[發明專利]一種緊湊型一維全息電磁超穎表面天線

有效

• 申請號: 202010715089.5
• 申請日: 2020-07-21
• 公開（公告）號: CN111864375B
• 公開（公告）日: 2021-03-19
• 發明（設計）人: 鄭宏興;李子巍;王蒙軍;李爾平
• 申請（專利權）人: 河北工業大學
• 主分類號: H01Q1/48
• 分類號: H01Q1/48;H01Q1/38;H01Q15/00;H01Q19/10
• 代理公司: 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙) 12210
• 代理人: 張國榮

1.一種緊湊型一維全息電磁超穎表面天線，其特征在于，該天線包括接地介質基板、一維表面波發射器和電磁超穎表面三部分構成，其中：所述接地介質基板為背面全覆銅的介質基板，支持主模為橫磁波的表面波傳播；

所述一維表面波發射器由設置在接地介質基板正面左側中部的50歐姆矩形微帶線、梯形微帶漸變線、矩形反射銅板組成；其中，50歐姆矩形微帶線的左側邊緣與接地介質基板正面左側的邊緣處重合居中設置，梯形微帶漸變線居中銜接在50歐姆矩形微帶線的右側，矩形反射銅板銜接在梯形微帶漸變線的右側并與接地介質基板上表面呈夾角設置；梯形微帶漸變線的形狀為等腰梯形，50歐姆矩形微帶線與梯形微帶漸變線兩者銜接處的邊的長度相等，梯形微帶漸變線與矩形反射銅板兩者銜接處的邊的長度相等，梯形微帶漸變線左側的邊的長度小于右側的邊的長度；

所述電磁超穎表面設置在梯形微帶漸變線右側的接地介質基板正面上，為多個周期性排布的方形貼片陣延伸到接地介質基板正面的右側的結構，其最大寬度與梯形微帶漸變線右側的邊的長度相等；每個方形貼片陣通過多個不同的方形貼片單元去實現各點不同的表面阻抗，其表面阻抗值與一維坐標x的關系滿足全息理論公式：

上式中，Z_s(x)為沿一維方向上各點處的表面阻抗值，k₀(f₀)為工作頻率f₀處的真空波數，θ₀為工作頻率f₀時天線相對于邊射方向的波束偏轉角；η₀為真空波阻抗，約等于377Ω；M為調制系數，X₀為平均表面阻抗，兩參數需要提前設定，要滿足M0.3，0.7η₀X₀1.2η₀；

所述電磁超穎表面的方形貼片陣具體求解方式為：將給定的工作頻點f₀、任意指定的波束偏轉角θ₀以及設定的M、X₀代入到公式(1)中，然后對表面阻抗Z_s(x)的一個周期內進行t段等間隔抽樣，獲得一維方向上依次排布的t個表面阻抗抽樣值，其中不同的表面阻抗值為n個，然后利用n個不同的方形貼片單元去等效上述n個不同的表面阻抗值；最終的電磁超穎表面由h個周期的方形貼片陣構成，每個方形貼片陣包括w×t個方形貼片單元，其中w為行數，t為列數；每一行上排布的t個方形貼片單元與上述一維方向上依次排布的t個表面阻抗抽樣值一一對應，而每一列的w個方形貼片單元相同；

利用n個不同的方形貼片單元去等效上述n個不同的表面阻抗值的具體過程為：設定有一個方形貼片模塊，該方形貼片模塊包括一個邊長為a的方形接地介質基板和刻蝕在其正面中心處的邊長為s的方形貼片，則稱方形貼片和其周邊的方形接地介質基板的上表面為方形貼片單元，方形接地介質基板的邊長a即為方形貼片單元的邊長；方形貼片的邊緣到對應一側方形接地介質基板的邊緣距離為g/2，間隙g＝a-s；由于一個周期內抽樣為t段，故有:

根據上式求得方形貼片單元的邊長a的值；再根據求得的方形貼片單元的邊長a的值，選取不同g值的4個方形貼片模塊，分別在電磁仿真軟件CST中建模并通過其自帶的本征模求解器得到對應的4個表面阻抗Z_s的值，然后利用三次多項式Z_s＝mg³+eg²+pg+q擬合，得到表面阻抗Z_s隨間隙g的關系函數；在該關系函數的曲線圖上找到上述n個不同的表面阻抗值所對應的不同間隙g值，進而得到n種不同方形貼片邊長的方形貼片單元。

2.根據權利要求1所述的一種緊湊型一維全息電磁超穎表面天線，其特征在于，周期數h在6～8之間。

3.根據權利要求1所述的一種緊湊型一維全息電磁超穎表面天線，其特征在于，列數t不小于8。

4.根據權利要求1所述的一種緊湊型一維全息電磁超穎表面天線，其特征在于，行數w在3～6之間。

5.根據權利要求1所述的一種緊湊型一維全息電磁超穎表面天線，其特征在于，該天線在16GHz下實現相對于邊射方向50°波束偏轉角，所述接地介質基板為背面全覆銅的Rogers4003C介質基板，介電常數為3.55，尺寸是336mm×40mm×1.524mm；所述一維表面波發射器包括：50歐姆矩形微帶線的尺寸是5mm×3.5mm；梯形微帶漸變線與50歐姆矩形微帶線相連，其左側的邊為3.5mm，右側的邊為25mm，高為40.5mm；梯形微帶漸變線右側的邊連接的矩形反射銅板的尺寸為25mm×15mm×0.3mm，其與接地介質基板上表面呈30°夾角；

所述電磁超穎表面由6個5*8的方形貼片陣橫向周期排布構成；每個方形貼片陣內的方形貼片單元尺寸均為5mm×5mm，陣中每行8個方形貼片單元內的方形貼尺寸從左到右依次為3.39mm×3.39mm、3.3mm×3.3mm、3.08mm×3.08mm、2.78mm×2.78mm、2.64mm×2.64mm、2.78mm×2.78mm、3.08mm×3.08mm、3.3mm×3.3mm，陣中每列的5個方形貼片單元內的方形貼尺寸相同。