一种相位和极化可重构透射单元及透射阵列系统

本发明涉及新型人工电磁表面技术和波束扫描天线领域，涉及一种相位和极化可重构透射单元及透射阵列系统。

背景技术：

1、卫星通信、5g毫米波和雷达等应用中，要求天线具有高增益的同时具有波束扫描能力，为了满足上述需求，实际应用通常采用传统反射面天线或相控阵列天线。传统反射面天线基于光学原理实现高增益波束，并通过机械旋转进行波束扫描，其存在轮廓大、体积大、重量大、波束扫描速度慢、馈源遮挡等缺点。相控阵天线也可以实现高增益波束和快速波束扫描，但是其结构复杂，需要大量昂贵的收发器模块。与传统的反射天线相比，可重构阵列天线结构平坦，轮廓较低，不存在馈源遮挡等问题。与相控阵天线相比可重构阵列天线使用成熟的pcb加工技术，不需要价格昂贵的元件。可重构阵列天线利用pin二极管、变容二极管、mems开关和液晶调谐，结合简单的控制电路来实现相位控制。可重构阵列天线通常分为可重构反射阵列天线和可重构透射阵列天线，这两种可重构阵列天线都能实现高增益波束和快速波束扫描。由于馈电天线的存在，可重构反射阵列天线存在馈电阻塞问题。为了保证可重构反射阵列天线的性能，可重构反射阵列的馈电通常需要单独设计，这增加了结构的复杂性。可重构透射阵列的馈源天线放置在孔径后面，这解决了馈源遮挡的问题，可以带来更高的孔径效率。

2、可重构透射阵列在具有成本优势的同时，还能实现高增益波束和快速波束扫描，因此其可以作为传统反射面天线和相控阵天线的低成本替代品，在卫星通信和雷达系统中具有广阔的应用前景。

3、大多数可重构透射单元和可重构透射阵列只具有一种线极化状态或圆极化状态，要满足多极化的应用场景，通常需要多个不同极化的透射单元和透射阵列，这极大的增加了实际应用的成本。为了降低成本，实际应用需要透射单元和透射阵列拥有多种极化状态，以同时满足不同的应用场景。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种相位和极化可重构透射单元及透射阵列系统。

2、在第一方面，本发明所提供了一种相位和极化可重构透射单元，所述透射单元从下至上包括第一介质板、第一中间金属层、第二介质板、第二中间金属层、第三介质板、第三中间金属层和第四介质板；以第一介质板的底面作为接收面，第四介质板的顶面作为发射面，在接收面上设有h型开口环，所述h型开口环中设有pin二极管和高频电容；在发射面上设有十字形金属图案；所述透射单元中心设有电镀孔。

3、进一步的，所述h型开口环包括正e型微带线、倒e型微带线和矩形微带线；正e型微带线的上边界端口和倒e型微带线的上边界端口通过第一高频电容相连，正e型微带线的下边界端口和倒e型微带线的下边界端口通过第二高频电容相连；矩形微带线的两侧均设有一个pin二极管，分别连接正e型微带线中部和倒e型微带线中部。

4、进一步的，所述十字形金属图案包括中心贴片，以及设置于中心贴片左侧的第一短t型微带线、设置于中心贴片上侧的第二短t型微带线、设置于中心贴片右侧的第一长t型微带线、设置于中心贴片下侧的第二长t型微带线；第一短t型微带线、第二短t型微带线、第一长t型微带线、第二长t型微带线均通过pin二极管与中心贴片相连。

5、进一步的，第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板采用同种材料制成；其中，第一介质板的厚度范围为0.256×7mm～0.256×10mm，第二介质板的厚度范围为0.256mm～0.51 2mm；第二介质板和第三介质板的厚度相同，第一介质板和第四介质板的厚度相同。

6、进一步的，第一中间金属层的厚度范围为0.035mm～0.07mm，第一中间金属层、第二中间金属层和第三中间金属层的厚度相同。

7、进一步的，第二中间金属层在自身中心处设有一个圆形非金属区域；电镀孔穿过圆形金属区域，不与第二中间金属层的金属部分相接触。

8、在第二方面，基于第一方面所提出的透射单元，本发明还提出了一种相位和极化可重构透射阵列系统，其特征在于，所述透射阵列系统包括透射阵列、馈源天线和控制板；其中，馈源天线位于透射阵列的接收面侧，且馈源天线与透射阵列相距m>0.128米；控制板用于控制透射阵列中的pin二极管的通断状态。

9、进一步的，所述透射阵列由呈矩阵形式等间距排列的n×n个透射单元组成，且所有透射单元的发射面位于同一侧；每一透射单元的接收面上的两个pin二极管分别连接独立的直流偏置线；每一行n个透射单元的发射面共享4条直流偏置线；控制板通过直流偏置线控制分布在透射阵列上的pin二极管。

10、进一步的，每一个透射单元的发射面上的第一短t型微带线、第二短t型微带线、第一长t型微带线和第二长t型微带线均在自身远离中心贴片的一端设有一个射频电感，通过射频电感与发射面对应的直流偏置线相连。

11、本发明的有益效果：

12、在构透射单元中，可以通过调整施加在接收面和发射面的pin二极管上的电压，在较宽的频段范围内实现极化重构和两种180度相位差的透射状态的重构。

13、因为透射单元具有丰富的极化状态，通过多个透射单元组成的透射阵列保留了这些极化特性，同时透射单元具有稳定的180度相位差和平坦的通带，因此透射阵列具有较宽的增益带宽、低角度扫描损耗和大扫描角度。

14、每一个透射单元和透射阵列都有对应的直流控制系统，直流控制系统可以单独的控制和监测每一个与之相连的pin二极管，进而灵活的控制透射单元的相位，提高了极化模式切换和波束扫描控制的灵活性和稳定性。

技术特征：

1.一种相位和极化可重构透射单元，其特征在于，所述透射单元从下至上包括第一介质板、第一中间金属层、第二介质板、第二中间金属层、第三介质板、第三中间金属层和第四介质板；以第一介质板的底面作为接收面，第四介质板的顶面作为发射面，在接收面上设有h型开口环，所述h型开口环中设有pin二极管和高频电容；在发射面上设有十字形金属图案；所述透射单元中心设有电镀孔。

2.根据权利要求1所述的一种相位和极化可重构透射单元，其特征在于，所述h型开口环包括正e型微带线、倒e型微带线和矩形微带线；正e型微带线的上边界端口和倒e型微带线的上边界端口通过第一高频电容相连，正e型微带线的下边界端口和倒e型微带线的下边界端口通过第二高频电容相连；矩形微带线的两侧均设有一个pin二极管，分别连接正e型微带线中部和倒e型微带线中部。

3.根据权利要求1所述的一种相位和极化可重构透射单元，其特征在于，所述十字形金属图案包括中心贴片，以及设置于中心贴片左侧的第一短t型微带线、设置于中心贴片上侧的第二短t型微带线、设置于中心贴片右侧的第一长t型微带线、设置于中心贴片下侧的第二长t型微带线；第一短t型微带线、第二短t型微带线、第一长t型微带线、第二长t型微带线均通过pin二极管与中心贴片相连。

4.根据权利要求1所述的一种相位和极化可重构透射单元，其特征在于，第一介质板、第二介质板、第三介质板和第四介质板采用同种材料制成；其中，第一介质板的厚度范围为0.256×7mm～0.256×10mm，第二介质板的厚度范围为0.256mm～0.512mm；第二介质板和第三介质板的厚度相同，第一介质板和第四介质板的厚度相同。

5.根据权利要求1所述的一种相位和极化可重构透射单元，其特征在于，第一中间金属层的厚度范围为0.035mm～0.07mm，第一中间金属层、第二中间金属层和第三中间金属层的厚度相同。

6.根据权利要求1所述的一种相位和极化可重构透射单元，其特征在于，第二中间金属层在自身中心处设有一个圆形非金属区域；电镀孔穿过圆形金属区域，不与第二中间金属层的金属部分相接触。

7.一种采用权利要求1-6任意一项所述的相位和极化可重构透射单元的相位和极化可重构透射阵列系统，其特征在于，所述透射阵列系统包括透射阵列、馈源天线和控制板；其中，馈源天线位于透射阵列的接收面侧，且馈源天线与透射阵列相距m>0.128米；控制板用于控制透射阵列中的pin二极管的通断状态。

8.根据权利要求7所述的一种相位和极化可重构透射阵列系统，其特征在于，所述透射阵列由呈矩阵形式等间距排列的n×n个透射单元组成，且所有透射单元的发射面位于同一侧；每一透射单元的接收面上的两个pin二极管分别连接独立的直流偏置线；每一行n个透射单元的发射面共享4条直流偏置线；控制板通过直流偏置线控制分布在透射阵列上的pin二极管。

9.根据权利要求8所述的一种相位和极化可重构透射系统，其特征在于，每一个透射单元的发射面上的第一短t型微带线、第二短t型微带线、第一长t型微带线和第二长t型微带线均在自身远离中心贴片的一端设有一个射频电感，通过射频电感与发射面对应的直流偏置线相连。

技术总结
本发明涉及新型人工电磁表面技术和波束扫描天线领域，涉及一种相位和极化可重构透射单元及透射阵列系统；所述透射单元从下至上包括第一介质板、第一中间金属层、第二介质板、第二中间金属层、第三介质板、第三中间金属层和第四介质板；以第一介质板的底面作为接收面，第四介质板的顶面作为发射面，在接收面上设有H型开口环，所述H型开口环中设有PIN二极管和高频电容；在发射面上设有十字形金属图案；所述透射单元中心设有一个贯穿的电镀孔；透射单元具有丰富的极化状态，通过多个透射单元组成的透射阵列保留了这些极化特性，同时透射单元具有稳定的180度相位差和平坦的通带，因此透射阵列具有较宽的增益带宽、低角度扫描损耗和大扫描角度。

技术研发人员：邵羽,骆飞宏,张杰,杜青钦,韩硕
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：
技术公布日：2024/8/26