[發明專利]二維掃描變容管有源超表面電磁透鏡天線

有效

• 申請號: 201811616349.2
• 申請日: 2018-12-28
• 公開（公告）號: CN109698408B
• 公開（公告）日: 2021-01-08
• 發明（設計）人: 吳錫東;戴少鵬;周金芳
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01Q15/02
• 分類號: H01Q15/02;H01Q19/06
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜;邱啟旺

本發明公開了一種二維掃描變容管有源超表面電磁透鏡天線，包括聚焦透鏡、二維掃描陣列、墊片、支撐柱、喇叭天線和底座；聚焦透鏡為超表面電磁透鏡；二維掃描陣列、聚焦透鏡、支撐柱通過墊片依次連接；二維掃描陣列由兩個一維掃描陣列：x方向和y方向掃描陣列在z方向疊加而成，y方向作為極化方向，z方向作為透鏡對稱軸方向，兩個一維掃描陣列中變容管偏置線方向均為x方向。該天線通過改變變容管偏置電壓實現二維掃描，掃描陣列通過兩組變容管有源超表面實現的一維掃描陣列實現二維掃描，兩組陣列的掃描方向正交，且在縱向疊加，利用此方法能有效降低大規模二維掃描陣列中超表面復雜度和成本；同時聚焦透鏡通過超表面實現，有效減小縱向尺寸。

技術領域

本發明屬于毫米波、太赫茲通信技術領域，尤其涉及一種二維掃描變容管有源超表面電磁透鏡天線。

背景技術

電磁透鏡是一種在微波毫米波頻段實現類似光學透鏡的匯聚、發散等功能的透鏡結構。

毫米波是頻率范圍為30～300GHz的電磁波，其波長為10mm～1mm。太赫茲是頻率范圍為300GHz～3THz的頻段，其波長為1mm～0.1mm。毫米波段及太赫茲頻段頻帶寬，傳輸速率高，設備體積小，同時衰減小，穿透力強等特點，適合近場點對點通信，衛星通信等。應用于毫米波頻段的電磁透鏡天線能更好地滿足應用場景，即滿足高匯聚與高增益的要求。

超表面是一種縱向厚度遠小于波長，橫向采用平面周期結構，通過調整排列單元的結構實現調整反射波以及透射波相位，幅度，極化方式的結構。是一種超材料在二維平面的應用。利用這種特性，可以將其應用于電磁透鏡設計，使透鏡達到輕量化，低焦徑比等設計要求。

實現電控二維掃描的傳統方法為利用相控陣天線，但是因其難以在毫米波及更高頻率下獲得良好的性能，因此本發明采用有源超表面實現二維掃描。為了利用超表面實現二維掃描，一般方法需要為每一個單元獨立加載偏置線，并根據預期偏角調整每個單元的偏置電壓，隨著陣列規模增大，偏置線的數量不可避免地隨著陣列規模平方倍增長，獨立控制單元偏置電壓也會導致計算量過大。

發明內容

本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種工作于毫米波及太赫茲波段的二維掃描變容管有源超表面電磁透鏡天線，用于解決現有二維掃描變容管有源超表面中偏置線數量與單元數量相同導致偏置線數量隨透鏡尺寸平方倍增長，在較大規模超表面透鏡中偏置線過多的問題。

本發明通過以下技術方案解決：一種二維掃描變容管有源超表面電磁透鏡天線，包括聚焦透鏡、二維掃描陣列、墊片、支撐柱、喇叭天線和底座；所述聚焦透鏡為超表面電磁透鏡，所述二維掃描陣列為超表面；所述二維掃描陣列、聚焦透鏡、支撐柱均通過墊片依次連接，所述支撐柱固定在底座上，所述喇叭天線固定在底座上，所述喇叭天線的喇叭口朝向聚焦透鏡；所述二維掃描陣列由兩個一維掃描陣列：x方向掃描陣列和y方向掃描陣列在z方向疊加而成，y方向作為極化方向，z方向作為透鏡對稱軸方向，兩個一維掃描陣列中變容管的偏置線方向均為x方向。

進一步地，該天線為全封閉結構。

進一步地，所述支撐柱為圓筒狀，所述墊片為圓環狀，所述支撐柱與墊片的材料均為ABS塑料，所述支撐柱內壁貼有吸波材料。

進一步地，所述聚焦透鏡采用多層超表面，每層包含介質基板，介質基板的下表面刻蝕周期性排布的金屬圖案單元，每個金屬圖案單元為外正方形環嵌套內正方形環；相鄰的兩層間為分隔層，填充空氣、泡沫或介質基板。

進一步地，通過調節外正方形環尺寸、內正方形環尺寸、介質基板尺寸、分隔層厚度和相鄰金屬圖案單元的間距，使得聚焦透鏡的透射率優于-1dB，可調相移范圍大于360°。

進一步地，設計金屬圖案單元的尺寸，使得該單元的相移能夠補償在陣列設計中該位置的待補償相移。