[发明专利]一种极化和方向图协同重构的有源超表面天线

说明书

本发明提出了一种极化和方向图协同重构的有源超表面天线，用于解决现有有源超表面天线仅能实现极化或方向图单一功能重构的问题，包括辐射器及馈源，辐射器包括M×N个有源超表面单元，有源超表面单元包括介质基板及印制在介质基板上下表面的金属贴片且在上表面金属贴片外侧正交方向上设置有两个有源器件，有源器件的两端分别通过贯穿介质基板的直流偏置金属化过孔、短路金属化过孔与外置偏置电路、金属底板连接；通过直流偏置金属化过孔施加不同电压控制辐射器中有源超表面单元的干涉图样阻抗分布，实现波束的极化重构及方向图重构。本发明实现了极化和方向图协同重构的有源超表面天线，可用于无线通信领域。

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种超表面天线，具体涉及一种极化和方向图协同重构的有源超表面天线，可用于无线通信领域。

背景技术

极化方式是电磁波的最基本特征之一，常见的极化方式有线极化和圆极化，其中圆极化又可分为左旋圆极化和右旋圆极化。在不同的无线通信系统中，对电磁波的极化方式要求是不同的。比如地面与卫星之间使用圆极化电磁波进行通信，雷达系统用两种正交的线极化或者两种正交的圆极化电磁波进行探测扫描等。

随着科技的日益发展，卫星等无线通信系统朝着多功能化、小型化发展，对电磁调控设备的个性化要求也越来越高，因此能够同时实现多种极化状态及波束指向重构的电磁设备对卫星及雷达探测等无线通信系统具有重要的意义。现有的有源超表面阵列天线，通常仅能实现波束指向重构或极化状态重构，难以实现波束及极化的协同独立重构。例如，申请公布号为CN113517563 A，名称为“一种有源超表面波束扫描结构”的专利申请，公开了一种基于有源超表面的波束重构天线，包括：多级有源超表面，级间通过空气层分隔，每级有源超表面最外侧的两个介质基板外表面的金属环与内实心金属片之间连接有金属焊盘用于对称加载变容二极管。改变变容二极管偏置电压可调整变容管电容大小以得到透射波等相位差，从而实现有效的电子扫描波束，该有源超表面天线仅能实现波束指向重构无法实现极化重构。申请公布号为CN114336077 A，名称为“一种基于有源超表面的极化可重构转换器”的专利申请，公开了一种基于有源超表面的极化可重构天线，该天线单元是由单个超表面单元和一个PIN二极管组成，每个超表面单元由三层金属，三层介质以及连接顶层和底层的金属化过孔构成，通过控制外围电压控制反射波极化状态，该有源超表面天线仅仅实现了两种极化的重构，且波束无法进行波束重构。上述发明中的有源超表面天线仅能实现单一功能重构，无法实现有源超表面天线的极化和波束指向的协同重构。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种极化和方向图协同重构的有源超表面天线，旨在实现有源超表面阵列天线多极化重构及方向图重构的特性。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种极化和方向图协同重构的有源超表面天线，包括辐射器1和位于辐射1中心位置的馈源2；所述辐射器1，包括M×N个有源超表面单元11，M≥2，N≥2，其中：

所述有源超表面单元11，包括板面为正方形的介质基板111、印制在介质基板111下表面的金属底板112和上表面的形状为正方形或圆形的辐射贴片113；所述辐射贴片113上设置有与外置偏置电路连接的直流偏置金属化过孔114，该辐射贴片113的边缘位置还设置有两个呈正交分布的有源器件115，所述有源器件115的自由端通过贯穿介质基板111的短路金属化过孔116与金属底板112连接；

在对直流偏置金属化过孔114施加不同伏值的电压时，有源器件115会呈现不同的工作状态，有源超表面单元11同时会拥有随有源器件115工作状态变化的表面阻抗，能够对辐射器1的干涉图样阻抗分布进行调整，进而实现有源超表面天线的极化及方向图重构；其中，进行极化和方向图协同重构时x极化方向图、y极化方向图、左旋圆极化方向图及右旋圆极化方向图重构的干涉图样阻抗分布中有源超表面单元11的表面阻抗Z_co-x(x,y)、Z_cro-y(x,y)、Z_LCP(x,y)及Z_RCP(x,y)的计算公式分别为：