸小与重量轻的优势，可以实现毫米波频段的电磁透镜，达到高增益、低旁瓣的同时实现轻量化于小型化。

电磁表面波束扫描技术是近年来从超材料技术中所衍生出来的前沿研究方向，对于新型电扫天线的设计具有重要意义，其具有低成本、低功耗、剖面低和灵活可控等优势特性，在电磁场辐射、隐身等领域具有重要的应用前景。电磁表面是通过在亚波长人工层状周期结构材料(超材料)单元加载PIN二极管、MEMS开关或变容二极管等有源器件来改变单元工作状态，利用FPGA电路系统实时控制电磁表面天线的调制状态，进而实现对空域电磁波的动态可控，引入电磁表面可通过设计增大波束扫描的带宽，加工难度也大幅减小，对工艺要求降低。

利用无源相位梯度电磁表面设计波束扫描是一个重要的研究方向，但是传统的无源电磁表面波束扫描设计仍存在着明显的缺点：在制备完成后，就无法再调节其功能和电磁特性，工作模式调控仍不够灵活。

然而实际应用中，需要在两种或者多种扫描角度间进行动态切换，即动态可调人工电磁超材料。实现动态可调的方法通常有以下三种：1、改变(物理)结构，可采用拉伸、旋转等机械操作方式；2、改变电响应，本质上就是改变材料性质，可使用可变性质的介质材料，如铁氧体、半导体材料或相变材料等；3、使用有源器件，如PIN管、变容二极管等。通过调节有源器件的偏置电压以改变单元结构等效电路模型中的电容值或电阻值等，从而实现对单元电磁特性的动态调节。本方案为实现可重构波束扫描电磁表面，采用电调节方式，具有操作简单，切换速度快、调控灵活等优点。

采用电调节方式的电磁表面有加载PIN管、变容二极管等方式：如《Polarization-Reconfigurable Circularly Polarized Planar Antenna Using SwitchablePolarizer》中利用加载PIN管的电磁表面设计的线-圆极化转换器，通过切换不同PIN管的通/断状态，改变不同电磁表面单元的工作状态，实现透射波的左/右旋圆极化的切换。然而采用导通的PIN管会产生直流功耗，适用于频率较低的结构，且调控状态离散，无法满足连续扫描相位要求。如《FSS-Inspired Transmitarray for Two-Dimensional AntennaBeamsteering》中在电磁表面上加载变容二极管，通过设置不同的电压值，得到不同的二维电子扫描波束，然而这种组合方式会导致电磁表面单元存在互耦，导致副瓣过高。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的不足，提出一种波导结构电磁表面波束扫描阵列。本发明通过改变变容二极管偏置电压可调整变容二极管电容大小以得到不同递进相位差的透射波，从而实现有效的电子扫描波束，同时将电磁表面单元放置于波导结构中，最大程度地减少了电磁表面单元之间的互耦和横向辐射。本发明可用于高性能的便携式卫星通信、低慢小目标探测等场合，具有低剖面、高共形、频带宽，调控灵活，低成本、低功耗、易加工、易实现等特点。