[发明专利]一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线

说明书

技术领域

本发明涉及相控阵天线领域，特别涉及一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线。

背景技术

相控阵天线具有波束方向可操控的特点，在对一个或者多个目标跟踪领域得到了广泛的应用。但是相控阵天线的造价昂贵、馈源网络复杂。因此，很多研究人员一直集中在寻找一种简单的方法实现天线波束扫描，例如采用易操控、低损耗的相控阵材料实现波束扫描。

长期以来，电磁性能可调控的周期性人工电磁结构材料，吸引着越来越多科研人员的关注。由于他们特有的性能，如介电常数和折射率可调控等，人工电磁结构材料在高增益天线，超透镜和微波斗篷中有巨大的应用潜力。人们提出了各种谐振结构来实现并利用这些特殊的电磁性能。最近有源电控器件被用于电磁材料来动态控制辐射电磁波的性能，比如辐射极化的动态调控、辐射相位的动态调控、以及辐射频率的动态调控等；其中相位可控材料可用于相控天线中。比如Raoul O和Ouedraogo等使用电控传输线，通过电控频率扫描实现了一维大角度相控阵天线;加拿大科学家J.Y.Lau和S.V.Hum等利用阵列透镜制备电控变折射率动态调控人工电磁结构材料，通过低压直流电控制超材料的折射率和传输相位，实现了E-面的波束扫描。但上述实现波束扫描的动态调控人工电磁结构材料具有的共性问题，插入损耗大，只能实现一维动态扫描。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，采用了一种新的结构和加电方式的相位可控材料，使得天线在E面和H面的连续波束扫描角宽度在60°以上。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种基于动态调控人工电磁结构材料的相控阵天线，包括喇叭馈源和覆盖在馈源上方的多层动态调控人工电磁结构材料；其中，每层动态调控人工电磁结构材料是通过在介质板正面印刷含有周期排列的环形缝隙的金属贴片、在环形缝隙上下中心位置嵌入变容二极管，在不同列的环形缝隙之间刻蚀出用于隔离直流的缝隙线，并且通过在介质板反面印刷的金属引线、金属化过孔的方式为不同行的环形缝隙内的金属贴片提供直流电压；利用直流电压源并列连接多层同行金属引线的边缘位置和同列环形缝隙外部金属贴片的边缘位置；通过控制直流电压源调节不同行或不同列之间变容二极管的电容，使相邻行或相邻列区域的辐射位相递增或递减，当位相差值相等时，可以实现天线波束的偏转，动态调节位相差值即能实现天线波束的动态扫描。

其中，所述环形缝隙为矩形环缝隙、圆环形缝隙或椭圆环缝隙的一种，其周期p的取值范围为0.2λ₀≤p≤0.8λ₀，λ₀为相控阵天线中心波长。

所述5层结构相同的辐射方向动态调控人工电磁结构材料的层间距为h，其取值范围为0.05λ₀≤h≤0.2λ₀，λ₀为相控阵天线中心波长。

所述基底下表面的金属引线宽度为d，其取值范围为d≤0.1λ₀，λ₀为相控阵天线中心波长。

所述环形缝隙内部贴片的最大尺寸为dx，其取值范围为0.1λ₀≤dx≤0.5，λ₀为相控阵天线中心波长。

所述环形缝隙的缝隙宽度为g，其取值范围为0.02λ₀≤g≤0.2λ₀，λ₀为相控阵天线中心波长。

所述用于隔离直流的缝隙宽度为w，其取值范围为w≤0.1λ₀，λ₀为相控阵天线中心波长。

本发明具有的有益效果在于：

本发明采用具有新的结构和加电方式的相位可控材料加载于传统喇叭天线，具有结构简单，加电方便，插损低，成本低等优势，而且实现的新型天线能实现E面和H面二维动态扫描，连续波束扫描角宽度大。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的动态调控人工电磁结构材料单元结构示意图；

图3为本发明的动态调控人工电磁结构材料单元结构的等效电路示意图；

图4为实施例1中单层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的透过率曲线；

图5为实施例1中单层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的传输相位和加载电压随变容二级管电容值的变化曲线；

图6为实施例1中不同电容值情况下五层动态调控人工电磁结构材料单元结构材料的透过率曲线；