[發明專利]基于惠更斯超表面的透射單元、陣列、天線及調控方法

在審

• 申請號: 202111672436.1
• 申請日: 2021-12-31
• 公開（公告）號: CN114336072A
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 蘇東平;張淮清;肖輝;熊漢;肖冬萍;陳建宇
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H01Q15/00
• 分類號: H01Q15/00;H01Q3/44;H01Q21/00;H01Q1/38
• 代理公司: 重慶博凱知識產權代理有限公司 50212
• 代理人: 周玉玲

本發明涉及平面透射陣天線技術領域，為解決如何在單層介質板上提高傳輸幅度的技術問題，公開了一種基于惠更斯超表面的透射單元、平面陣列天線及其調控方法，包括單層介質板與金屬貼片單元；金屬貼片單元包括金屬敞口方環與中央臂；金屬敞口方環包括一個第一方向臂與長度相等的兩個第二方向臂；單層介質板的兩個相對表面上均設有金屬貼片單元，并呈旋轉對稱關系。通過調控各個透射單元的第二方向臂長度、第二方向臂寬度以及中央臂的長度形成360°范圍傳輸相位的同時，使傳輸幅度保持在?0.82dB以上。本發明改進了金屬貼片單元結構，并通過三種參數的組合可變化出更加豐富的電磁諧振形式，不僅調節范圍更加寬廣，而且大幅度的提高了傳輸幅度。

技術領域

本發明屬于平面透射陣列天線技術領域。

背景技術

空饋類的平面透射陣天線和平面反射陣天線結合光學和天線陣列理論，通常具有低剖面、輻射效率高、以及饋電簡單等優點，是高增益天線的理想選擇。由于平面透射陣天線不存在饋源遮擋的問題，近年來更加收到人們的重視。

惠更斯超表面因具有空間變換的電、磁偶極子，可以同時激發電偶極子共振和磁偶極子共振，擁有任意調控電磁波的能力，受到研究者們極大關注。傳統的基于多層頻率選擇表面是設計平面透射陣天線的常規方法，但該方法需要至少三層介質板才能同時滿足360°傳輸相位控制和-3dB以上的傳輸幅度，這無疑增加了天線制造的難度與成本。然而，傳輸幅度越高對應的傳輸效率越高，傳輸幅度接近0，意味著幾乎百分之百電磁波透傳，這是最理想的結果。

發明內容

針對上述技術的不足，本發明提供了一種基于惠更斯超表面的透射單元，解決如何在單層介質板上提高傳輸幅度的技術問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種基于惠更斯超表面的透射單元，包括單層介質板與金屬貼片單元；

所述金屬貼片單元包括金屬敞口方環與中央臂；所述金屬敞口方環包括一個第一方向臂與長度相等的兩個第二方向臂，并且第二方向臂與入射波的主極化方向一致；所述兩個第二方向臂位于所述第一方向臂同側，并分別與第一方向臂兩端垂直連接；所述中央臂設置在所述兩個第二方向臂之間，并且與所述第一方向臂之間留有間隙；所述中央臂平行于所述兩個第二方向臂，并且到所述兩個第二方向臂的距離相等；

所述單層介質板的兩個相對表面上均設有所述金屬貼片單元，并且兩個金屬貼片單元呈旋轉對稱關系：繞著平行于第一方向臂的對稱軸旋轉180°進行翻面后，其中一個金屬貼片單元與翻面前的另一個金屬貼片單元完全重合。

本發明還提供一種調控方法，用于調控上述基于惠更斯超表面的透射單元：以第二方向臂長度l、第二方向臂寬度w以及中央臂長度h作為調控參數，通過第二方向臂長度l、第二方向臂寬度w以及中央臂長度h的匹配組合，使透射單元的傳輸幅度在-0.82dB以上。

進一步的，根據傳輸頻率調整透射單元尺寸：當用于高頻傳輸時縮小透射單元整體尺寸，并縮小第一方向臂長度；當用于低頻傳輸時增大透射單元整體尺寸，并增大第一方向臂長度。

本發明還提供一種平面透射陣列，由上述的基于惠更斯超表面的透射單元組成m×n陣列。

本發明還提供一種上述平面透射陣列的調控方法，通過調控各個透射單元的第二方向臂長度l、第二方向臂寬度w以及中央臂的長度h形成360°范圍傳輸相位的同時，使傳輸幅度保持在-0.82dB以上。

本發明還提供一種平面透射天線，包括饋源喇叭，還包括上述的平面透射陣列。

本發明還提一種上述平面透射天線的調控方法，通過調控各個透射單元的第二方向臂長度l、第二方向臂寬度w以及中央臂長度h形成360°范圍傳輸相位的同時，使所述平面透射陣列的中央區域的傳輸幅度在-0.4dB以上，邊緣區域的傳輸幅度在-0.82dB～-0.4dB之間。

與現有技術相比，本發明具有的有益效果包括：