用于透镜天线的二氧化钒P-B相位多功能人工电磁结构

用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构
技术领域
1.本发明属于太赫兹超材料技术领域，具体涉及一种用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构。


背景技术：

2.太赫兹波波长介于微波与红外之间，频率范围在0.1thz到10thz之间，由于太赫兹波光子能量低、携带信息丰富等优点，在成像、探测、定性鉴别等领域展示出广泛的应用前景。
3.超材料这种人工周期性结构为实现电磁波调控提供了一种全新的方法，与传统材料不同，超材料具有负介电常数、负磁导率、负折射率等常规材料不具备的神奇特性。而且自然界中很少有在太赫兹波段产生良好电磁响应的材料，超材料可以依托人为设计，实现特定频率响应的特性在太赫兹领域展示出了前所未有的前景，获得了人们的广泛关注。然而一般的超材料在设计加工后只能表现出对特定频率电磁波产生响应，这无疑限制了超材料的实际应用能力，所以可调谐的超材料以及各种调谐手段成为了发展超材料应用的新思路。二维超材料电磁表面在电磁领域已经普遍应用于超薄电磁透镜(凹透镜、凸透镜等)、可编程反射表面、可重构频率选择表面(ffs)，及三维成像等。相比传统无源馈电网络对电磁波的调控方案，人工电磁表面在极化调控，波束赋型方面避免了复杂网络设计优势明显。因此，将人工电磁表面与天线设计相结合，设计出多功能的透镜天线得以有良好的应用前景与发展。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构，运用人工电磁平面多功能调控相位的人工电磁透镜天线，依据二氧化钒在68℃相变的材料特性，实现介质透镜天线与金属透镜天线的功能的人工电磁透镜天线，调控透镜天线馈源发射的球面波或柱面波相位为等相位面的平面波，实现透镜天线的面相位差校正，完成透镜天线的波前相位动态调制。
5.本发明所采用的技术方案是，用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构，包括超表面材料，超表面材料的入射面设置有微带天线贴片馈源，超表面材料的其中一个侧面设置有加热底座，超表面材料另一个相对侧面设置有水冷底座，超表面材料上还设置有温度检测模块，所述加热底座和温度检测模块均与mcu stm32控制器连接。
6.本发明的特点还在于，
7.超表面材料具体结构为：包括二氧化硅材料衬底层，二氧化硅材料衬底层上面设置有柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片，柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片表面中心位置处设置有复合型相位调制单元结构。
8.复合型相位调制单元结构具体结构为：包括同心设置的互补型开口外圆环和互补型开口内圆环，互补型开口外圆环和互补型开口内圆环与柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片共
几何中心，互补型开口外圆环和互补型开口内圆环均为开口的圆环，互补型开口外圆环和互补型开口内圆环开口角度一致、开口方向错位，开口角度为30-120
°
；圆环均由二氧化钒弧、金属弧、二氧化钒弧依次连接而成。
9.互补型开口内圆环的半径为互补型开口外圆环半径的0.4-0.6倍；互补型开口内圆环的环宽为互补型开口外圆环环宽的0.4-0.6倍。
10.互补型开口内圆环宽度为10-15μm，互补型开口外圆环最大半径在 70-90μm。
11.金属弧的材料包括金、银、铝中的其中的一种。
12.二氧化硅材料衬底层为方形结构，二氧化硅材料衬底层厚度为 80μm～300μm，二氧化硅材料衬底层宽度为180μm～220μm。
13.加热底座为电阻或二极管元件；水冷底座内填充有冷却液。
14.水冷底座内的冷却液采用乙二醇。
15.温度检测模块为温度传感器。
16.本发明的有益效果是，用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构，此单元能通过调节单元结构参数，实现了60
°
、120
°
、180
°
相位调控，透射相位实现覆盖0-2π，透射幅度能够覆盖0.3-0.5。此表面可用于低副瓣天线的设计、平面透镜天线设计等。依照此单元设计的p-b相位控制超表面，调控透镜天线馈源发射的球面波相位为等相位面的平面波，实现透镜天线的面相位差校正，完成透镜天线的波前相位动态调制。人工电磁平面透镜位于馈源天线正上方，其馈源天线特征在于采用微带贴片天线，可采用圆极化天线或双圆极化天线，单线极化天线或双线极化天线。采用二氧化钒的相变材料实现多功能人工电磁表面天线，基于在天线加装的加热底座与水冷底座、温度检测模块实现喇叭透镜天线和喇叭天线的动态切换。
附图说明
17.图1是本发明一种用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构单元结构的三维视图；
18.图2是本发明一种用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构整体架构组成即工作示意图；
19.图3是本发明一种用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构的单元相位调制特性示意图；
20.图4是本发明一种用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构的工作原理框图。
21.图中，1.互补型开口外圆环，2.互补型开口内圆环，3.柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片，4.二氧化硅材料衬底层，5.超表面材料，6.微带天线贴片馈源， 7.mcu stm32控制器，8.冷水底座，9.加热底座，10.温度检测模块，11.金属弧，12.二氧化钒弧。
具体实施方式
22.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
23.本发明用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构，结构如图1～2所示，包括超表面材料5，超表面材料5的入射面设置有微带天线贴片馈源6，超表面材料5的其
中一个侧面设置有加热底座9，超表面材料5 另一个相对侧面设置有水冷底座8，超表面材料5上还设置有温度检测模块 10，加热底座9和温度检测模块10均与mcu stm32控制器7连接。
24.超表面材料5具体结构为：包括二氧化硅材料衬底层4，二氧化硅材料衬底层4上面设置有柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片3，柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片3表面中心位置处设置有复合型相位调制单元结构。
25.复合型相位调制单元结构具体结构为：包括同心设置的互补型开口外圆环1和互补型开口内圆环2，互补型开口外圆环1和互补型开口内圆环2与所述柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片3共几何中心，互补型开口外圆环1和互补型开口内圆环2均为开口的圆环，互补型开口外圆环1和互补型开口内圆环2开口角度一致、开口方向错位，开口角度为30-120
°
；圆环均由二氧化钒弧12、金属弧11、二氧化钒弧12依次连接而成。
26.互补型开口内圆环2的半径为互补型开口外圆环1半径的0.4-0.6倍；互补型开口内圆环2的环宽为互补型开口外圆环1环宽的0.4-0.6倍。
27.互补型开口内圆环2宽度为10-15μm，互补型开口外圆环1最大半径在 70-90μm。
28.金属弧11的材料包括金、银、铝中的其中一种。
29.二氧化硅材料衬底层4为方形结构，二氧化硅材料衬底层4厚度为80μm～300μm，二氧化硅材料衬底层4宽度为180μm～220μm。
30.加热底座9为电阻或二极管元件；水冷底座8内填充有冷却液。
31.水冷底座8内的冷却液采用乙二醇。
32.温度检测模块10为温度传感器。
33.本发明用于透镜天线的二氧化钒p-b相位多功能人工电磁结构中，复合型相位调制单元结构具体结构包括同心设置的互补型开口外圆环1和互补型开口内圆环2，依靠二氧化钒弧12和金属弧11的弧长占比动态调制相位变换，实现超表面调控透射相位能够覆盖0～2π，柔性材料聚酰亚胺可旋转贴片3是圆形可旋转衬底层，材料为柔性材料聚酰亚胺，本发明可用于低副瓣天线的设计、平面透镜天线设计等。依照此单元设计的p-b相位控制超表面，调控透镜天线馈源发射的球面波相位为等相位面的平面波，实现透镜天线的面相位差校正，完成透镜天线的波前相位动态调制。天线结构的设计中，超表面材料5即人工电磁平面透镜位于馈源天线正上方，其馈源天线特征在于采用微带贴片天线，可采用圆极化天线或双圆极化天线，单线极化天线或双线极化天线。微带天线贴片馈源6发射的球面波或柱面波，经过超材料表面 5，p-b相位调控超材料表面，能够通过相位调控转化为波形为等相位面的平面波。通过图示的水冷底座8与加热底座9，可以使二氧化钒相变，改变超材料表面相位调制特性，实现多功能的相位调制的超表面结构。
34.图3是本发明相位调制特性示意图，从图中我们可以看出在二氧化钒2/3 占比，内外环开口90
°
的情况下，基于此材料结构单元相变后透射相位差稳定在180
°
附近。图4是本发明的工作原理框图，由馈源发射的球面波或柱面波，在经由人工电磁平面透镜后，经由基于图1结构的60
°
、120
°
、180
°
的相位调制，再根据p-b相位调制超表面实现0-2π透射相位全覆盖，实现转换等相位面平面波，或切换窄波束，平面波，锥形或圆柱形波束等波束赋性功能。
35.本发明中互补型开口圆环二氧化钒与金属复合型相位调制单元结构，其依据68℃
条件下的温度变化相变材料，通过调节二氧化钒圆环比例与金属比例，以及p-b相位控制实现相位的非连续变化，以及在材料相变后实现的多功能相位变化，利用二氧化钒的相变特性，多功能的实现调控球面波为平面波的动态调制波束赋形，以及球面波传输的稳态相位调制。基于此应用于透镜天线结构，将微带贴片馈源天线发射的球面波、柱面波经本设计的人工电磁平面透镜调节为等相位面的平面波，以实现天线面相位差校正，完成透镜天线的波前相位动态调制实现波束赋形。通过在表面加热底座、水冷底座、实时温控检测模块共同完成动态控制多功能相位调制。