[发明专利]方向图可编程超材料阵列天线系统

说明书

本发明提供了一种方向图可编程超材料阵列天线系统，所使用的馈电结构、阵列单元结构和排布方式、波束合成控制方法，电磁波通过底部波导给整个天线系统馈电，波导内部包含慢波结构，慢波结构的引入可以缩小传导波长，通过缩小波导波长，单元缝隙的间距通过工作频率传导波长来确定，电磁波在波导中传输，会产生相应相差，同一时刻不同单元具有不同相位分布，这种分布可以通过改变单元排布方式和单元状态进行调节，电磁波通过单元缝隙激励辐射单元，单元缝隙和辐射单元之间是超材料层，超材料层的状态通过驱动电路系统进行控制，从而控制辐射单元的辐射状态。

技术领域

本发明涉及天线及计算通信技术领域，尤其涉及方向图可编程超材料阵列天线系统。

背景技术

现有技术中，只有相控阵天线和可变倾角连续断面节阵列（VICTS）天线可以进行波束的电倾扫描。这两种阵列天线结构复杂、造价昂贵。

对于相控阵天线每个阵列单元通道上都包含移相器和放大器或衰减器。放大器或衰减器实现对每路信号的幅度调控；移相器实现对每路信号的相位调控，并且很难实现连续相位调控。结合相应的相控阵波束合成算法实现波束的电倾扫描。通道上需要为每路放大器设计散热结构，增加了相控阵天线的结构复杂程度；每路移相器会引入较大的插入损耗。因此相控阵天线功耗较大，并且效率较低。

VICTS天线是由两块平板结构组成，一层是由一维网格状的连续横向辐射单元组成，另一层由一个或多个等相馈电线源组成，通过两层结构的旋转实现波束的电倾扫描。VICTS天线结构复杂，无法做到收发一体，天线系统内部需要传动装置，造价昂贵。

方向图可编程超材料阵列天线系统不需要独立的移相器和放大器，不需要机械传动装置，通过驱动电路实现对每个阵列单元的精确调控，驱动电路由相应的波束合成算法控制，实现波束的电倾扫描。驱动电路可以根据不同阵列排布方式烧录不同的波束合成算法。

方向图可编程超材料阵列天线系统包含波导馈电结构，阵列单元层，驱动电路层，超材料层。超材料层包括但不限于液晶天线单元，MEMS天线单元，等离子体天线单元，铁电和压电材料构成的阵列天线单元，以及其它采用电压驱动的超材料天线单元。 阵列排布方式包含矩形栅格，矩形或其它多边形边界；三角形栅格，矩形或其它多边形边界；矩形或三角形栅格，圆形边界，以及圆环或者圆形阵列等。相应波束合成算法包含遗传算法型波束电倾扫描方案，机器学习型波束电倾扫描方案等。

发明内容

本发明提供了方向图可编程超材料阵列天线系统，以解决上述技术问题中提到的问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：方向图可编程超材料阵列天线系统，所使用的馈电结构、阵列单元结构和排布方式、波束合成控制方法，电磁波通过底部波导给整个天线系统馈电，波导内部包含慢波结构，慢波结构的引入可以缩小传导波长，通过缩小波导波长，单元缝隙的间距通过工作频率传导波长来确定，电磁波在波导中传输，会产生相应相差，同一时刻不同单元具有不同相位分布，这种分布可以通过改变单元排布方式和单元状态进行调节，电磁波通过单元缝隙激励辐射单元，单元缝隙和辐射单元之间是超材料层，超材料层的状态通过驱动电路系统进行控制，从而控制辐射单元的辐射状态。

优选的，所述辐射单元结构将波导内的传导电磁波向空间进行辐射，辐射的电磁波在空间进行叠加，形成阵列天线的方向图，通过精确控制每个单元的状态，实现阵列单元在所需指向的叠加。

优选的，所述波导缝隙激励辐射贴片，辐射贴片向空间辐射电磁波。辐射贴片的横向和纵向尺寸根绝传导波长来确定。

优选的，所述超材料层位于辐射单元和波导缝隙之间，超材料层在不同电压下呈现不同的介电特性，通过驱动控制电路调控每个辐射单元的辐射能力，从而使得天线阵列单元实现不同的幅度分布。阵列天线单元通过相位和幅度的调控实现波束的电倾扫描。