一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元的制作方法

本发明涉及人工电磁媒质和反射阵列天线技术，特别是一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元。

背景技术：

反射阵列天线由于它们低成本、高增益和易于加工的优势正获得越来越大的关注度。由于反射阵列天线通常采用空间馈电技术，无需设计复杂的功率分配网络，因而使得它们较容易用来实现大口径天线。而可重构反射阵列天线则可以通过在每一个阵列单元中集成可调微波组件来实现动态波束赋形，从而成为复杂相控阵天线的一种可行的替代选择。

迄今为止，人们已经提出多项技术来设计可重构反射阵列，例如可调微波阻抗表面，铁电陶瓷基反射阵列，以及携带开关二极管的微带贴片天线。相比于其他能够提供连续相位变化的模拟式反射阵列，本发明提出的具有1比特数字移相器功能的反射阵列单元采用了简单的直流控制系统，并且成本较低，因此更加适合应用与大口径反射阵列天线设计。另一方面，已有的电控反射阵列设计，不管是数字式还是模拟式，均存在带宽窄和极化灵活性较低的问题。

数字超材料是近年来受到学术界和工业界广泛关注的一种新型人工电磁媒质(metamaterials)，这种人工材料通过将例如开关二极管等在内的数字电路元件和人工单元相结合，实现了对电磁波的灵活控制，突破了传统人工电磁媒质一经制备即功能固定缺乏灵活性的缺陷，且具有将数字信息和空间电磁场直接转化的能力，省去了传统的ad/da转换模块等微波组件，具有广阔的应用的前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元，实现动态波束赋形的宽带多极化反射阵列天线。

实现上述目的的技术方案为：一种比特可重构宽带多极化反射阵列单元，包括顶层金属层、中间层金属层、底层金属层、金属化过孔、上介质板、下介质板；顶层金属层设置于上介质板上底面，顶层金属层上设置四个尺寸相同的圆形馈电端，中间层金属层设置于上、下介质板之间，底层金属层设置于下介质板下底面，金属化过孔设置四个且分别穿过中间层金属层和上、下介质板与馈电端和底层金属层连接；底层金属层上设置与金属化过孔连接的金属贴片，每一金属贴片向相邻金属化过孔延伸等长的金属微带线，相邻金属化过孔的金属微带线之间连接一开关二极管。

采用上述单元，设开关二极管依次为第一开关二极管、第二开关二极管、第三开关二极管、第四开关二极管；当第一开关二极管、第三开关二极管导通，第二开关二极管、第四开关二极管截止时，单元的反射相位为0°，对应“0”状态；当开关第二开关二极管、第四开关二极管导通，第一开关二极管、第三开关二极管截止时，单元结构的反射相位为80°，对应“1”状态。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：(1)单元采用多极化馈电方式，能够反射与入射极化方向不同的电磁波，实现宽带多极化的反射阵列天线。且仅仅通过控制开关二极管，即可形成“0”和“1”两种反射相位，实现数字移相器的功能，可以成为大口径相控阵天线的一种替代选择，在军事和商业应用上有着重要前景；(2)本发明采用简单的直流控制系统进行控制，成本较低；(3)本发明制作简单，加工方便，利用成熟的pcb加工和装配技术就可以完成对本发明的加工。

下面结合说明书附图对本发明作进一步描述。

附图说明

图1为1比特可重构宽带多极化反射阵列单元的结构示意图，包括侧视图和三层金属结构的平面图，其中(a)为单元结构的顶部视图，包含顶层金属结构和金属化过孔，(b)为中间层金属结构平面图，(c)为单元结构的底部视图，包含底层金属结构和金属化过孔，其中有金属贴片v1，v2，v3，v4，开关二极管d1，d2，d3，d4。

图2为由反射阵列单元组成的反射阵列对线极化入射波的反射效果示意图。

图3为开关d1和d3导通，开关d2和d4截止时，由所述反射阵列单元组成的反射阵列在x方向线极化入射下，共极化反射系数sxx和交叉极化反射系数sxy幅度随频率的变化。

图4为通过切换开关状态生成的1比特反射相位示意图，包括0°和180°两种相位状态。

图5为分别在30°斜入射下和0°正入射下反射阵列对线极化入射波的反射系数幅度随频率的变化示意图。

图6为分别在30°斜入射下和0°正入射下反射阵列对线极化入射波的反射相位随频率的变化示意图。

图7为由反射阵列单元组成的反射阵列对圆极化入射波的反射效果示意图。

图8为开关d1和d3导通，开关d2和d4截止时，由所述反射阵列单元组成的反射阵列在左旋圆极化入射下，共极化反射系数sll和交叉极化反射系数slr幅度随频率的变化示意图。

具体实施方式

本发明的一种1比特可重构宽带多极化反射阵列单元，基于数字超材料的设计思想，采用双极化馈电方式，能够将入射极化电磁波反射不同极化模式的电磁波，另外单元底部金属结构集成了四个开关二极管，通过直流控制电路控制开关二极管的工作状态，提供1比特的相位可重构功能。

图1给出了单元的实物图，包括整体的侧视图，和3层金属结构层的平面图。包括顶层金属层1、中间层金属层2、底层金属层3、金属化过孔4、上介质板、下介质板。顶层金属层1设置于上介质板上底面，顶层金属层1上设置四个尺寸相同的圆形馈电端11，中间层金属层2设置于上、下介质板之间，底层金属层3设置于下介质板下底面，金属化过孔4设置四个且分别穿过中间层金属层2和上、下介质板与馈电端11和底层金属层3连接；底层金属层3上设置与金属化过孔31连接的金属贴片，每一金属贴片向相邻金属化过孔31延伸等长的金属微带线，相邻金属化过孔31的金属微带线之间连接一开关二极管。中间层金属层2上在金属化过孔21周围设置物理隔离区域。

图2给出了所述单元组成的反射阵列对线极化入射的反射示意图。在入射波为x方向线极化模式下，反射波有x方向的线极化和y方向的线极化两种反射模式，其中共极化反射系数sxx表征x方向的线极化反射波功率和入射波功率的比例，交叉极化反射系数sxy表征y方向的线极化反射波功率和入射波功率的比例。

图3给出了开关d1和d3导通，开关d2和d4截止时，x方向线极化入射下，x方向线极化反射系数sxx和y方向线极化反射系数sxy的幅度变化。从图3可以看到，所述反射阵列的1-db极化转换带宽覆盖了5.27ghz到6.27ghz，相对带宽超过了17％。在此频率范围内，x方向线极化入射的电磁波被有效反射为它的交叉极化模式。

图4给出了通过切换开关状态，生成的1比特反射相位，包括0°和180°两种相位状态。当开关d1、d3导通，开关d2、d4截止时，单元结构的反射相位为0°，对应“0”状态；当开关d2、d4导通，开关d1、d3截止时，单元结构的反射相位为180°，对应“1”状态。从图4可以看到，5.27ghz到6.27ghz的频率范围内，两种反射相位模式形成180°相位差。

图3图4的具体工作原理为：当电场方向为x方向的电磁波入射到单元结构时，入射电磁波被贴片天线接收，并通过金属化过孔v1和v3传输到底部金属层。当开关d1和d3导通，开关d2和d4截止时，在v1和v3接收到的能量就会被相对应地传输到v4和v2。同时，接收的能量将会被电场方向沿着y方向的贴片天线重新辐射。因此x方向的线极化入射波会反射到y方向的线极化反射波。由于结构的对称性，那么y方向的线极化入射波会反射到x方向的线极化反射波。另外，由于过孔v1的能量能够通过开关的控制传输到v2和v4，且v2和v4的位置在物理空间上相逆，因此“0”和“1”两种反射状态会形成180°相位差。

图5和图6给出了30°斜入射下所述反射阵列对线极化入射波的反射系数幅度和相位随频率的变化，并和0°正入射进行比较。可以看到所述反射阵列在30°斜入射和0°正入射下具有非常类似的相应。同时可以看到，在1-db工作带宽内，不同入射角度下的相位变化小于10°。上述结果验证了所述反射阵列采用空间馈电方案的可行性。

图7给出了开关d1和d3导通，开关d2和d4截止时(对应“0”状态)，左旋圆极化(lhcp)入射下，右旋圆极化(rhcp)反射系数slr和左旋圆极化(lhcp)反射系数sll的幅度变化。从图8可以看到，在5.27ghz到6.27ghz频率范围内，所述反射阵列将入射圆极化电磁波有效地反射为同极化模式的圆极化电磁波，正好与金属板的反射特性相反。另外，通过控制开关二极管的导通，同样也能实现与线极化相类似的1比特相位可重构功能。