[发明专利]二维扫描变容管有源超表面天线罩

说明书

本发明公开了一种二维扫描变容管有源超表面天线罩，包括二维扫描阵列及垫片；二维扫描阵列为多层变容管有源超表面，层间通过垫片分隔；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方向作为入射波极化方向，z方向作为入射波传播方向，两个一维扫描阵列中变容管偏置线方向均为x方向。该天线罩通过改变二维扫描阵列中变容管的偏置电压来实现二维扫描，二维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，两组一维扫描阵列的扫描方向相互正交，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的工艺复杂度和实现成本。

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天线罩。

背景技术

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具有频带宽，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。

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频段的二维扫描变容管有源超表面天线罩，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阵列尺寸平方倍增长，在较大规模变容管有源超表面阵列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天线罩，包括二维扫描阵列及垫片；二维扫描阵列为多层变容管有源超表面，层间通过垫片分隔；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方向作为入射波极化方向，z方向作为入射波传播方向，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，该天线罩的入射波为线极化平面波；该天线罩的口径尺寸大于入射平面波的照射口径。

进一步地，所述一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，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贴片，外正方形环与内正方形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。

进一步地，所述一维扫描阵列采用多层变容管有源超表面，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圆形环嵌套内圆形贴片，外圆形环与内圆形贴片之间通过两个方向相反的变容二极管相连。

进一步地，所述一维扫描阵列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，所述x方向扫描阵列沿y方向相邻的两个金属图案单元之间接有电阻，y方向作为列方向，偏置线加载在每一列的其中一个金属图案单元上；所述y方向扫描阵列沿x方向相邻的两个金属图案单元之间接有微带，x方向作为行方向，偏置线加载在每一行的其中一个金属图案单元上。

本发明相比于现有技术的优势在于：

1.利用两个一维扫描阵列以扫描方向正交方式在纵向叠加，纵向即电磁波传播方向，利用两组扫描方向正交的一维扫描阵列，可以实现一定角度范围的二维扫描。