基于平面机械调控的超表面波束偏转天线及其设计方法与流程

1.本技术实施例涉及天线技术领域，具体而言，涉及一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线及其设计方法。


背景技术：

2.卫星通信技术的逐渐完善，推动了地面终端天线需求的快速增长，其中可以广泛的应用在车辆、高铁、舰船、飞机以及火箭等多种运动平台的“动中通”天线有着广阔的消费市场。
3.市面上的“动中通”天线主要是由机械伺服架构天线和相控阵天线构成，由于机械伺服架构的体积大，难集成，相控阵天线的制造成本过高难以实现大规模日常化应用，因此，设计一款具备低成本和高可集成化新型“动中通”天线对卫星通信的大规模应用具有重要意义。


技术实现要素：

4.本技术实施例提供一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线及其设计方法，旨在提供一款具备低成本和高可集成化的新型“动中通”天线，满足日常车辆卫星通信的需求。
5.本发明通过下述技术方案实现：
6.本技术实施例第一方面提供一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线，包括馈电电路、射频天线阵列和波束偏转单元；
7.所述馈电电路包括多个相位延迟单元，且多个所述相位延迟单元与构成所述射频天线阵列的射频天线阵元一一对应连接，用于向所述射频天线阵元传输具有固定相位延迟的射频信号；
8.所述射频天线阵列，用于根据所述射频信号生成汇聚的电磁波，并将所述电磁波传输至所述波束偏转单元；
9.所述波束偏转单元，用于实现所述电磁波的偏转。
10.可选地，所述固定相位延迟为：
11.φc(xa,ya)＝-phase{uc}；
12.其中，φc(xa,ya)表示延迟相位，uc表示所述射频天线阵列生成的所述电磁波的复振幅。
13.可选地，所述波束偏转单元包括超表面天线和位移驱动机构；
14.所述超表面天线，用于实现所述电磁波的准直；
15.所述位移驱动机构，与所述超表面天线连接，用于平移所述超表面天线的位置，实现所述电磁波的偏转。
16.可选地，所述超表面天线包括超表面结构，所述超表面结构的相位分布为：
17.18.其中，表示超表面结构的相位分布，g1、g2、g3、c3以及c4均表示常数系数，x和y表示超表面结构上任意一点的坐标。
19.可选地，所述超表面结构的单元结构设置为pb相位结构。
20.可选地，所述射频天线阵列设置为微带天线阵列、漏波天线阵列或波导天线阵列。
21.可选地，所述相位延迟单元设置为微带延迟线。
22.本技术实施例第二方面提供一种超表面波束偏转天线的设计方法，应用于如上所述的一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线，包括以下步骤：
23.基于预设的平移量和波束偏转量构建二自由度模型；
24.基于所述二自由度模型计算超表面天线的相位分布函数和相位延迟单元的固定相位延迟；
25.基于所述相位分布函数构建超表面结构的单元结构及单元结构的排列方式；
26.基于所述排列方式排列所述单元结构，得到符合所述相位分布函数的超表面天线；
27.基于所述固定相位延迟设置所述相位延迟单元的参数。
28.可选地，所述二自由度模型为：
[0029][0030]
其中，表示电磁波在到达超表面结构时的相位分布函数，表示超表面结构在平移后的相位分布函数，k
x
表示x方向的波矢，ky表示y方向的波矢，s
x
和sy分别表示超表面结构在x和y方向的平移量，x和y表示平面内任意一点的坐标，c表示常数系数。
[0031]
可选地，所述基于所述二自由度模型计算超表面天线的相位分布函数和相位延迟单元的固定相位延迟包括以下子步骤：
[0032]
对所述二自由度模型进行微分处理，得到超表面天线的相位分布函数；
[0033]
对所述相位分布函数进行反推处理，得到所述相位延迟单元的固定相位延迟。
[0034]
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
[0035]
通过设计相位延迟单元的固定相位延迟，使射频天线阵列发射的光线为汇聚光线，此时入射到波束偏转单元上的光斑大小取决于射频阵列的焦距以及超表面天线和微带天线阵列的距离，可根据需要进行实际调整，从而减小整个天线的大小；除此之外，通过设计超表面结构的相位分布，使波束偏转单元能够实现电磁波的准直，并通过位移驱动机构驱动超表面结构平移使得波束发射角改变，实现波束扫描的功能，相较于现有技术中的机械伺服架构，本技术实施例中的位移驱动机构只需要实现平移超表面结构，摆脱传统机械式天线扫描架构，减少天线高度，便于集成到小型化车辆之中。
附图说明
[0036]
为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0037]
图1是本技术实例中基于平面机械调控的超表面波束偏转天线工作原理示意图；
[0038]
图2是本技术实例中广义斯涅耳定律原理示意图；
[0039]
图3是本技术实例中二自由度系统工作原理图；
[0040]
图4是本技术实例中基于pb相位的超表面阵列设计示意图；
[0041]
图5是本技术实例中微带天线阵列设计示意图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0043]
实施例1
[0044]
本技术实施例提供了一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线，如图1所示，包括馈电电路、射频天线阵列和波束偏转单元；
[0045]
其中，馈电电路包括多个相位延迟单元，射频天线阵列包括多个射频天线阵元；馈电电路中的相位延迟单元与射频天线阵列中的射频天线阵元一一对应连接，用于向射频天线阵元传输具有固定相位延迟的射频信号；
[0046]
其中，射频信号的固定相位延迟并不唯一，只要使得射频天线阵列能够根据射频信号生成汇聚的电磁波即可，本技术实施例中的固定相位延迟设置为：
[0047]
φc(xa,ya)＝-phase{uc}；
[0048]
其中，φc(xa,ya)表示延迟相位，uc表示射频天线阵列生成的电磁波的复振幅。
[0049]
射频天线阵列，用于根据接收的射频信号生成汇聚的电磁波，并将电磁波传输至波束偏转单元；
[0050]
其中，射频天线阵列的具体类型不做限制，只要能够发射射频信号即可。作为优选地，射频天线阵列设置为市面上常用的微带天线阵列、漏波天线阵列或波导天线阵列。
[0051]
波束偏转单元，用于实现电磁波的偏转。
[0052]
具体地，本实施例中的波束偏转单元包括超表面天线和位移驱动机构；
[0053]
超表面天线，包括按照特定的相位分布函数排列的超表面结构，用于实现电磁波的准直；
[0054]
其中，特定的相位分布函数并不唯一，可根据所需要的平移量(平移量指的是波束发生一定角度偏转所需的超表面天线的移动量)和波束偏转量进行设置，只要使得能准直射频天线阵列传输的汇聚电磁波即可，本实施例中的相位分布函数设置为：
[0055][0056]
其中，表示超表面结构的相位分布，g1、g2、g3、c3以及c4均表示常数系数，x和y表示超表面结构上任意一点的坐标。
[0057]
位移驱动机构，与超表面天线连接，用于平移超表面天线的位置，实现电磁波的偏转。
[0058]
本实施例中不对位移驱动机构的具体结构进行限制，只要能带动超表面天线进行
平移即可。
[0059]
以下对本实施例的工作原理进行说明：
[0060]
工作时，馈电电路中的各个相位延迟单元为射频天线阵列中的各个射频天线阵元提供具有固定相位延迟的射频信号，以使得不同射频天线阵元的射频信号产生相移，从而使得射频天线整列发出一个汇聚的电磁波，电磁波传播到超表面结构上，通过超表面结构实现电磁波的准直，并通过机械驱动的方式平移超表面结构使得波束发射角改变，实现波束扫描的功能。
[0061]
现有技术中的“动中通”天线主要是由机械伺服架构天线和相控阵天线构成，由于机械伺服架构的体积大，难集成，相控阵天线的制造成本过高难以实现大规模日常化应用。因此“动中通”天线在运用过程中存在难以集成到小型化车辆之中的问题。为解决现有天线技术的不足，本技术实施例提供了一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线，通过设计相位延迟单元的固定相位延迟，使射频天线阵列发射的光线为汇聚光线，此时入射到波束偏转单元上的光斑大小取决于射频阵列的焦距以及超表面天线和微带天线阵列的距离，可根据需要进行实际调整，从而减小整个天线的大小；除此之外，通过设计超表面结构的相位分布，使波束偏转单元能够实现电磁波的准直，并通过位移驱动机构驱动超表面结构平移使得波束发射角改变，实现波束扫描的功能，相较于现有技术中的机械伺服架构，本技术实施例中的位移驱动机构只需要实现平移超表面结构，摆脱传统机械式天线扫描架构，减少天线高度，便于集成到小型化车辆之中，满足日常车辆卫星通信的需求。
[0062]
进一步地，本实施例中的超表面结构的单元结构设置为pb相位结构。
[0063]
超表面的结构单元有多种类型，由于本技术实施例是用结构单元去调控圆偏振光的入射波相位，因此为最大程度提高波前重构的精度，选用相位调控精度高，色散容易控制以及透过率高的pb相位结构，在具体实施时，通过旋转结构单元的方式实现0到2π任意值的相位改变。
[0064]
进一步地，为降低天线的制作成本，本实施例中的相位延迟单元设置为微带延迟线。
[0065]
现有技术中，馈电电路的相位延迟单元设置为相移器，由于单个相移器的价格较为昂贵，当将其布设在天线中时，由于需要多个相移器，从而极大的增加了天线的制作成本。基于此，本技术实施例中采用价格低廉的微带延迟线代替相移器，从而进一步降低天线的制作成本。
[0066]
实施例2
[0067]
本实施例提供一种超表面波束偏转天线的设计方法，应用于如实施例1所提供的一种基于平面机械调控的超表面波束偏转天线，包括以下步骤：
[0068]
s1：建立二自由度系统的模型，结合广义斯涅尔定律，用超表面的平移将二自由度系统中的位移量s
x
和sy映射到空间中的波束偏转角，通过解该映射方程的方式来求得超表面天线的相位分布函数；
[0069]
s2：在求得超表面天线的相位分布函数之后，通过光场反推的方式，例如采用近场的瑞利-索末菲(rayleigh-sommerfeld)矢量衍射公式，计算得到相位延迟单元的固定相位延迟；
[0070]
s3：在求得固定相位延迟和相位分布函数后，采用电磁场仿真软件对超表面天线
的单元结构进行设计以及对相位延迟单元的参数进行计算；
[0071]
s3：设计完超表面天线的单元结构之后，对单元结构进行阵列排布，得到符合相位分布函数的超表面天线；计算完相位延迟单元的参数后，基于该参数设计或调整相位延迟单元，得到具有固定相位延迟的相位延迟单元。
[0072]
本设计方法采用二自由度系统的概念，通过在超表面结构中引入平面内位移矢量筛选出具有特定表面波矢的空间入射光，实现平面内的横向纵向二自由度的平移，通过超表面改变波束的偏转方向，入射电磁波波束在空间实现二自由度的扫描偏转。
[0073]
具体地，如图2所示，根据广义斯涅尔原理，当入射光入射到一个具有相位分布的表面上时，其折射光的方向应满足以下公式：
[0074][0075]
因此，根据广义斯涅尔定律可以对相位分布函数进行推导，从而实现各种不同的功能，例如波面聚焦、发散以及波束偏转，其中完美的平行平面的相位应满足：
[0076][0077]
具体理论如下：
[0078]
假定有两个表面a与c，如图3所示，假定通过表面b(超表面)的电磁波会产生的相位突变，令为经表面c传输到表面b的电磁波的相位，那么经过表面b出射的电磁波的相位为准直后的期望相位分布如公式(2)所示，则有下式：
[0079][0080]
其中s
x
、sy分别表示平面b在x和y方向的平移量，k
x
和ky分别表示x和y方向的波矢，这样通过公式(3)建立起平移量s
x
、sy与波束偏转角之间的二自由度方程，通过该方程来求解和的特解，具体计算过程如下：
[0081]
对(3)式两端分别对x和y求微分得：
[0082][0083]
进一步的，对(4)式分别对x和y再求微分，得：
[0084][0085]
进一步的，对(5)式分别对x和y再求微分，得：
[0086][0087]
于是求得其特解为：
[0088][0089]
其中g1、g2、g3以及c1、c2、c3、c4均为常数，令
[0090][0091][0092][0093][0094][0095]
其中θ和α分别表示光束的偏转角和波束的旋转角，令g1＝g2，g3＝0，c1＝c2＝c3＝c4＝0得：
[0096][0097][0098]
根据上式可以求得表面a和表面b的相位分布，根据该相位分布进一步反求c面相位分布，由于b面和c面的间隔小于一个波长，因此采用适合近场的瑞利-索末菲(rayleigh-sommerfeld)矢量衍射公式(15)计算c面出射光复振幅，进而求出c面的表面相位。
[0099][0100]
求出复振幅后，进而可知c面的相位：
[0101]
φc(xa,ya)＝-phase{uc}
ꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0102]
在求得b面和c面相位之后，下一步就是设计具体结构以实现相位要求。
[0103]
对于b面拟采用超表面阵列实现对应的相位。超表面是通过亚波长结构单元与入射电磁波相互作用调控电磁波性质的一种人工二维电磁材料。超表面通过人工设计不同的结构单元调控入射电磁波的振幅和相位，从而改变电磁波的波前。目前，超表面透镜理论已经接近成熟，各种具有高透过率的超表面结构被提出。在微波领域，微波超表面透镜的技术已经比较成熟，能够做到较高的发射增益，例如，50mm口径天线的发射增益可达20dbi以上。同时，超表面结构还有其独特的优势，超表面单元结构为无源结构，无需控制电路，同时厚度往往小于一个波长，这一特点使得其有着极高的可集成度。此外，微波波段的制备采用pcb工艺，在大批量生产的同时能够做到成本低廉，且能够承接现有生产链实现大规模生产。
[0104]
具体地，超表面设计主要分为单元结构设计与单元结构的阵列排布。单元结构的设计可采用cst studio suite软件、comsol软件、fdtd等仿真软件对单元结构进行设计并优化，旨在设计工作波段在ka频段，且透过率达到90％以上，同时相位能够覆盖0到2π的一组单元结构。本设计采用pb相位单元结构，如图4所示，pb相位结构是超表面结构单元调控圆偏振光入射波相位的一种常用方式，pb相位结构单元能够通过旋转结构单元的方式实现0到2π任意值的相位改变。增益的大小依赖于电磁波前和天线的耦合，因此调控电磁波的波前对提高增益有着重要的意义。将单元结构按照(2)式的相位分布要求排布，即可实现所需相位平面。之后c面的相位设计为微带阵列，设计采用相位延迟线来实现c面相位延迟，最终实现相应功能，如图5所示。
[0105]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。