[发明专利]二维扫描变容管有源超表面带孔介质透镜天线

说明书

本发明公开了一种二维扫描变容管有源超表面带孔介质透镜天线，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；二维扫描阵列为超表面；聚焦透镜为带孔介质透镜；二维扫描阵列、聚焦透镜、支撑柱均通过垫片依次连接，喇叭天线固定在底座上；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方向作为入射波极化方向，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。该天线通过改变变容管的偏置电压实现二维扫描。扫描阵列通过两组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。

技术领域

本发明属于毫米波、太赫兹通信技术领域，尤其涉及一种有源二维扫描变容管有源超表面带孔介质透镜天线。

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。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波段的有源二维扫描变容管有源超表面带孔介质透镜天线，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带孔介质透镜天线，包括聚焦透镜、二维扫描阵列、垫片、支撑柱、喇叭天线和底座；所述聚焦透镜为带孔介质透镜，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方向作为入射波极化方向，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，其特征在于，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，所述聚焦透镜为等厚度的均匀介质，介质内分布直径不一的z方向通孔，将介质视为行距和列距相等的xy平面网格结构，任意通孔的对称轴位于网格结构的交点处。

进一步地，调整聚焦透镜通孔的孔径，通孔周围透射波的相移随之改变，使得每个通孔能够补偿该位置的待补偿相移。

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；相邻的两层间为空气层或任意介电常数的介质。

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。