一种基于超表面的波束赋形阵列天线的制作方法

1.本发明涉及波束赋形天线技术领域，尤其涉及一种基于超表面的波束赋形阵列天线。


背景技术：

2.波束赋形在卫星通信和雷达探测领域有着广泛的应用，常见的赋形波束有平顶波束、低副瓣波束、余割平方波束等，不同的赋形波束在复杂多变的应用场景中发挥着重大的作用，平顶波束广泛应用于大面积覆盖的场景，例如地轨卫星需要宽波束对不同区域进行全方位覆盖，实现大范围的信息数据发射和接收，这就要求卫星上发出的信号可以等强度的到达目标区域，平顶波束恰好可以解决这个问题；再比如余割平方波束，它通常用于对空雷达探测，这种波束可以满足在水平方向有较高增益，在高俯仰方向增益逐渐降低，这种波束形状可以使得目标在同一个高度移动时，地面接收到的回波信号强度基本一致。在低俯仰角度时波束增益快速下降可以大大减少地板发射干扰信号，在高俯仰角度，波束增益接近纯平特性又可以使得接收机在目标长距离移动情况下接收到相同强度的信号，方面雷达接收和信号处理。
3.目前，得到上述各种赋形波束的方式主要有三种：1.通过对阵列天线各个单元的幅度和相位进行控制，从而得到目标波束形状；2.通过反射阵对平面波进行二次赋形完成波束重构；3.使用复杂的功分网络实现不同单元幅度和相位的控制。方法1结构简单、实现效果好，是工程中常用的方法，但是每个通道都需要独立调控的移相器和衰减器，大大增加了雷达的成本。方法2虽然成本低，但是喇叭馈源和反射面的使用使得阵面剖面高度和重量大大增加，在许多低剖面和轻重量的应用场景中无用武之地。方法3也是工程中常用的波束赋形方法，但是随着单元数量越来越多，赋形波束需要的幅度和相位越来越多样，功分网络的复杂程度难以想象，需要投入大量人力去设计和调试，而且在很多结构紧凑的阵面中，功分网络的设计空间十分受限，成为限制其发展的重要因素。今年来超表面的发展如火如荼，有很多学者使用超表面对平面波进行了赋形，如多波束、低副瓣波束等等，但是馈源尺寸太大，为了获得平面波或者准平面波，馈源距离超表面的距离太远，难以满足工程中低剖面的需求，而且无法进行灵活的波束扫描，不能适应当前雷达探测的要求。


技术实现要素：

4.为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于超表面的波束赋形阵列天线。
5.本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线，包括：天线阵面和超表面；
6.所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源包括一个功分馈电网络和多个天线辐射单元，所述天线辐射单元与所述功分馈电网络通过金属化馈电孔连接，所述功分馈电网络通过所述金属化馈电孔对所述天线辐射单元进行馈电；
7.所述超表面加载于所述天线阵面上方，用于对通过所述天线阵面辐射的电磁波进
行幅度和相位的调控。
8.优选地，天线辐射单元位于功分馈电网络上方。
9.优选地，还包括基体，基体包括自上而下依次设置的四个双层印制板；
10.超表面设置在顶部印制板上，天线辐射单元设置在次顶部印制板上，功分馈电网络设置在次底部印制板上，金属化馈电孔贯穿中间两个印制板设置。
11.优选地，所述超表面由金属贴片阵列构成。
12.优选地，金属贴片设置在顶部印制板的顶面和底面。
13.优选地，金属贴片包括位于中部的圆形贴和套设在圆形贴外部的矩形环状贴。
14.优选地，天线辐射单元设置在次顶部印制板的顶部。
15.优选地，天线辐射单元采用辐射贴片阵列，辐射贴片上设有用于阻抗匹配的缝隙。
16.优选地，所述功分馈电网络由多个一分二枝节和一分三枝节的功分器组合而成。
17.优选地，所述功分馈电网络设置在次底部印制板的底面。
18.本发明中，所提出的基于超表面的波束赋形阵列天线，所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源包括一个功分馈电网络和多个天线辐射单元，所述天线辐射单元与所述功分馈电网络通过金属化馈电孔连接，所述功分馈电网络通过所述金属化馈电孔对所述天线辐射单元进行馈电；所述超表面加载于所述天线阵面上方，对通过所述天线阵面辐射的电磁波进行幅度和相位的调控。通过上述优化设计的超表面的波束赋形阵列天线，将相位扫描和超表面波束赋形相结合，阵列一维赋形一维相位扫描，实现波束赋形和波束快速扫描，同时天线阵面、功分馈电网络和超表面加载的一体化设计，成本低廉，整个阵面的剖面高度大大降低。
附图说明
19.图1为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式的结构示意图。
20.图2为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中印制板布置示意图。
21.图3为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中金属贴片的结构示意图。
22.图4为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中天线辐射单元的结构示意图。
23.图5为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中功分馈电网络的结构示意图。
24.图6为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式的方位向扫描方向图。
25.图7为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式的俯仰向波束赋形对比图。
具体实施方式
26.如图1至7所示，图1为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种
实施方式的结构示意图，图2为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中印制板布置示意图，图3为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中金属贴片的结构示意图，图4为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中天线辐射单元的结构示意图，图5为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式中功分馈电网络的结构示意图，图6为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式的方位向扫描方向图，图7为本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线的一种实施方式的俯仰向波束赋形对比图。
27.参照图1和2，本发明提出的一种基于超表面的波束赋形阵列天线，包括：天线阵面和超表面；
28.所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源包括一个功分馈电网络14和多个天线辐射单元13，所述天线辐射单元13与所述功分馈电网络14通过金属化馈电孔7连接，所述功分馈电网络14通过所述金属化馈电孔7对所述天线辐射单元13进行馈电；
29.所述超表面加载于所述天线阵面上方，用于对通过所述天线阵面辐射的电磁波进行幅度和相位的调控。
30.本实施例的基于超表面的波束赋形阵列天线的具体工作过程中，电磁波能量由功分网络的输入端向输出端传播，传播到输出端后通过金属化馈电孔把能量耦合到天线辐射单元13上，从而激励天线单元使电磁波向空间辐射出去，当电磁波传播到超表面时，超表面对入射电磁波的相位进行重新排布，使得透射电磁波相位满足平顶波束的相位分布，继续向空间辐射出去。基于超表面的波束赋形阵列天线全部使用微带结构，通过控制所述超表面的物理参数实现对电磁波的相位调控，加载超表面距离天线距离近，整个阵面剖面高度低；大大减少了阵列中的通道个数，降低了系统成本；无需设计复杂多样的功率分配网络。该阵列实现了一维相位扫描一维波束赋形，大大减少了通道个数和剖面高度，值得被推广使用。
31.在本实施例中，所提出的基于超表面的波束赋形阵列天线，所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源包括一个功分馈电网络14和多个天线辐射单元13，所述天线辐射单元13与所述功分馈电网络14通过金属化馈电孔连接，所述功分馈电网络14通过所述金属化馈电孔对所述天线辐射单元13进行馈电；所述超表面加载于所述天线阵面上方，对通过所述天线阵面辐射的电磁波进行幅度和相位的调控。通过上述优化设计的超表面的波束赋形阵列天线，将相位扫描和超表面波束赋形相结合，阵列一维赋形一维相位扫描，实现波束赋形和波束快速扫描，同时天线阵面、功分馈电网络14和超表面加载的一体化设计，成本低廉，整个阵面的剖面高度大大降低。
32.参照图2，在具体实施方式中，天线辐射单元13位于功分馈电网络14上方。在本实施例的天线实际设计中，还包括基体，基体包括自上而下依次设置的四个双层印制板；
33.超表面设置在顶部印制板8上，天线辐射单元13设置在次顶部印制板9上，功分馈电网络14设置在次底部印制板10上，金属化馈电孔7贯穿中间两个印制板设置。
34.参照图3，在超表面的具体设计方式中，所述超表面由金属贴片12阵列构成。具体地，金属贴片12设置在顶部印制板8的顶面和底面，形成双层阵列。金属贴片12包括位于中部的圆形贴15和套设在圆形贴15外部的矩形环状贴16，通过改变图形半径控制透射电磁波
相位。
35.参照图4，在天线辐射单元13的具体设计方式中，天线辐射单元13设置在次顶部印制板9的顶部。具体地，天线辐射单元13采用辐射贴片17阵列，辐射贴片17上设有用于阻抗匹配的缝隙18。
36.参照图5，在功分馈电网络14的具体设计方式中，所述功分馈电网络14由多个一分二枝节20和一分三枝节21的功分器组合而成，使电磁波能量在不同层之间由功分网络的输入端向输出端传播，进而通过金属化馈电孔把能量耦合到天线辐射单元13上。在具体布置方式中，所述功分馈电网络14设置在次底部印制板10的底面。
37.下面通过实例详细说明本实施例的波束赋形阵列天线。
38.参照图2，本实施例的阵列天线共有四层印制板组成，从上到下分别是顶部印制板8、次顶部印制板9、次底部印制板10和底部印制板11，每块印制板均为双层板。其包括自上而下依次设置的第一层1、第二层2、第三层3、第一铜层、第四层4、第五层5、第二铜层和第六层6，各层分别设置有不同结构和形状的覆铜。其中超表面单元印制在第一层1和第二层2上，天线辐射单元13印制在第三层3上，功分馈电网络14印制在第五层5上。
39.第一层1和第二层2印有周期排布的超表面单元。该单元由圆形贴片15和矩形环16组成，可以通过调节圆形贴15的半径大小来控制透射电磁波的相位，其中矩形环16的作用可以增加超表面的相位调控带宽。
40.具体设计过程为，首先，通过仿真软件(hfss)获得阵列天线上方的电场初始相位分布，然后，通过遗传算法得到平顶波束所需要的目标相位分布，最后用目标相位分布减去初始相位分布得到超表面需要产生的相位分布。而调节圆形贴15的半径可以得到不同的透射相位，那么就可以建立起半径和相位的一一对应关系，最后便可以根据超表面需要产生的相位分布就可以得到不同结构参数的超表面单元分布。
41.第三层3为天线辐射单元13所在层，通过辐射贴片17把电磁波能量辐射出去，“工”形缝隙18用于天线单元的阻抗匹配。
42.本实施例中共有10(y轴)
×
12(x轴)个天线单元，其中y轴的10个单元组成一组列线源，它们通过金属化馈电孔7把信号传递到功分馈电网络14，最后把信号合并为一路，本实施例中共有12个列线源，通过改变12个列线源的激励相位，可以完成在x轴方向的波束扫描。
43.从整体上看，本实施例的阵列天线在y轴方向包括若干个天线单元通过控制超表面的结构尺寸来实现相位的充分分布，从而达到波束赋形的效果，在x轴方向包括若干个列线源，可以通过控制列线源馈电的相位来实现x轴方向的波束扫描。最终该发明可以实现x方向相位扫描和y轴方向的波束赋形功能。
44.第五层5是功分馈电网络14所在层，本实施例中沿着y轴方向共有12个功分馈电网络14，它们与的输出端口与天线辐射单元13一一对应。功分馈电网络14由多个一分二枝节20和一分三枝节21构成，使电磁波能量在第四层4与第六层6之间，由功分网络的输入端向输出端传播，传播到输出端后通过第五层5上的金属化馈电孔7把能量耦合到第三层3的天线辐射单元13上，从而激励天线单元使电磁波向空间辐射出去，当电磁波传播到第二层2时，超表面单元对入射电磁波的相位进行重新排布，使得透射电磁波相位满足平顶波束的相位分布，继续向空间辐射出去，对第六层6为全部覆铜的金属地板。
45.综上所述，该阵列天线不仅把相位扫描和超表面波束赋形相结合，实现阵列一维赋形一维相位扫描，而且实现了天线阵面、功分馈电网络14和超表面加载的一体化设计，整个阵面的剖面高度大大降低。
46.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，包括：天线阵面和超表面；所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源包括一个功分馈电网络(14)和多个天线辐射单元(13)，所述天线辐射单元(13)与所述功分馈电网络(14)通过金属化馈电孔(7)连接，所述功分馈电网络(14)通过所述金属化馈电孔(7)对所述天线辐射单元(13)进行馈电；所述超表面加载于所述天线阵面上方，用于对通过所述天线阵面辐射的电磁波进行幅度和相位的调控。2.根据权利要求1所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，天线辐射单元(13)位于功分馈电网络(14)上方。3.根据权利要求2所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，还包括基体，基体包括自上而下依次设置的四个双层印制板；超表面设置在顶部印制板(8)上，天线辐射单元(13)设置在次顶部印制板(9)上，功分馈电网络(14)设置在次底部印制板(10)上，金属化馈电孔(7)贯穿中间两个印制板设置。4.根据权利要求3所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，所述超表面由金属贴片(12)阵列构成。5.根据权利要求4所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，金属贴片(12)设置在顶部印制板(8)的顶面和底面。6.根据权利要求5所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，金属贴片(12)包括位于中部的圆形贴(15)和套设在圆形贴(15)外部的矩形环状贴(16)。7.根据权利要求3所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，天线辐射单元(13)设置在次顶部印制板(9)的顶部。8.根据权利要求7所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，天线辐射单元(13)采用辐射贴片(17)阵列，辐射贴片(17)上设有用于阻抗匹配的缝隙(18)。9.根据权利要求1所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，所述功分馈电网络(14)由多个一分二枝节(20)和一分三枝节(21)的功分器组合而成。10.根据权利要求9所述的基于超表面的波束赋形阵列天线，其特征在于，所述功分馈电网络(14)设置在次底部印制板(10)的底面。

技术总结
本发明公开了一种基于超表面的波束赋形阵列天线，所述天线阵面包括多个列线源，每个所述列线源包括一个功分馈电网络和多个天线辐射单元，所述天线辐射单元与所述功分馈电网络通过金属化馈电孔连接，所述功分馈电网络通过所述金属化馈电孔对所述天线辐射单元进行馈电；所述超表面加载于所述天线阵面上方，对通过所述天线阵面辐射的电磁波进行幅度和相位的调控。通过上述优化设计的超表面的波束赋形阵列天线，将相位扫描和超表面波束赋形相结合，阵列一维赋形一维相位扫描，实现波束赋形和波束快速扫描，同时天线阵面、功分馈电网络和超表面加载的一体化设计，成本低廉，整个阵面的剖面高度大大降低。面的剖面高度大大降低。面的剖面高度大大降低。


技术研发人员：余泽 陈畅 苗菁 张小林 刘露 王亚茹 樊浩 陈卫东 张琪春 黎林 陈豹
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第三十八研究所
技术研发日：2023.05.17
技术公布日：2023/8/21