一种基于底端超表面切换的频率重构波导天线

本发明涉及频率重构天线领域，具体地说是一种频率可跨频段重构的波导天线。

背景技术：

1、天线是通信和雷达系统射频前端的重要组成部分。近年来，数字电路、信号处理、计算机芯片制造、软件工程等技术领域取得了突飞猛进的发展，通信系统中端和后端已基本实现了全数字化的信号处理功能。但是，作为通信系统最前端的天线模块，由于若干技术限制仍保持其传统的模拟化工作模式，与中后端信号数字化的工作模式非常不匹配，这样制约了整个通信系统的升级和更新换代。为了实现数字化重构功能赋予现代通信系统的高度灵活性，射频天线的频率重构成为迫切需要解决的问题。频率可重构天线是指天线工作频率大幅度改变的情况下，其辐射特性未发生明显变化，辐射性能保持稳定的天线。与频率调谐天线相比，可重构天线频率可跨频段切换，频率调整幅度大，辐射方向图不发生明显改变，辐射增益不会剧烈变动。目前可重构天线的技术途径主要包括：机械重构、电子重构和材料重构等方式，通过改变天线的电流和电场分布，实现对天线工作频率的大幅度改变。

2、x波段至k波段是微波雷达的常用波段，也是未来的5g和6g通信技术涉及的频段，因此作为硬件前端的射频天线需要具有多重频段的工作能力。与频率调谐方式相比，频率重构方式跨越的频段更广。另一方面，频率重构方式切换的速度更快，对于有高带宽、低时延要求的下一代通信技术来说，高速的频率重构技术显然更具有广泛的应用前景。

3、超表面技术是近年来快速兴起的电磁调控技术，主要通过表面金属的电容电感结构分布，改变对电磁波的幅度和相位响应，从而实现对电磁波的非传统性调控。关于超表面的反射特性研究最早可以追溯到电磁带隙(ebg,electromagnetic band gap)结构的提出和应用上。一方面，由于ebg结构具有特殊的禁带特性，可以用来抑制微带天线和其他印刷天线的表面波水平。另一方面，由于ebg能够产生从-π至π的反射相位，因此很多能够产生0°反射相位的ebg结构可以视为人工磁导体(amc，artificial magnetic conductor)，实现降低天线剖面高度，提高天线增益的若干用途。当ebg结构被用来实现0°相位反射时，其内部的过孔就显得可有可无，这样去掉过孔的ebg结构实际上就可以看成印刷在介质基底上下表面的金属面结构，这样双层金属表面结构的许多变型形式被用在不同的环境下，衍生出了各种各样的功能，如部分反射表面和反射超表面的概念。

4、与透射超表面相比，反射超表面的实现难度要小得多，因为无论怎样设计，只要满足发射波的相位叠加条件，反射超表面的底层金属板均能够保证其反射率接近于1，因此反射超表面的理论难度主要在于反射相位的设计。有别于传统介质材料和金属材料，超表面材料的响应带宽较窄，色散变化较快，非常适用于单波段工作的频率重构天线，因此基于超表面调控方式实现天线频率的重构是一种有潜力的技术途径。

5、目前，国际上已提出的基于超表面调控的频率重构天线主要采用旋转、截断或电压调控等方式，这些方法不可避免地产生了较多的寄生电磁效应，使得频率重构后天线的辐射性能发生明显改变，驻波性能不甚理想。另一方面，采用截断或旋转的方式，需要配备外部的旋转控制或截断控制模块，极大地增加了天线的外部体积。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，尤其是复杂调控结构引起的电磁寄生效应问题，本发明提供了一种基于底端超表面切换的频率重构波导天线，采用附着于天线底端滑轨的方式控制超表面的推入或抽离，从而实现在两种状态下，波导天线工作频率的跨频段切换。由于天线的调控结构简单，腔体的封闭性良好，因此可以有效减小天线的电磁寄生效应和所需要的外部体积，同时保持重构天线的辐射性能。

2、本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种反射超表面结构，包括自上而下依次设置的金属电容层、第一电路板、金属电感层、第二电路板、金属反射层；

3、金属电容层，设于第一电路板上；

4、金属电感层，覆盖于第二电路板上；

5、金属反射层，所述第二电路板覆盖于金属反射层上。

6、所述金属电容层利用热熔塑膜粘贴在第一电路板上；所述金属电感层利用热熔塑膜粘贴于第一电路板与第二电路板之间；所述金属反射层利用热熔塑膜粘贴在第二电路板底面。

7、所述金属电容层由多个金属电容层单元构成，所述多个金属电容层单元均匀分布于第一电路板上，任意相邻两个金属电容层单元之间的间距相等。

8、所述金属电容层单元为矩形。

9、所述金属电感层由多个金属电感层单元构成，所述多个金属电感层单元均匀分布于第二电路板上，任意相邻两个金属电感层单元之间的间距相等。

10、所述金属电感层单元为条形。

11、一种基于底端超表面切换的频率重构波导天线，包括波导天线、以及设于波导天线上的馈电同轴线、设于波导天线底部的反射超表面结构；

12、所述波导天线底部侧壁设有入口，所述反射超表面结构通过滑动装置经入口滑入或滑出波导天线内腔，通过反射超表面结构位于波导天线内和波导天线外的不同状态，使波导天线内腔存在不同的驻波谐振状态，通过不同频段的反射相位响应实现频率的重构。

13、一种基于底端超表面切换的频率重构方法，包括以下步骤：

14、当反射超表面结构覆盖于波导天线腔体的底面时，使波导天线处于工作状态a；当波导天线原金属底面为波导天线腔体的底面时，使波导天线处于工作状态b；

15、馈电同轴线的同轴电流进入波导天线内腔转换成谐振电场；部分电磁波在波导天线内腔原金属底面或者反射超表面结构上、纵向发生透射和反射，并在波导天线内腔发生多次反射叠加后出射；

16、通过工作状态a和工作状态b不同频段的反射相位响应，实现第二个频段的消除和第三个频段的产生，即将第二频段重构到第三个频段。

17、所述反射超表面结构各层间的电磁耦合进行谐振产生反射相位。

18、馈电同轴线位置不变，天线工作状态a和工作状态b辐射方向图相同，极化方向相同。

19、本发明具有以下有益效果及优点：

20、1.本发明通过一个超表面结构的进出切换，实现天线工作频率的大幅度重构，调控结构简单高效，不存在明显的电磁寄生效应。

21、2.本发明设计的调控结构仅需要额外的滑轨，占用的体积较小，加工成本更低。

技术特征：

1.一种反射超表面结构，其特征在于，包括自上而下依次设置的金属电容层、第一电路板、金属电感层、第二电路板、金属反射层；

2.根据权利要求1所述的一种反射超表面结构，其特征在于，所述金属电容层利用热熔塑膜粘贴在第一电路板上；所述金属电感层利用热熔塑膜粘贴于第一电路板与第二电路板之间；所述金属反射层利用热熔塑膜粘贴在第二电路板底面。

3.根据权利要求1所述的一种反射超表面结构，其特征在于，所述金属电容层由多个金属电容层单元构成，所述多个金属电容层单元均匀分布于第一电路板上，任意相邻两个金属电容层单元之间的间距相等。

4.根据权利要求1所述的一种反射超表面结构，其特征在于，所述金属电容层单元为矩形。

5.根据权利要求1所述的一种反射超表面结构，其特征在于，所述金属电感层由多个金属电感层单元构成，所述多个金属电感层单元均匀分布于第二电路板上，任意相邻两个金属电感层单元之间的间距相等。

6.根据权利要求1所述的一种反射超表面结构，其特征在于，所述金属电感层单元为条形。

7.一种基于底端超表面切换的频率重构波导天线，其特征在于，包括波导天线、以及设于波导天线上的馈电同轴线、设于波导天线底部的反射超表面结构；

8.一种基于底端超表面切换的频率重构方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种基于底端超表面切换的频率重构方法，其特征在于，所述反射超表面结构各层间的电磁耦合进行谐振产生反射相位。

10.根据权利要求8所述的一种基于底端超表面切换的频率重构方法，其特征在于，馈电同轴线位置不变，天线工作状态a和工作状态b辐射方向图相同，极化方向相同。

技术总结
本发明涉及一种基于底端超表面切换的频率重构波导天线，包括：天线、波导腔和超表面；天线为矩形波导天线；波导天线存在固定的馈电端口，即穿过波导的同轴探针；波导天线辐射口径为矩形口径；超表面为特殊金属结构附着的表面。波导底端外侧嵌入有滑轨，可将存在相位调制结构的超表面抽离或推入；通过将超表面抽离或推入，天线存在两种工作状态，即工作状态A和工作状态B，分别对应天线的两个重构频段。本发明中波导天线通过底端金属面的切换可实现工作频率的快速重构，且辐射性能保持稳定。

技术研发人员：汪业龙,刘朝阳,祁峰
受保护的技术使用者：中国科学院沈阳自动化研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11