CN117855864A - 基于低剖面的ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线及其波束扫描方法 - Google Patents
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Abstract
基于低剖面的ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线及其波束扫描方法，其中，超表面单元采用两层连接导通的金属贴片和两层介质与中间层金属底板通过半固化层粘合，利用超表面单元的极化选择性，对入射的左旋(右旋)圆极化电磁波进行反射，同时不改变其极化特性，对入射的右旋(左旋旋)圆极化电磁波进行接收，并通过上层金属辐射贴片进行辐射，实现对圆极化电磁波的极化选择；利用机械旋转的双层超表面以单个微带天线为馈源实现在毫米波频段内的俯仰面的波束扫描，可以在29.4GHz～31.2GHz的频段内实现最大±50°的扫描效果；相比于有源相控阵来说，该天线可以省去后端R/T组件部分，同时具有结低轮廓、紧凑结构、低损耗、低成本、高增益和易于制造的优点，更适用于高功率应用场景。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于低剖面的ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线及其波束扫描方法。
背景技术
波束扫描天线技术可以分为两个主要类别：传统的相控阵天线(包括有源和无源类型)和采用机械波束转向技术的相控阵天线。在传统的相控阵设计中，每个天线阵列元素的相位通过数字技术进行精确控制，这样可以灵活调整天线阵列的辐射方向图。这种类型的天线已经在多种应用中得到了广泛的开发，例如在卫星通信、机载通讯系统以及成像技术等领域，它们通过自适应波束控制技术提高了系统性能。然而，相控阵天线由于其内在的技术复杂性，往往伴随着较高的成本。特别是在高功率应用场景中，传统相控阵天线中的移相器或收发(T/R)模块可能会遇到散热问题和处理能力限制，从而增加了系统设计的挑战。因此，研发具有低复杂度和低成本的波束扫描天线成为了一个重要的课题。
与传统的相控阵天线相比，机械波束可控天线采用了完全不同的技术途径，它们不依赖于电子相移机制来控制波束的方向。这种设计的优势在于，它们通常具有更低的能量损耗，因此可以显著降低成本，并且更加适合于高功率的应用场景。但是，这种设计的一个显著缺点是扫描速度较慢。鉴于这些特点，在那些更加注重高功率处理能力、成本效益和系统简化，而不是高速波束扫描的应用场合中，机械波束转向技术可以作为一种有效的替代方案，来取代传统的有源或无源电子转向阵列。这种技术的应用前景广阔，尤其是在需要大功率和成本效益的通信和成像系统中。
2023年，雷浩宇提出了一种基于Risley-Prisms天线原理的新型折叠透射阵列天线，能够在方位角和仰角平面实现圆极化波束扫描，并且扫描损耗低。这种天线由一个圆极化贴片馈电源、一个金属接地板和两个可旋转的圆极化选择性超表面组成。通过机械旋转馈电源上方的两个圆极化选择性超表面，波束的扫描范围覆盖了仰角平面的0°至52°和方位角平面的0°至360°。
2023年，闫登辉提出了一种基于低剖面的Ka波段透射型超表面单元及其相应的波束天线，其天线采用波导喇叭作为馈源，利用双层超表面旋转实现主波束在俯仰面上的波束扫描。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线及其波束扫描方法，本发明以超表面技术为基础，利用机械旋转双层超表面以单个微带天线为馈源实现在在毫米波频段内的俯仰面的波束扫描，能够在29.4GHz～31.2GHz的频段内实现最大±50°的扫描效果；相比于有源相控阵来说，该天线可以省去后端R/T组件部分，同时具有结低轮廓、紧凑结构、低损耗、低成本、高增益和易于制造的优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，包括自上而下设置的上介质基板11、中间层金属反射板12、中间半固化层13和下介质基板14，所述上介质基板11的上表面居中印制有第一金属层101，下介质基板14的下表面居中印制有第二金属层102，第一金属层101与第二金属层102图案、形状和大小相同，第一金属层101与第二金属层102围绕Z轴印制的角度相同或不同；第一金属层101与第二金属层102之间贯通连接有金属通孔103。
所述第一金属层101与第二金属层102均包括由金属外圆环1011、金属内圆心1012以及连接金属外圆环1011与金属内圆心1012的多个金属线条1013组成。
所述第一金属层101与第二金属层102在0到360°的相位空间内，围绕Z轴印制的角度α不同，则相位梯度不同，相位梯度差越小，进行的相位补偿的结果越精确。
所述金属外圆环1011外侧设有2个中心对称分布的矩形缺口1014；金属内圆心1012半径大于金属通孔103半径，金属通孔103设置于金属外圆环1011的内圈边缘。
所述下介质基板14的下表面的金属层102实现对右旋圆极化电磁波的传输并实现对左旋圆极化的电磁波的反射；将下介质基板14的下表面的金属层102按圆心中心轴对称后构成新超表面单元，则实现对左旋圆极化电磁波的传输并实现对右旋圆极化的电磁波的反射；上介质基板11的上表面的金属层101实现对右旋圆极化电磁波的辐射。
基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线，包括自上而下设置的上层Ka波段圆极化选择性超表面1、下层Ka波段圆极化选择性超表面2、微带天线馈源3和金属地板4，所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1和下层Ka波段圆极化选择性超表面2均布置有M*N个阵列分布的低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，阵列布置的低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元进行以不同梯度的规律摆放，以实现电磁波的空间相位补偿及球面波转换平面波，并实现波束偏转；其中，M≥2，N≥2。
所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1、下层Ka波段圆极化选择性超表面2、微带天线馈源3和金属地板4的几何中心与处于同一坐标轴线Z上；微带天线馈源3的辐射方向图相位中心也处于同一坐标轴线Z上；通过旋转改变上层Ka波段圆极化选择性超表面1与中心坐标轴的夹角α1、下层Ka波段圆极化选择性超表面2与中心坐标轴的夹角α2，实现在该波束扫描天线的上方空间内的波束扫描。
所述微带天线馈源3位于金属地板4的中心位置；微带天线馈源3与金属地板4整体放置于下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下方1.2λ0处，通过金属地板4的上表面与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面的反射，折叠电磁波的传播路径，将下层Ka波段圆极化选择性超表面2到金属地板4的高度降低到原先高度的1/3，实现波束扫描天线的低剖面效果。
所述微带天线馈源3所辐射的电磁波到达下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面上的每一个超表面单元的相位都有所不同，从而产生空间相位延迟；
对微带天线馈源3辐射到下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面不同位置而引起的空间相位延迟进行补偿：
其中/>
其中，k0为对应的自由空间波数，第(i,j)个单元的位置坐标为(x(i,j),y(i,j))，微带天线馈源3的相位中心距离下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面的距离，D(i,j)为微带天线馈源3的相位中心到下层Ka波段圆极化选择性超表面2中的第(i,j)个超表面单元之间的空间距离；
补偿电磁波到下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面的相位延迟后，需改变主波束聚焦方向即在下层Ka波段圆极化选择性超表面2上额外引入渐变相位，渐变相位数学表达式为：
下层Ka波段圆极化选择性超表面2上每个超表面单元的补偿的空间相位延迟和改变主波束聚焦方向的渐变相位之和，即下层Ka波段圆极化选择性超表面2上每个超表面单元的传输相位数学表达式表示为：
其中，最后一项φ0为参考相位值，其物理含义表示整个口面相移分布为相对值，而非绝对值；
所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1的每个超表面单元的传输相位为电磁波由下层Ka波段圆极化选择性超表面2传输后是相位一致的平面波，上层Ka波段圆极化选择性超表面1只需要实现偏转主波束方向的渐变相位要求，具体数学表达式为：
通过旋转改变上层Ka波段圆极化选择性超表面1及中心坐标轴的夹角与下层Ka波段圆极化选择性超表面2与中心坐标轴的夹角，实现主波束在3-D锥形空间波束扫描；ψ1和ψ2表示上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的线性相位下降方向所在的方位面，其中ψ1、ψ2在区间[-180°,180°]内；α1和α2表示上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2所传输电磁波束的偏转角；具体为：
第一步是确定上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的初始方位角
第二步是实现仰角波束扫描，并沿垂直于超表面的同一旋转轴反向旋转上层ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2，使其中δ1、δ2为上层ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的旋转角，当α1和α2相等时，计算波束俯仰角θ和方位角/>
θ＝arcsin(2sinα1cos((ψ1-ψ2)/2))
所述波束扫描天线的工作频带覆盖29.4-31.2GHz；在30GHz处，通过旋转所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层ka波段圆极化选择性超表面2，能够实现±50°的最大扫描角；扫描到50度时，增益21.6dBi。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明利用机械旋转双层超表面以单个微带天线为馈源实现在在毫米波频段内的俯仰面的波束扫描，可以在29.4GHz～31.2GHz的频段内实现最大±50°的扫描效果。相比于有源相控阵来说，该天线可以省去后端R/T组件部分，同时具有结低轮廓、紧凑结构、低损耗、低成本、高增益和易于制造的优点，更适用于高功率应用场景。
2.本发明中超表面单元采用两层连接导通的金属贴片和两层介质与中间层金属底板通过半固化层粘合，利用超表面单元的极化选择性，对入射的左旋(右旋)圆极化电磁波进行反射，同时不改变其极化特性，对入射的右旋(左旋旋)圆极化电磁波进行接收，并通过上层金属辐射贴片进行辐射，实现对圆极化电磁波的极化选择。
3.本发明中超表面单元上下表面通过位于单元几何中心金属通孔连接，通过以金属通孔为旋转中心旋转超表面单元上表面的金属辐射贴片，实现梯度相位的精确划分，超表面单元结构简单，易于制造；同时通过对金属辐射贴片的轴对称操作，可以实现接收或辐射的圆极化的极性的转换。
附图说明
图1是本发明超表面单元结构示意图。
图2是本发明超表面单元结构侧视示意图。
图3是本发明实施例的超表面单元结构中上下金属层结构示意图；其中，图3(a)是超表面单元上表面金属层，图3(b)是超表面单元下表面金属层。
图4是本发明实施例中波束扫描天线整体结构示意图。
图5是本发明实施例中的电磁波传播路径与降低剖面原理示意图。
图6是本发明实施例中的超表面阵列相位排布示意图：其中，图6(a)是下层超表面相位分布图，图6(b)是上层超表面相位分布图。
图7是本发明实施例中的超表面阵列层1与层2的旋转示意图。
图8是本发明实施例中的超表面单元对左旋圆极化波的S11结果图。
图9是本发明实施例中的超表面单元对右旋圆极化波的S21结果图。
图10是本发明实施例中的超表面单元改变旋转角度α得到的对右旋圆极化波的S21的幅度结果。
图11是本发明实施例中的超表面单元改变旋转角度α得到的对右旋圆极化波的S21的相位结果。
图12是本发明实施例中的波束扫描天线上层超表面和下层超表面夹角0°时的phi＝0°时的辐射方向图。
图13是本发明实施例中的波束扫描天线上层超表面和下层超表面夹角45°时的phi＝0°时的辐射方向图。
图14是本发明实施例中的波束扫描天线上层超表面和下层超表面夹角90°时的phi＝0°时的辐射方向图。
图15是本发明实施例中的波束扫描天线上层超表面和下层超表面夹角180°时的phi＝0°时的辐射方向图。
图16是本发明实施例中的波束扫描天线在30GHz处的各种状态的phi＝0°时的辐射方向图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步描述：
参照图1和图2，一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，包括自上而下设置的上介质基板11、中间层金属反射板12、中间半固化层13和下介质基板14，所述上介质基板11的上表面居中印制有第一金属层101，下介质基板14的下表面居中印制有第二金属层102，第一金属层101与第二金属层102图案、形状和大小相同，第一金属层101与第二金属层102围绕Z轴印制的角度相同或不同；第一金属层101与第二金属层102之间贯通连接有金属通孔103。
所述第一金属层101包括由金属外圆环1011、金属内圆心1012以及连接金属外圆环1011与金属内圆心1012的多个金属线条1013组成。
所述金属外圆环1011外侧设有2个中心对称分布的矩形缺口1014；
所述金属外圆环1011和金属内圆心1012共圆心；金属通孔103设置于金属外圆环1011的内圈边缘。
所述外圆环1011的内圈半径大于金属内圆心1012半径，金属内圆心102半径大于所述金属通孔103半径。
所述第一金属层101与第二金属层102在0到360°的相位空间内，围绕Z轴印制的角度α不同，则相位梯度不同，相位梯度差越小，进行的相位补偿的结果越精确。
所述下介质基板14的下表面的金属层102实现对右旋圆极化电磁波的传输并实现对左旋圆极化的电磁波的反射；将下介质基板14的下表面的金属层102按圆心中心轴对称后构成新超表面单元，则实现对左旋圆极化电磁波的传输并实现对右旋圆极化的电磁波的反射；上介质基板11的上表面的金属层101实现对右旋圆极化电磁波的辐射。
参照图6，一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线，包括自上而下设置的上层Ka波段圆极化选择性超表面1、下层Ka波段圆极化选择性超表面2、微带天线馈源3和金属地板4，所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1和下层Ka波段圆极化选择性超表面2均布置有M*N个阵列分布的低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，阵列布置的低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元进行以不同梯度的规律摆放，以实现电磁波的空间相位补偿及球面波转换平面波，并实现波束偏转；其中，M≥2，N≥2。
参照图5和图7，所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1、下层Ka波段圆极化选择性超表面2、微带天线馈源3和金属地板4的几何中心与处于同一坐标轴线z上；微带天线馈源3的辐射方向图相位中心也处于同一坐标轴线z上；通过旋转改变上层Ka波段圆极化选择性超表面1与中心坐标轴的夹角α1、下层Ka波段圆极化选择性超表面2与中心坐标轴的夹角α2，实现在该波束扫描天线的上方空间内的波束扫描。
参照图4和图5，所述微带天线馈源3位于金属地板4的中心位置处；微带天线馈源3与金属地板4整体放置于下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下方1.2λ0处，通过金属地板4的上表面与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面的反射，折叠电磁波的传播路径，将下层Ka波段圆极化选择性超表面2到金属地板4的高度降低到原先高度的1/3，实现波束扫描天线的低剖面效果。
所述微带天线馈源3所辐射的电磁波近似于球面波，电磁波到达下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面上的每一个超表面单元的相位都有所不同，从而产生相位延迟；为了解决相位不同的问题，需要利用超表面单元本身的传输特性进行相位的补偿，补偿在微带天线馈源3辐射到下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面不同位置而引起的空间相位延迟为：
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其中，k0为对应的自由空间波数，第(i,j)个单元的位置坐标为(x(i,j),y(i,j))，微带天线馈源3的相位中心距离下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面的距离，D(i,j)为微带天线馈源3的相位中心到下层Ka波段圆极化选择性超表面2中的第(i,j)个超表面单元之间的空间距离；
补偿电磁波到下层Ka波段圆极化选择性超表面2的下表面的相位延迟后，如果不改变天线主波束的聚焦方向，电磁波会由下层Ka波段圆极化选择性超表面传输后，垂直于下层Ka波段圆极化选择性超表面2方向传播；需要改变主波束聚焦方向即在下层Ka波段圆极化选择性超表面2上额外引入渐变相位，渐变相位数学表达式为：
下层Ka波段圆极化选择性超表面2上每个超表面单元的补偿的空间相位延迟和改变主波束聚焦方向的渐变相位之和，即下层Ka波段圆极化选择性超表面2上每个超表面单元的传输相位数学表达式表示为：
其中，最后一项φ0为参考相位值，其物理含义表示整个口面相移分布为相对值，而非绝对值。
所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1的每个超表面单元的传输相位为与有所不同，电磁波由下层Ka波段圆极化选择性超表面2传输后是相位一致的平面波，上层Ka波段圆极化选择性超表面1不再需要补偿空间相位延迟，只需要实现偏转主波束方向的渐变相位要求，具体数学表达式为：
基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线的波束扫描方法，具体为：通过旋转改变上层Ka波段圆极化选择性超表面1与中心坐标轴的夹角与下层Ka波段圆极化选择性超表面2与中心坐标轴的夹角，实现主波束在3-D锥形空间波束扫描；ψ1和ψ2表示上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的线性相位下降方向所在的方位面，其中ψ1、ψ2在区间[-180°,180°]内；α1和α2表示上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2所传输电磁波束的偏转角；
第一步是确定上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的初始方位角
第二步是实现仰角波束扫描，并沿垂直于超表面的同一旋转轴反向旋转上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2，使其中δ1、δ2为上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2的旋转角，当α1和α2相等时，可以精确计算波束俯仰角θ和方位角/>
θ＝arcsin(2sinα1cos((ψ1-ψ2)/2))
所述波束扫描天线的工作频带覆盖29.4-31.2GHz；在30GHz处，通过旋转所述上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2，能够实现±50°的最大扫描角；扫描到50度时，增益21.6dBi。
结合图1所示，本实施例中，所述上介质基板11高度h1＝0.5mm,中间半固化层13高度h2＝0.1mm,下介质基板14高度也为h1＝0.5mm,上介质基板高度和下介质基板的高度是一样的，上下介质基板型号为TX220F，相对介电常数2.2，损耗角正切0.001，半固化层介质型号为Rogers RO4350,相对节点常数3.66，损耗角正切0.004，超表面单元整体剖面高度为1.1mm,平面尺寸为5×5mm。
结合图3所示，本实施例中，所述上表面金属层101中的金属外圆环1011外径r1＝1.55mm,内径r2＝0.9mm；金属内圆心1012半径r3＝0.45mm；连接金属外圆环与金属内圆心的2个金属线条1013的夹角a＝48deg，宽度为w1＝0.1mm；金属外圆环1011上由切割出2个中心对称分布的矩形缺口1014的长度l1＝1.1mm,宽度0.15mm。
所述波束扫描天线，上层Ka波段圆极化选择性超表面由18×18个左旋圆极化接收左旋圆极化发射单元组成，并将其阵列四个角落的单元去除，上层Ka波段圆极化选择性超表面大小为直径120mm的口径面。下层Ka波段圆极化选择性超表面由18×18个右旋圆极化接收左旋圆极化发射单元组成，同样将其阵列四个角落的单元去除，下层Ka波段圆极化选择性超表面同样也是大小为直径120mm的口径面。
本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：
一.仿真实验条件：
商业仿真软件CST Studio Suite 2020，扫描频率带宽26GHz～34GHz，扫描频率间隔0.1GHz，扫描空间俯仰角theta的范围为0°～180°、空间方位角phi的范围为0°～360°，以1°间隔采集数据。
二.仿真实验内容
仿真1：在上述条件下对本发明实施例的超表面单元的传输系数在26GHz至34GHz范围内进行仿真计算，结果如图5和图6所示。
如图8所示为超表面单元对左旋圆极化波的S11结果图，从图中可以看出在29～31.2GHz的频段内，S11反射系数均在-1dB以上，表明其对左旋圆极化波在频段内有着良好的反射特性。
如图9所示为超表面单元对右旋圆极化波的S21的结果图，从图中可以看出在29.4～31.2GHz的频段内，S21传输系数均在-2dB以上，表明其对右旋圆极化波在频段内有着良好的透射特性。
结合图8和图9，可以得出本实例中的超表面单元具有良好的极化选择特性。
仿真2：在上述条件下，通过改变上介质基板11的上表面的金属贴片101围绕Z轴的角度α，对本发明实施例的超表面单元的传输系数在26GHz至34GHz范围内进行仿真计算，结果如图10和图11所示。
通过改变所述上介质基板11的上表面的金属贴片101围绕Z轴的角度α，实现不同的相位梯度，在0到360°的相位空间内，相位梯度差越小，在进行的相位补偿的结果越精确；该实例中通过选择α＝0°，60°，120°，180°，240°，300°，在频带内实现覆盖整个空间的梯度相位差。
如图11所示为本实施例中的超表面单元改变旋转角度α得到的对右旋圆极化波的S21的幅度结果图，从图中可以看出在29.4～31.2GHz的频段内，改变所述上介质基板11的上表面的金属贴片101围绕Z轴的角度α并不会影响超表面单元对右旋圆极化波的传输幅度。
如图12所示：为本实例中的超表面单元改变旋转角度α得到的对右旋圆极化波的S21的相位结果图，从图中可以看出在26GHz～34GHz的整个仿真频段内，不同旋转角度情况下的超表面单元的S21传输相位差均在60°。改变所述上介质基板11的上表面的金属贴片101围绕Z轴的角度α可以精确的控制所传输的电磁波的传输相位，实现梯度相位的精确划分。
结合图11和图12，可以得出本实例中的超表面单元具有良好的梯度相位特性，适合作为梯度相位超表面单元。
仿真3：在上述条件下对本发明实施例的波束扫描天线进行仿真模拟，其中上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2之间旋转夹角为α＝0°，结果如图13所示。
如图13所示：为本实施例中的波束扫描天线上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2夹角0°时的辐射方向图，其中phi取0°。从图中可以看出在此种情况下波束扫描天线扫描指向达到最大，理论计算值在30GHz处最大增益指向50°，仿真得到各频点的详细见表1。
表1仿真3所得各频点数据
| 频点/GHz | 最大增益/dBi | 最大增益角度/deg |
| 29.4 | 18.04 | 49 |
| 30.0 | 21.61 | 48 |
| 30.6 | 23.19 | 46 |
| 31.2 | 21.66 | 46 |
仿真4：在上述条件下对本发明实施例的波束扫描天线进行仿真模拟，其中上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2之间旋转夹角为α＝45°，结果如图14所示。
如图14所示：为本实施例中的波束扫描天线上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2夹角0°时的辐射方向图，其中phi取0°。从图中可以看出在此种情况下波束扫描天线扫描指向达到最大，理论计算值在30GHz处最大增益指向45°，仿真得到各频点的详细见表2。
表2仿真4所得各频点数据
| 频点/GHz | 最大增益/dBi | 最大增益角度/deg |
| 29.4 | 19.51 | 44 |
| 30.0 | 21.82 | 43 |
| 30.6 | 23.13 | 42 |
| 31.2 | 21.09 | 43 |
仿真5：在上述条件下对本发明实施例的波束扫描天线进行仿真模拟，其中上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2之间旋转夹角为α＝90°，结果如图14所示。
如图14所示：为本实施例中的波束扫描天线上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2夹角0°时的辐射方向图，其中phi取0°。从图中可以看出在此种情况下波束扫描天线扫描指向达到最大，理论计算值在30GHz处最大增益指向32.7°，仿真得到各频点的详细见表3。
表3仿真5所得各频点数据
| 频点/GHz | 最大增益/dBi | 最大增益角度/deg |
| 29.4 | 18.87 | 33 |
| 30.0 | 22.66 | 32 |
| 30.6 | 24.38 | 31 |
| 31.2 | 21.94 | 31 |
仿真6：在上述条件下对本发明实施例的波束扫描天线进行仿真模拟，其中上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2之间旋转夹角为α＝180°，结果如图15所示。
如图15所示：为本实施例中的波束扫描天线上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2夹角0°时的辐射方向图，其中phi取0°。从图中可以看出在此种情况下波束扫描天线扫描指向达到最大，理论计算值在30GHz处最大增益指向0°，仿真得到各频点的详细见表4。
表4仿真6所得各频点数据
| 频点/GHz | 最大增益/dBi | 最大增益角度/deg |
| 29.4 | 20.84 | 0 |
| 30.0 | 23.02 | 0 |
| 30.6 | 24.60 | 0 |
| 31.2 | 23.78 | 0 |
结合仿真3、4、5和6，以30GHz为例，本实施例中的波束扫描天线波束扫描如图16所示。
从仿真实验1和仿真实验2本实施例中的超表面单元具有良好的梯度相位特性，在所需29.4～31.2GHz的频段内，传输系数良好，同时对电磁波的极性选择准确，适合作为梯度相位超表面单元。
从仿真实验3、仿真实验4、仿真实验5和仿真实验6，在29.4～31.2GHz的工作频段内，该波束扫描天线可以通过旋转上层Ka波段圆极化选择性超表面1与下层Ka波段圆极化选择性超表面2实现精确的波束扫描，同时在ka波段内可以实现±50°的宽角扫描效果，扫描效果良好。
Claims (10)
1.一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，包括自上而下设置的上介质基板(11)、中间层金属反射板(12)、中间半固化层(13)和下介质基板(14)，其特征在于：所述上介质基板(11)的上表面居中印制有第一金属层(101)，下介质基板(14)的下表面居中印制有第二金属层(102)，第一金属层(101)与第二金属层102图案、形状和大小相同，第一金属层(101)与第二金属层(102)围绕Z轴印制的角度相同或不同；第一金属层(101)与第二金属层(102)之间贯通连接有金属通孔(103)。
2.根据权利要求1所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，其特征在于：所述第一金属层(101)与第二金属层(102)均包括由金属外圆环(1011)、金属内圆心(1012)以及连接金属外圆环(1011)与金属内圆心(1012)的多个金属线条(1013)组成。
3.根据权利要求1所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，其特征在于：所述第一金属层(101)与第二金属层(102)在0到360°的相位空间内，围绕Z轴印制的角度α不同，则相位梯度不同，相位梯度差越小，进行的相位补偿的结果越精确。
4.根据权利要求1所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，其特征在于：所述金属外圆环(1011)外侧设有2个中心对称分布的矩形缺口(1014)；金属内圆心(1012)半径大于金属通孔(103)半径，金属通孔(103)设置于金属外圆环(1011)的内圈边缘。
5.根据权利要求1所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，其特征在于：所述下介质基板(14)的下表面的金属层(102)实现对右旋圆极化电磁波的传输并实现对左旋圆极化的电磁波的反射；将下介质基板(14)的下表面的金属层(102)按圆心中心轴对称后构成新超表面单元，则实现对左旋圆极化电磁波的传输并实现对右旋圆极化的电磁波的反射；上介质基板(11)的上表面的金属层(101)实现对右旋圆极化电磁波的辐射。
6.基于权利要求1至6任一项一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线，包括自上而下设置的上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)、下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)、微带天线馈源(3)和金属地板(4)，其特征在于：所述上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)和下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)均布置有M*N个阵列分布的低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元，阵列布置的低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元进行以不同梯度的规律摆放，以实现电磁波的空间相位补偿及球面波转换平面波，并实现波束偏转；其中，M≥2，N≥2。
7.根据权利要求6所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线，其特征在于：所述上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)、下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)、微带天线馈源(3)和金属地板(4)的几何中心与处于同一坐标轴线z上；微带天线馈源(3)的辐射方向图相位中心也处于同一坐标轴线z上；通过旋转改变上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)与中心坐标轴的夹角α1、下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)与中心坐标轴的夹角α2，实现在该波束扫描天线的上方空间内的波束扫描。
8.根据权利要求7所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线，其特征在于：所述微带天线馈源(3)位于金属地板(4)的中心位置；微带天线馈源(3)与金属地板(4)整体放置于下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的下方1.2λ0处，通过金属地板(4)的上表面与下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的下表面的反射，折叠电磁波的传播路径，将下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)到金属地板(4)的高度降低到原先高度的1/3，实现波束扫描天线的低剖面效果。
9.根据权利要求7所述的一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线，其特征在于：所述微带天线馈源(3)所辐射的电磁波到达下层ka波段圆极化选择性超表面(2)的下表面上的每一个超表面单元的相位都有所不同，从而产生空间相位延迟；
对微带天线馈源(3)辐射到下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的下表面不同位置而引起的空间相位延迟进行补偿：
其中/>
其中，k0为对应的自由空间波数，第(i,j)个单元的位置坐标为(x(i,j),y(i,j))，微带天线馈源(3)的相位中心距离下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的下表面的距离，D(i,j)为微带天线馈源(3)的相位中心到下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)中的第(i,j)个超表面单元之间的空间距离；
补偿电磁波到下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的下表面的相位延迟后，需改变主波束聚焦方向即在下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)上额外引入渐变相位，渐变相位数学表达式为：/>
下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)上每个超表面单元的补偿的空间相位延迟和改变主波束聚焦方向的渐变相位之和，即下层Ka波段圆极化选择性超表面2上每个超表面单元的传输相位数学表达式表示为：
其中，最后一项φ0为参考相位值，其物理含义表示整个口面相移分布为相对值，而非绝对值；
所述上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)的每个超表面单元的传输相位为电磁波由下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)传输后是相位一致的平面波，上层Ka波段圆极化选择性超表面1只需要实现偏转主波束方向的渐变相位要求，具体数学表达式为：
10.一种基于低剖面的Ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线的波束扫描方法，其特征在于：通过旋转改变上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)及中心坐标轴的夹角与下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)与中心坐标轴的夹角，实现主波束在3-D锥形空间波束扫描；ψ1和ψ2表示上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)与下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的线性相位下降方向所在的方位面，其中ψ1、ψ2在区间[-180°,180°]内；α1和α2表示上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)与下层Ka波段圆极化选择性超表面2所传输电磁波束的偏转角；具体为：
第一步是确定上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)与下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的初始方位角
第二步是实现仰角波束扫描，并沿垂直于超表面的同一旋转轴反向旋转上层ka波段圆极化选择性超表面(1)与下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)，使其中δ1、δ2为上层ka波段圆极化选择性超表面(1)与下层Ka波段圆极化选择性超表面(2)的旋转角，当α1和α2相等时，计算波束俯仰角θ和方位角/>
θ＝arcsin(2sinα1cos((ψ1-ψ2)/2))
所述波束扫描天线的工作频带覆盖29.4-31.2GHz；在30GHz处，通过旋转所述上层Ka波段圆极化选择性超表面(1)与下层ka波段圆极化选择性超表面(2)，能够实现±50°的最大扫描角；扫描到50度时，增益21.6dBi。
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|---|---|---|---|
| CN202410203885.9A CN117855864A (zh) | 2024-02-23 | 2024-02-23 | 基于低剖面的ka波段圆极化选择性超表面单元的波束扫描天线及其波束扫描方法 |
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118174045A (zh) * | 2024-05-09 | 2024-06-11 | 湖南大学 | 一种正交圆极化转换透射单元及圆极化波束扫描阵列 |
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2024
- 2024-02-23 CN CN202410203885.9A patent/CN117855864A/zh active Pending
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