一种基于多层共形菲涅尔表面的电扫描透镜天线

摘要

本发明公开了一种基于多层共形菲涅尔表面的电扫描透镜天线。透镜天线主要由天线馈源和多层共形表面组成，天线馈源位于多层共形表面的中央，多层共形表面围在天线馈源周围形成柱面状，多层共形表面主要由多层共形表面单元紧密阵列构成，每个多层共形表面单元均由单层的频率选择表面层叠构成，频率选择表面为弯曲的弧形表面；频率选择表面中，介质基板为弧形板，介质基板一侧表面上的中央布置有双工字型叉指结构，双工字型叉指结构中两个叉指金属之间通过变容二极管连接。本发明通过控制频率选择表面的相位补偿功能，形成菲涅尔相位补偿衍射条纹，对天线馈源发射的电磁波进行行为调制，形成全向扫描功能。

说明书

技术领域

本发明属基于多层共形表面的可重构天线领域，公开了一种用于实现全向扫描的可重构电扫描透镜天线。

背景技术

相控阵天线因为具备了控制波束等能力，有着广泛的应用。但受制于复杂的馈电方式与移相器件，相控阵天线的成本居高不下。针对于此，利用多层表面对天线馈源发出的波束进行调制，形成菲涅尔条纹，进而控制波束，可以避开设计复杂的移相电路等馈电电路，降低设计以及制作成本，同时可以获得部分更优于传统相控阵天线的性能。

利用多层表面对波束进行调制的基本原理是多层频率选择表面每一个单元对入射的电磁波均可施加一额外的相位，通过改变多层表面单元上的电场分布，就可以调整相位值。利用每一个单元都可以调整相位的能力，就可以构建菲涅尔相位补偿衍射条纹，控制波束偏转，实现波束可重构。而使用共形技术可以充分利用设计空间，提高空间使用率。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明公开了一种基于多层共形菲涅尔表面的电扫描透镜天线，用于实现全向扫描，可重构电扫描。

本发明采用的技术方案是：

所述的透镜天线主要由天线馈源和多层共形表面组成，天线馈源位于多层共形表面的中央，多层共形表面围在天线馈源周围形成柱面状，多层共形表面主要由多层共形表面单元紧密阵列构成，每个多层共形表面单元均由单层的频率选择表面层叠构成，且所述的频率选择表面为弯曲的弧形表面；所述的频率选择表面包括介质基板、双工字型叉指结构和变容二极管；介质基板为弧形板，介质基板一侧表面上的中央布置有双工字型叉指结构，双工字型叉指结构主要有两个叉指金属相对穿插布置构成，两个叉指金属之间通过变容二极管连接。

所述的多层共形表面为多个相同的多层共形表面单元阵列构成的圆环柱面共形表面或者弧形柱面共形表面。

所述的天线馈源是能覆盖全角度的全向天线，全向天线拥有一个输入端口。

所述的天线馈源是主要由多个定向天线组成的相位中心点在中央的环形天线阵，由多个定向天线沿圆周环绕均布构成环形结构，环形结构下方设有一分多射频开关，每个定向天线电连接到一分多射频开关的各个输出端口，定向天线共用一分多射频开关的一个输入端口。

多层共形表面单元的各个频率选择表面中的双工字型叉指结构布置于介质基板的同一侧或者不同侧。

通过向变容二极管施加偏置电压，调整每个频率选择表面的电场来调整频率选择表面所在位置的入射波相位，进而调整多层共形表面上各个多层共形表面单元的电场分布，使得平行于天线馈源的同一列上的各个多层共形表面单元的电场分布相同，在多层共形表面上形成菲涅尔相位补偿衍射条纹，对天线馈源发射的电磁波进行行为调制，形成全向扫描。

所述的透镜天线用于微波以及毫米波领域。

本发明基于多层共形表面，通过改变每个单元的多层表面单元的电场分布，就可以对天线馈源发出的入射波进行调制，通过采用一定方法控制每个单元的调制相位，生成菲涅尔相位补偿衍射条纹，继而对波束进行控制，形成可以实现全向扫描的可重构天线。

本发明具有的有益效果：

本发明的天线可以实现全向扫描或者指定角度范围内的扫描。

本发明的天线可以保证大角度扫描的情况下增益保持稳定。

本发明的天线可以实现大角度甚至者全向角度电扫描。

本发明的天线可充分利用空间环境，具备较广的适用范围。

附图说明

图1是本发明的透镜天线布置示意图。

图2是透镜天线的天线馈源示意图。

图3是透镜天线的多层共形表面示意图。

图4是透镜天线相关实例使用的构成多层共形表面的频率选择表面结构以及分布示意图。

图5是频率选择表面的传输性能示意图。

图6是两层频率选择表面叠加之后的传输性能示意图。

图7是透镜天线工作时构建的菲涅尔相位补偿衍射条纹示意图。

图8是透镜天线的多层共形表面相位分布计算示意图。

图9是透镜天线相关实例示意图。

图10是透镜天线实施例的小角度扫描数据结果图。

图11是透镜天线实施例的大角度扫描数据结果图。

图中：1.天线馈源，2.多层共形表面，3.全向天线，4.输入端口，5.环形天线阵，6.定向天线，7.相位中心点，8.一分多射频开关，9.圆环柱面共形表面，10.弧形柱面共形表面，11.多层共形表面单元，12.频率选择表面，13.菲涅尔相位补偿衍射条纹，14.天线辐射波束，15.介质基板，16.双工字型叉指结构，17.变容二极管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步说明。

如图1所示，透镜天线主要由天线馈源1和多层共形表面2组成，天线馈源1位于多层共形表面2的中央，多层共形表面2围在天线馈源1周围形成柱面状，多层共形表面围绕着天线馈源，由多层共形表面对天线馈源发射出的波束进行相位补偿，从而实现可重构。

如图1所示，多层共形表面2主要由多层共形表面单元11紧密周期阵列构成，每个多层共形表面单元11均由单层的频率选择表面12层叠构成，且频率选择表面12为弯曲的弧形表面。

多层共形表面2为多个相同的多层共形表面单元11阵列构成的圆环柱面共形表面9或者弧形柱面共形表面10，分别如图3(a)和图3(b)所示。用于相位补偿的共形表面是弧形柱面或者圆柱面的多层频率选择表面，从而使得多层共形表面整体是一个弯曲的表面，可以形成弧形柱面或者圆柱面。

如图2(a)所示，一种实施的天线馈源1是能覆盖全角度的全向天线3，全向天线3拥有一个输入端口4。

如图2(b)所示，另一种实施的天线馈源1是主要由多个定向天线6组成的相位中心点7在中央的环形天线阵5，由多个定向天线6沿圆周环绕均布构成环形结构，环形结构下方设有一分多射频开关8，每个定向天线6经电线电连接到一分多射频开关8的各个输出端口，一分多射频开关8拥有一个输入端口4，定向天线6共用一分多射频开关8的一个输入端口4。

如图4(a)所示，频率选择表面12包括介质基板15、双工字型叉指结构16和变容二极管17；介质基板15为弧形板，介质基板15一侧表面上的中央布置有双工字型叉指结构16，双工字型叉指结构16主要有两个叉指金属相对穿插布置构成，两个叉指金属之间通过变容二极管17连接；具体实施中，叉指金属包括两部分，一部分为叉指结构形态，另一部分为工字结构形态。

当极化方向与叉指方向相同的相应频率入射波，通过上述结构的频率选择表面12时，入射的电磁波与频率选择表面12产生谐振，在传播方向上激励相同极化相同频率的出射波，出射波与入射波的场强基本一致，即实现了透射。但与没有这一结构的透射相比，两者存在一定的相位差。只有单层频率选择表面12的时候，是无法比较出相位差的。但是要是有两层及以上频率选择表面12，通过改变变容二极管17的电容值，就可以改变透射带来的相位改变量，前后比较就有相位差，即实现了移相功能。

变容二极管17连接电源，通过向变容二极管17施加偏置电压，调整每个频率选择表面12的电场来调整频率选择表面12所在位置的入射波相位，进而调整多层共形表面2上各个多层共形表面单元11的电场分布，使得平行于天线馈源1的同一列上的各个多层共形表面单元11的电场分布相同，最终实现调整入射波的相位，在多层共形表面2上形成菲涅尔相位补偿衍射条纹13，对天线馈源1发射的电磁波进行行为调制，形成全向扫描。

如图4(b)所示，多层共形表面单元11的各个频率选择表面12中的双工字型叉指结构16布置于介质基板15的同一侧或者不同侧。即多层共形表面单元11中有的频率选择表面12的双工字型叉指结构16布置于介质基板15靠近天线馈源1径向的内侧，有的频率选择表面12的双工字型叉指结构16布置于介质基板15靠近天线馈源1径向的外侧，或者是全部的频率选择表面12的双工字型叉指结构16布置于介质基板15靠近天线馈源1径向的内侧或者外侧，但各个多层共形表面单元11结构均相同。

每个多层共形表面单元11都是由多层的频率选择表面12组成，每一层频率选择表面12都可以通过改变其电场分布来实现对传输性能的调整，因此多层叠加就可以有效改变传输性能，这其中就包括相位信息。利用多层频率选择表面叠加可以对电磁波进行相位补偿的原理，多层共形表面可以对入射的球面波进行相位补偿，输出不同指向的波束，实现可重构。

为了进一步说明使用多层频率选择表面12的调相效果，根据图4描述设计的频率选择表面12的传输性能如图5所示。对变容二极管17两端施加反向偏置电压，变容二极管17可以等效为一个可变电容，电容值随着反向偏置电压变化而变化。随着变容二极管17的电容值的变化，频率选择表面12的通带也随之发生变化。如图5所示，当变容二极管17的电容值是1pF时，频率选择表面的通带在5.4GHz附近；当电容值变为2pF时，频率选择表面12的通带移动到5GHz附近；当电容值进一步变为3pF时，频率选择表面12的通带移动到4.74GHz。

当两层频率选择表面12叠加在一起，中间相距5mm时，其传输性能如图6所示。如图6(a)可以看到当两层频率选择表面12的变容二极管17的电容值都是1pF时，工作通带在5.4-5.7GHz附近；当两个变容二极管17的电容值都变为1.5pF时，工作通带在5.1-5.6GHz附近。此处选定5.4GHz作为观察频率，这个频率下四组电容值对应的通带性能基本一致，然后观察不同电容值下的相位值，如图6(b)所示。当两个变容二极管17的电容值都是1pF时，此时5.4GHz处的相位是-50°；当电容值都变为2pF时，此时5.4GHz依旧处在通带内，相位是-120°，两者相差70°。由此可以看出，在保证工作频率处在通带范围内的前提下，改变变容二极管17的电容值，就可以改变工作频率的相位。印证了多层频率选择表面叠加可以用于相位调制的观点。

如图7所示，当天线馈源发射的球面波传播到多层共形表面处，多层共形表面根据透射式扫描光栅的基本原理形成菲涅尔条纹，形成三个周期结构，三个周结构分别对应输出天线辐射波束14，然后在条纹上施加相位补偿，进一步提升出射波的增益，图上多层共形表面上的颜色深浅即代表不同相位补偿的菲涅尔相位补偿衍射条纹。多层共形表面可以根据所需要的波束指向以及波束数量划分成不同的区域，分别构建相应频率以及相应波束宽度以及波束指向的菲涅尔相位补偿衍射条纹。

具体实施原理如图8所示。从天线馈源处发射出一球面波，其中有三条路径，分别是r₀、r₁和r_i。三条路径分别传输到多层共形表面的n₀，n₁，以及n_i单元。此处选择r₀作为预定波束传输方向，经过共形表面单元的相位补偿，其向预定传输方向上输出的波束路径分别为S₀，S₁以及S_i。因此就有S₀、S₁之间的相位差表示为：

同时S₀、S_i之间的相位差可以表示为：

其中，k₀为波矢，表达式是f为工作频率，c是光速。

为实现波束向预定方向偏转，经过不同单元相位补偿后的波束应该是相干的，即相位差的范围应该是：

其中，n表示为正整数。因此第n_i单元应该对入射的电磁波进行相位补偿，使之处在相干的状态。根据上述表达，第n_i单元应保证的相位补偿量△Φ_i是：

根据单元的相位补偿能力确定一个合适的使之尽量接近或者达到理想相位补偿值，这样可以最大限度发挥单元的补偿能力，获得最好的波束调制效果。

因此每一个单元的相位调整方法可以表示如下。首先确定波束扫描指向角度，确定为预定波束传输方向，选定预定波束传输方向上的单元与发射单元的连线为参考路径，并确定预定波束传输方向上的单元为0°。然后分别计算其余单元与发射源组成的路径与参考路径的差值，并换算为相位差。这个相位差就是其余单元应该补偿的相位△Φ_i。但实际上可能存在单元相位补偿能力不能达到应该补偿的相位的情况，此时应发挥单元最大相位补偿能力，使此单元出射的波与参考单元的出射波束呈相干状态。

通过以上手段就可以保证波束在预定方向上有增强效果，通过改变参考波束方向，就可以实现波束扫描角度可重构。

本发明提供了具体实例如图4所示。实例使用了两层频率选择表面来对波束进行调制，每一层频率选择表面使用的是将双工字型叉指结构单面印刷到F4B-255介质板上，并在双工字型叉指结构上焊接变容二极管SMV1405，并通过施加偏置电压，使二极管工作在反偏状态，通过改变偏置电压大小，就可以改变双工字型叉指结构上的电场分布。将两层介质板弯曲成半圆放置在一起，间距w为6mm，每个介质单元与天线馈源的间距是d，数值为200mm，为保证结构单元能准确对齐，内侧结构单元的长度p₁是12.87mm，外侧结构单元的长度p₂是12.5mm。整个共形表面是一个半圆柱结构，沿弧面共拥有50组双层共形表面单元组成，每一组有17个双层共形表面单元。此结构的工作原理是对双工字型叉指结构施加直流电压，使变容二极管处在反偏工作状态，此时变容二极管可以视为一个电容，通过分别改变每一组共形表面单元的每一层电压，使变容二极管的反偏电容值发生变化，就可以改变每层电压的电场分布，就可以改变传输性能，双层单元相叠加，就可以改变传输相位信息，进而具备相位补偿功能。本实例具备的相位补偿能力是在5.75GHz处有195°的相位补偿能力。

本发明提供实例的具体布局如图9所示。本实例使用了三个贴片天线组成了一个半圆布置的天线阵列，其中①号天线居中，②号天线居左，③号天线居右。相邻天线主要辐射方向之间的夹角为50°，通过切换馈源就可以切换不同工作区域，进而实现±60°扫描。具体实物照片如图8、9所示。①号天线工作时的扫描范围如图10所示，可以看到在工作频率选在5.75GHz处时，波束宽度为8°，扫描范围为±30°。②号天线和③号天线分别工作时的扫描范围如图11所示，可以看到③号天线工作时可以覆盖30°-60°范围，而②号天线工作时可以覆盖-60°--30°。因此整体可以覆盖正负60°的范围，并且可以保证增益在13dB以上。和传统相控阵天线扫描到大角度，增益迅速下降的情况相比，本发明实例可以保证大角度扫描状态下增益保持稳定。

以上所述，仅是本发明在5.75GHz特定频率的较佳实例而已，并非对本发明做任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上事例所做的任何的简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明的保护范围之内。