一种幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元的制作方法

1.本发明属于天线与新型人工电磁材料领域，涉及一种新型的幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元设计。


背景技术：

2.电磁超材料是亚波长微结构的一些特殊排列，通过人为的设计这些微结构可以在特定的频率范围内表现出奇异特性。通过周期或者非周期的排列构造出的超材料可以表现出自然界中常规材料不具备的特性，例如产生负折射现象、逆多普勒平移等等。超表面的概念由超材料衍生而来。它是一个周期性的阵列结构，最终形成的超表面一般表现出各向异性。利用超表面可以对反射或透射的电磁波的特性如相位、幅值、极化、波束形状等进行调节。
3.透射型电磁超表面是一种典型的聚焦设备，具有高增益、高方向性、损耗小、成本低等特点。透射型电磁超表面由馈源和一定数量的具有特定传输幅度和相位的单元组成，一种常用形式就是接收-处理-发射型单元。这种单元一般在介质基板两侧印刷有两个方向相反的微带贴片，中间是两者共用的金属地板。地板可以保证两者之间的隔离以及微带贴片的定向辐射。其中，接收贴片用来接收来自馈源的能量，发射贴片将接收贴片接收到的能量辐射到自由空间中。在发射和接收部分都加载有传输线，通过调节传输线的结构可以控制透射幅度和相位的变化。和其他结构单元相比，接收-发射型单元的优点是可以在传输线上或者接收以及发射微带贴片上加载可调电子器件，实现可重构特性，但是这种单元也存在带宽较窄、辐射效率较低的缺点。
4.接收-处理-发射型幅度相位可调透射单元为是实现复杂功能的低剖面天线阵列提供了解决办法，通过对超表面的幅度、相位进行排布，可以对近场任何一个表面的电场的能量进行设计与构建，也可以对远场的波束指向进行设计，因此在近场多通道通信，无线能量传输以及远场波束扫描、自适应波束设计等领域具有无限大的潜力。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明提供了一种可以实现幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元，利用电磁波的分解与叠加，给出一种简单的设计的思路与方法，在接收-处理-发射结构的基础上，只需要通过设计两个移相器的尺寸，就可以实现任意的传输幅度和相位。
6.技术方案：为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
7.一种幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元，包含接收天线、信息处理层、发射天线；所述信息处理层包括功率分配器和两个移相器以及功率合成器，功率分配器与两路移相器相接，再通过功率合成器合并电磁波；所述信息处理层将接收天线接收的电磁波进行分解并合成，实现幅度相位独立可调，并将调制后的电磁波通过金属通孔传输至发射天线部分。通过对信息处理层的两个微带移相器进行尺寸变化，获得不同的相位补偿，进而实现不同幅度和相位的传输系数。
8.进一步的，包含上下两个单层电路印刷板和中间的一个多层印刷电路板；所述多层印刷电路板包括两层介质基板与三层金属；所述接收天线一部分设置于上单层电路印刷板，另一部分设置于多层印刷电路板的上层金属；所述信息处理层设置于所述上层金属；所述发射天线一部分设置于下单层电路印刷板，另一部分设置于多层印刷电路板的下层金属；所述多层印刷电路板的中层金属为金属地层。
9.进一步的，上下两个单层电路印刷板电路板与之间多层印刷电路板分别有1.2mm和2mm的空气间隔。
10.进一步的，所述单层电路印刷板由厚度0.5mm、介电常数2.65、损耗角正切为0.003的f4b介质板和厚度0.018mm的印刷金属铜构成。
11.进一步的，所述多层印刷电路板的介质基板的介电常数为2.65，损耗角正切为0.003，厚度分别为0.2mm和0.5mm，由导电胶4450f粘连在一起，金属材质为铜，厚度均为0.018mm。
12.进一步的，所述上单层电路印刷板上的接收天线为蝶形天线，接收空间波并将电磁波传播至信息处理层左侧的接收天线，空间波转化为导行波进行传输。蝶形天线提高了工作带宽，优化后的形状和尺寸保证了接收天线部分的传输幅度近似为1。
13.进一步的，所述多层印刷电路板上接收天线与所述信息处理层之间设置匹配枝节，以降低反射系数。
14.进一步的，所述下单层电路印刷板上的发射天线为蝶形天线，所述多层印刷电路板上的发射天线接收到调制后的电磁波，转换为空间波辐射至蝶形天线并辐射到空气中，同样保证了发射天线部分传输幅度近似为1。
15.本发明可以实现整体天线单元的传输系数的幅度在0-1之间、相位在0
°‑
360
°
之间任意可调。
16.有益效果：本发明提供了一种幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元设计，相比现有技术，具有以下有益效果：
17.1.本发明采用了接收天线-信息处理层-发射天线的结构对透射天线单元进行设计，相比于级联结构，具有剖面低、结构简单易于加工等优点。
18.2.本发明所使用的幅度相位设计方法是将电磁波通过功分器分解后，分别移相再进行合成，以实现特定的幅度和相位，同时添加匹配枝节，在工作频点反射很低，减少对发射机的损害。
19.3.本发明剖面低，具有轮廓低、风阻小、易于实现与载体共形等优点，在现代无线通信技术中得到越来越多的应用。
20.4.本发明理论清晰，不需要大量参数扫描，节省设计时间，降低设计难度。
21.5.本发明通过设计不同的幅度相位分布，可以实现不同功能的阵列天线，如实现波束偏折，低副瓣设计，多波束设计等功能。
附图说明
22.图1为透射型电磁超表面结构示意图。
23.图2为本发明整体结构图，由两个单层印刷电路板、一个多层电路板以及两层空气层构成。
24.图3为本发明的各个部分介质板及其所覆金属细节图；图3(a)为本发明的单层介质板及介质板上的蝶形金属贴片天线，用作接收电磁波；图3(b)为本发明的多层金属板及金属贴片，左侧矩形贴片为接收天线，右侧为功分器、移相器与功率合成器组合，用于处理电磁波的传输幅度和相位；图3(c)为本发明的多层介质板及背面金属贴片，为发射天线部分；图3(d)为单层介质板及蝶形金属贴片，用作发射电磁波。
25.图4为本发明在工作频点的传输系数幅度与相位范围，幅度为-30db-0db(近似为0-1)可调，相位为0
°‑
360
°
可调。
26.图5为基于本发明所设计的四波束平面天线阵及其三维仿真结果。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。
28.本发明提供了一种应用于微波段的幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元，主要包括两块单层印刷电路板、一块三层印刷电路板。可以分为接收天线，信息处理层以及发射天线三个部分，三个印刷电路板要分别保持1.2mm、2mm的空气距离。
29.接收天线部分由蝶形贴片天线将空气中辐射的空间波接收并通过介质和空气辐射至下层的矩形金属贴片，电磁波的形式由空间波转换为导行波。当传输系数幅度设计为a，相位设计为时，求解如下方程：
[0030][0031]
即可解出两路移相器的相位补偿分别为根据对移相器部分单独的仿真结果，将相位与移相器尺寸进行数据拟合，从而获得满足设计的移相器尺寸。
[0032]
位于顶部的接收天线和最下层的发射天线结构用来传输空间波，并保证了尽可能低的传输损耗，中间层根据上述理论实现任意幅度和相位的任意可调控，具有设计灵活等优点，并大大减少了仿真时间，不会给计算机造成大量负担。
[0033]
这里将在微波c波段具体实例化本发明所提到的幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元设计。为了证明所提出的设计的灵活应用能力，设计了一款通过独立控制幅度和相位响应，来控制透射波束的数量和方向的超表面阵列。设计的超表面在平面波激励下的透射方向图可以表示为：
[0034][0035]
其中a(m,n)和φ(m,n)表示(m,n)位置处单元的传输幅度和相位，d为天线单元的周期长度，θ和φ分别表示方向图的俯仰角和方位角。以四个波束为例，根据斯涅耳定律，每个单元对四个波束的幅度和相位响应可以写成a1(m,n)，a2(m,n)，a3(m,n)，a4(m,n)和整体的传输系数可以描述为：
[0036][0037][0038][0039][0040]
其中m,n为天线单元的数量，每个单元最终的传输系数由公式(3)-(6)叠加得到：
[0041][0042][0043]
其中，a(m,n)和即为每个单元最终的幅度和相位响应。
[0044]
上述的理论给我们提供了一种基于幅度相位独立可调的多波束透射超表面的设计方法。图5所示即为设计出的超表面阵列天线以及形成的四个波束的远场3d方向图，其中四个波束的俯仰角均为30
°
，方位角分别为0
°
、90
°
、180
°
、270
°
。该发明与其它仅拥有相位调控功能的天线对比，在实现多波束功能的过程中，副瓣更低，效果更好。
[0045]
本发明为了克服现有技术中存在的不足，提供了一种幅度相位独立可调且低反射的透射阵列天线单元，利用接收-处理-发射这一透射型结构，给出一种简单的设计的思路与方法，依据电磁场的叠加与分解，只需要通过求解方程(1)来设计移相器的相位补偿，即可实现传输系数幅度相位任意响应，从而构造多波束阵列天线等结构。
[0046]
本发明具有低剖面、易于设计、易于加工等优点，可用于实现二维波束偏折，多波束出射天线等。将来可以将fpga等硬件相结合，实现低剖面的波束扫描，新型毫米波无线通信系统等应用。
[0047]
需要说明，以上所述仅是本发明在微波c波段的优选实施方式，由于本发明具有单元结构设计思路明确并且便于制作的优点，同样的结构可以通过尺寸缩放应用到更多频段。应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。