一种基于正交结构的可编程固态等离子体扫描天线的制作方法

本实用新型涉及电子通信领域，特别是介质匹配层技术、微波器件技术、射频系统前端技术和等离子体实用技术等领域。提出了一种基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线。本发明可以实现X波段内的波束集中的平面反射阵列天线，属于微波器件技术、射频系统前端技术领域。

背景技术：

随着现代雷达和通信技术的高速发展，人们对于高增益、可重构、多复用天线的需求越来越高，平面反射阵列天线以其重量轻、体积小、价格便宜易于制造特别是易于和其他物体共形、易与微带电路集成等优点，受到了很高的重视，而固态等离子体天线与传统金属天线相比具有许多独特的优势，例如，隐身特性、快速重构特性，无阻尼振荡、高功率等特性，并且采用固态等离子体天线设计天线阵，比金属天线阵列的设计相对简化。

本发明的另一亮点是采用了固态等离子体来代替金属工作，利用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的改变。固态等离子体构成的谐振单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性。类似地，固态等离子体构成的谐振单元在激励时，即为激励状态，表现为金属特性，可代替金属组成反射阵列结构。控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素,来组成所需的不同尺寸、位置的反射阵列单元，在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束，因其快速可重构性，因而能进行动态的波速扫描即实现同一频段下波束的任意扫描。尤其可以通过动态的该改变固态等离子体的激励区域来实现对整个X波段的覆盖。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线，能够实现X波段内的波束，同时还能够提高阵列单元的相位特性曲线的线性度、扩大相位补偿的范围。

本实用新型提供一种基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线，由工作在X 波段的馈源喇叭及表面具有不同尺寸的阵列单元呈周期排列构成的双层反射阵列组成；所述馈源喇叭通过支架安装于双层反射阵列一侧，所述双层反射阵列包括若干个由下而上依次层叠的金属基板、第一介质基板、金属贴片单元、黏合基板、第二介质基板及固态等离子体贴片单元构成的反射阵列天线。本实用新型利用固态等离子体代替金属的工作，并且阵列单元的设计简单、造价低，经仿真计算后，本实用新型提出的基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体全空间波束扫描天线可正常工作。

本实用新型通过仿真计算可以得出反射阵列单元在不同位置的相位补偿图，进而得到尺寸分布图，由此做出的平面反射阵列在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束。且本实用新型在双层介质基板上增加狭缝，使得在不增加介质基板厚度的前提下阵列单元的相位特性曲线的线性度变好，且避免了因介质厚度的增加使相位补偿的范围缩小的问题，反而扩大了阵列单元的相位补偿范围并使相位曲线变得平滑。

本实用新型进一步限定技术方案为：所述固态等离子体贴片单元为双层贴片单元，由固态等离子体材料和金属材料构成的中心对称结构，包括置于中央的阴型六芒星结构以及外围的六边形边框结构；所述阴型六芒星结构的实体部分凹陷，空余部分填充，其双层贴片结构的上下呈90°正交。所述固态等离子体贴片中心的六芒星结构由两个呈180°中心旋转而成三角形边框构成，所述三角形边框由一大一小两个同心三角形相减而成，两个三角形的外接圆半径分别为a/2、(a/2)-w；其外围的六边形边框是由一大一小两个六边形相减而成，其中两个六边形的外接圆半径分别为(a/2)+0.1mm、(a/2)+(w/2)+0.1mm；最后用一个外接圆半径为 (a/2)+w+0.1mm的六边形减去上述的六芒星结构和六边形边框结构，使整个图形呈阴型。

进一步的，所述第一、二介质基板采用狭缝技术，分别在第一、二介质基板的四个边角设有结构对称的下层十字狭缝及上层十字狭缝，且置于第二介质基板上的上层十字狭缝的尺寸大于置于第二介质基板上的下层十字狭缝。四个所述上层十字狭缝由一个由两个交叉的长方体构成的最初十字狭缝经过三次90°的中心旋转形成，所述长方体的长宽高分别为 2.385mm、0.375mm、1.5mm。所述下层十字狭缝的尺寸是上层狭缝的0.8倍。

进一步的，所述第一、二介质基板均为边长12mm的正方形，其厚度为1.5mm，采用ogers RT/duroid 5880的材料制成，介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009；所述黏合基板的厚度为0.5mm，采用FR4_epoxy的材料制成，介电常数为4.4，损耗角正切值为0.02；第一层介质基板底部固定有大小相同，厚度忽略不计的铜质金属基板。

进一步的，所述双层反射阵列由30×30即900个经过计算得到的单层反射阵列单元组成，所述单层反射阵列是长和宽都为360mm，厚度为3.5mm的长方体。

进一步的，所述馈源喇叭的工作频段为X波段，位于双层反射阵列一侧中心的正上方距反射阵列表面363.5mm处，与Z轴夹角为10°。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型通过仿真计算可以得出反射阵列单元在不同位置的相位补偿图，进而得到尺寸分布图，由此做出的平面反射阵列在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束。且本实用新型在双层介质基板上增加狭缝，使得在不增加介质基板厚度的前提下阵列单元的相位特性曲线的线性度变好，且避免了因介质厚度的增加使相位补偿的范围缩小的问题，反而扩大了阵列单元的相位补偿范围并使相位曲线变得平滑。

(2)本发明是一种基于介质匹配层技术的可编程固态等离子体扫描天线，控制等离子体的激励模块负责控制激发每一个可重构像素,来组成不同尺寸、位置的反射阵列单元。在馈源喇叭的照射下，每个反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射阵列的空间相位差，从而使得整个阵列在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束。并且，通过控制固态等离子体地激励模块，我们可以实现可重构单元表面上反射阵列单元排列的动态变化，以实现辐射波束的动态扫描。

(3)本实用新型相较于传统的阵列单元设计，解决了在介质基板厚度改变的同时，阵列单元的相位特性曲线的线性度与相位补偿的范围反向变化的问题，并且阵列单元的设计简单、造价低，经仿真计算后，本实用新型提出的基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线可正常工作。

附图说明

图1为基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线的结构示意图，其中，(a) 为整体示意图，(b)为局部示意图；

图2为基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线的阵列单元的三维结构示意图；

图3为基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线阵列单元可重构表面的放大结构示意图；

图4、图5、图6分别为基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线单元在11GHz 频率的波束指向15°、20°、25°时的尺寸分布图；

图7、图8、图9分别为基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线在11GHz 频率的波束指向15°、20°、25°时的平面反射阵列的示意图与远场方向图，其中，(a)为平面反射阵列的示意图，(b)为远场方向图。

图中：1—馈源喇叭，2—30个阵列单元，3—介质基板，4—阵列单元，5—十字狭缝； 6—黏合基板，7—铜质背板。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

本实用新型提出了一种基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体全空间波束扫描天线，可以实现X波段内11GHZ频段下全空间波束扫描，特别是利用固态等离子体的可编程特性，能够快速加载可重构单元组成的反射单元，因而实现了波束在空间中动态扫描。

如图1中(a)所示，本实用新型的可编程全空间波束扫描天线包括工作在X波段馈源喇叭1、由可重构的固态等离子体和金属贴片构成的单元构成的双层反射阵列以及固态等离子体激励源。馈源喇叭1的入射方式为斜入射，天线是由30×30个可编程固态等离子体阵列单元2构成。

如图1中(b)所示，本实用新型的可编程全空间波束扫描天线的局部放大结构，可以清晰的看出由可重构的固态等离子体和金属贴片构成的阵列单元表面4通过Matlab编程形成了尺寸的变化。每个阵列单元的双层介质基板四个角都设有一个十字狭缝5，可以确保单元阵列的相位曲线更加平缓。

如图2中所示，基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线的阵列单元的三维结构示意图，阵列单元是边长为12mm的正方体，其中双层介质基板3厚度为1.5mm，其材料是Rogers RT/duroid 5880，介电常数为2.2F/m，损耗角正切值为0.0009；其黏合基板6厚度为0.5mm，材料是FR4_epoxy，介电常数为4.4F/m，损耗角正切值为0.02；其底部固定有大小相同，厚度忽略不计的铜质背板7。

如图3所示，基于六芒星正交结构的可编程固态等离子体扫描天线阵列单元可重构表面的放大结构示意图，其中固态等离子体材料贴片，以下层金属贴片(右侧)为例，中心的六芒星结构是两个呈180°中心旋转而成三角形边框构成，该三角形边框由一大一小两个同心三角形相减而成，两个三角形的外接圆半径分别为a/2、(a/2)-w；其外围的六边形边框是由一大一小两个六边形相减而成，其中两个六边形的外接圆半径分别为(a/2)+0.1mm、 (a/2)+(w/2)+0.1mm；最后用一个外接圆半径为(a/2)+w+0.1mm的六边形减去上述的六芒星结构和六边形边框结构，使整个图形呈阴型。另一层固态等离子体贴片(左侧)与下层金属贴片呈90°正交，所有尺寸上都是下层贴片的k倍。

图中所提到的尺寸大小如表1所示：

表1

在本实用新型中，上层固态等离子体贴片(左侧)与下层金属贴片(右侧)均可通过Matlab 编程方式改变参数a的大小以实现尺寸的调控，从而实现相位补偿，并实现该双层反射阵列结构达到在X波段的特定频率范围内工作的要求，在馈源喇叭照射下，产生相应角度的辐射波束转变。

该可编程固态等离子体全空间波束扫描天线在经过相位补偿和特性位移曲线的计算，可以得出每一个单元在11GHZ频率下所需的尺寸a。如图4、图5、图6所示，分别为波束指向15°，20°，25°的阵列单元的尺寸大小分布图。在馈源喇叭的照射下，可以得到同一频段、不同波束指向的双层反射阵列结构，控制第一层固态等离子体贴片与第二层金属贴片的尺寸大小，从而可以得到所需相应的双层反射阵列单元，每个双层反射阵列单元可以通过修正相位延迟来补偿馈源照射双层反射阵列结构的空间相位差，从而使得整个双层反射阵列结构在某一个远场方向上获得等相位面，实现同相相加，由此得到该方向上的辐射波束，实现不同频段下波束的任意扫描。

在上述基础上，通过HFSS来构建三个工作于11GHZ不同波束角度的状态下的双层反射阵列结构如图7(a)、图8(a)、图9(a)所示。经分析得到了不同波束角度状态下的远场方向图如图7(b)、图8(b)、图9(b)所示。

在第一种工作状态下，图7(a)中的所设计的反射阵列天线得到的远场方向图图7(b)，最大波束在yoz平面内指向θ1＝15°，仿真结果最大波束θ1＝14°，可以看出在该角度下波束的指向性比较好，能量比较集中；同样，第二种工作状态下，图8(a)中的所设计的反射阵列天线得到的远场方向图图8(b)，最大波束在yoz平面内指向θ2＝20°，仿真结果最大波束θ2＝19°；第三种工作状态下，图9(a)中的所设计的反射阵列天线得到的远场方向图图9(b)，最大波束在yoz平面内指向θ3＝25°，仿真结果最大波束θ3＝25°。

本实用新型是采用固态等离子体来代替双层贴片中上层金属工作，利用外部的逻辑阵列进行编程控制，来实现对固体等离子体激励区域和激励状态的动态调控。固态等离子体构成的谐振单元未激励时，即为未激励状态，表现出介质特性。类似地，固态等离子体构成的谐振单元在激励时，即为激励状态，表现为类似金属的特性，可代替金属组成反射阵列结构。在馈源的照射下，由于阵面上所组成的反射单元结构尺寸存在偏差，以此修正反射相位延迟，补偿空间相位差，在远场获得等相位面，实现同相相加，得到所需方向上的辐射波束。这种双层反射阵列结构能够做到小型化、易集成，无复杂的馈电和功分网络，损耗较小，可以进行共形设计，剖面低、质量轻、加工简单成本低，经过合理设计，可工作于整个X波段，能够对全空域进行扫描。

以上所述，仅为本实用新型中的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本实用新型所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本实用新型的包含范围之内，因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。