[发明专利]二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线

说明书

本发明公开了一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；聚焦透镜为超表面电磁透镜；二维扫描阵列、聚焦透镜、支撑柱通过垫片依次连接；二维扫描阵列由两个一维扫描阵列：x方向和y方向扫描阵列在z方向叠加而成，y方向作为极化方向，z方向作为透镜对称轴方向，两个一维扫描阵列中变容管偏置线方向均为x方向。该天线通过改变变容管偏置电压实现二维扫描，扫描阵列通过两组变容管有源超表面实现的一维扫描阵列实现二维扫描，两组阵列的扫描方向正交，且在纵向叠加，利用此方法能有效降低大规模二维扫描阵列中超表面复杂度和成本；同时聚焦透镜通过超表面实现，有效减小纵向尺寸。

技术领域

本发明属于毫米波、太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线。

背景技术

电磁透镜是一种在微波毫米波频段实现类似光学透镜的汇聚、发散等功能的透镜结构。

毫米波是频率范围为30～300GHz的电磁波，其波长为10mm～1mm。太赫兹是频率范围为300GHz～3THz的频段，其波长为1mm～0.1mm。毫米波段及太赫兹频段频带宽，传输速率高，设备体积小，同时衰减小，穿透力强等特点，适合近场点对点通信，卫星通信等。应用于毫米波频段的电磁透镜天线能更好地满足应用场景，即满足高汇聚与高增益的要求。

超表面是一种纵向厚度远小于波长，横向采用平面周期结构，通过调整排列单元的结构实现调整反射波以及透射波相位，幅度，极化方式的结构。是一种超材料在二维平面的应用。利用这种特性，可以将其应用于电磁透镜设计，使透镜达到轻量化，低焦径比等设计要求。

实现电控二维扫描的传统方法为利用相控阵天线，但是因其难以在毫米波及更高频率下获得良好的性能，因此本发明采用有源超表面实现二维扫描。为了利用超表面实现二维扫描，一般方法需要为每一个单元独立加载偏置线，并根据预期偏角调整每个单元的偏置电压，随着阵列规模增大，偏置线的数量不可避免地随着阵列规模平方倍增长，独立控制单元偏置电压也会导致计算量过大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种工作于毫米波及太赫兹波段的二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，用于解决现有二维扫描变容管有源超表面中偏置线数量与单元数量相同导致偏置线数量随透镜尺寸平方倍增长，在较大规模超表面透镜中偏置线过多的问题。

本发明通过以下技术方案解决：一种二维扫描变容管有源超表面电磁透镜天线，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；所述聚焦透镜为超表面电磁透镜，所述二维扫描阵列为超表面；所述二维扫描阵列、聚焦透镜、支撑柱均通过垫片依次连接，所述支撑柱固定在底座上，所述喇叭天线固定在底座上，所述喇叭天线的喇叭口朝向聚焦透镜；所述二维扫描阵列由两个一维扫描阵列：x方向扫描阵列和y方向扫描阵列在z方向叠加而成，y方向作为极化方向，z方向作为透镜对称轴方向，两个一维扫描阵列中变容管的偏置线方向均为x方向。

进一步地，该天线为全封闭结构。

进一步地，所述支撑柱为圆筒状，所述垫片为圆环状，所述支撑柱与垫片的材料均为ABS塑料，所述支撑柱内壁贴有吸波材料。

进一步地，所述聚焦透镜采用多层超表面，每层包含介质基板，介质基板的下表面刻蚀周期性排布的金属图案单元，每个金属图案单元为外正方形环嵌套内正方形环；相邻的两层间为分隔层，填充空气、泡沫或介质基板。

进一步地，通过调节外正方形环尺寸、内正方形环尺寸、介质基板尺寸、分隔层厚度和相邻金属图案单元的间距，使得聚焦透镜的透射率优于-1dB，可调相移范围大于360°。

进一步地，设计金属图案单元的尺寸，使得该单元的相移能够补偿在阵列设计中该位置的待补偿相移。