[发明专利]一种动态波束扫描透射型编码超表面阵列

说明书

本发明公开了一种动态波束扫描透射型编码超表面阵列，其包含若干个周期性排列的超表面单元，超表面单元包含依次叠放的：第一金属贴片、第一介质基板、第二金属贴片、第二介质基板、第三金属贴片等，第一金属贴片的偏置线与第二金属贴片连接，第一金属贴片的第一矩形金属贴片与所述第三金属贴片的第二矩形金属贴片连接，通过在第三金属贴片的馈线加载不同的偏置电压，以使各超表面单元达到预设的透射幅度和相位分布，采用FPGA预编码动态控制加载的偏置电压，实现透射电磁波动态波束扫描。其优点是：其通过对底层的第三金属贴片加载偏置电压，不需要额外的偏置电路层，具有大角度快速扫描、宽带、超薄、低成本的特性，整体结构简单、轻质、易加工。

技术领域

本发明涉及微波频段电磁波调控技术领域，具体涉及一种新型动态波束扫描透射型编码超表面阵列。

背景技术

波束扫描是阵列天线的重要功能，与波束方向始终保持不变的定波束阵列天线相比，具有波束扫描功能的阵列天线通常用于导弹、军舰、地面雷达等军事设施中用于探测和识别复杂环境下的快速多目标，或者智能车辆、手机等移动通信设备中用于高速率和多通道的宽带通信。

传统的天线波束扫描方式包括机械扫描和电子扫描。其中，机械扫描是通过机械旋转装置控制天线的转向实现波束扫描的，如抛物面反射天线。这类天线馈电方式简单，维护陈本较低，但设备笨重、体积庞大、导致系统反应速度慢，扫描范围较小且无法同时跟踪多个目标，降低了天线系统的整体可靠性，无法满足快速扫描和跟踪的现代通信和军事需求。电子扫描是指相控阵天线，每个天线单元的后面都连接一个T/R(Transmitter/Receiver)组件(包含移相器和衰减器)。通过调节移相器的相位和衰减器的幅度控制阵列天线合成的波束指向。由于移相器和衰减器受计算机控制，天线单元馈电相位变化响应迅速，单元馈电幅度可调，因此合成的波束具有指向快速可调，数据分辨率高，抗干扰能力强等优点。然而，相控阵天线需要大量的T/R组件，同时T/R组件损耗较高，使得相控阵天线造价昂贵，效率偏低且馈电网络较为复杂。此外，T/R组件带宽较窄，极大地限制了宽带天线的性能。因此，需要一种新型的便于实际应用的波束扫描结构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种动态波束扫描透射型编码超表面阵列，将多个周期性排列的超表面单元相结合，每个超表面单元均包含第一金属贴片、第一介质基板、第二金属贴片、第二介质基板、第三金属贴片，通过对底层的第三金属贴片加载偏置电压，不需要额外的偏执电路层，具有快速扫描、宽带、超薄、低成本的特性，整体结构简单、轻质、易加工。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种动态波束扫描透射型编码超表面阵列，包含若干个周期性排列的超表面单元，所述超表面单元包含依次叠放的：用于接收电磁波的第一金属贴片、第一介质基板、用于产生偏置电流闭合回路的第二金属贴片、第二介质基板、用于辐射电磁波的第三金属贴片，所述第一金属贴片位于顶部，所述第三金属贴片位于底部，

其中，所述第一金属贴片上包含矩形方环、第一矩形金属贴片、偏置线，所述第一矩形金属贴片设置于所述矩形方环内部且其通过两个开关二极管与矩形方环连接，偏置线与矩形方环连接；

所述第三金属贴片上包含第二矩形金属贴片和馈线，相邻超表面单元的第二矩形金属贴片之间通过馈线连接；

所述第一金属贴片的偏置线与所述第二金属贴片连接，所述第一金属贴片的第一矩形金属贴片与所述第三金属贴片的第二矩形金属贴片连接，通过在第三金属贴片的馈线加载不同的偏置电压，以使各超表面单元达到预设的透射幅度和相位分布，采用FPGA预编码动态控制加载的偏置电压，实现透射电磁波动态波束扫描。

可选的，当空气中的TE极化电磁波入射到编码超表面阵列的一侧表面时，编码超表面阵列的每个超表面单元都产生谐振，并从编码超表面阵列的另一侧表面辐射出去；当空气中的TM极化电磁波入射到编码超表面阵列的一侧表面时，TM极化电磁波发生全反射。