本發(fā)明屬于天線陣列，具體涉及一種任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面單元結(jié)構(gòu)及天線陣列。

背景技術(shù)：

1、5g毫米波頻段有著豐富的頻譜資源，毫米波通訊以其高容量、高傳輸質(zhì)量等優(yōu)勢(shì)在5g通訊領(lǐng)域具有廣泛的研究前景和商業(yè)價(jià)值。不過(guò)毫米波頻段存在著路徑損耗大、同信道干擾等問(wèn)題，需要采取合適的天線技術(shù)來(lái)有效地提升頻譜效率，彌補(bǔ)毫米波自身存在的一些缺陷。

2、目前實(shí)現(xiàn)毫米波天線主要有兩種方式，其一是采用相控陣天線的技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)是增益高、掃描速度快、控制靈活，缺點(diǎn)是波束覆蓋范圍有限、波束差異大，并且傳統(tǒng)相控陣前端需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高昂的相移網(wǎng)絡(luò)、t/r組件，且需要將低噪聲放大器、功率放大器、移相器等t/r組件集成到一塊高性能、低功耗、多通道的芯片上，因此對(duì)半導(dǎo)體材料和加工工藝有很高的要求；其二是采用透鏡天線的設(shè)計(jì)方式，優(yōu)點(diǎn)是低成本、寬頻帶、饋電網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)復(fù)雜、體積大、重量大。

3、申請(qǐng)?zhí)枮閏n202311211976.9的一種基于液晶的毫米波段可重構(gòu)漏波天線，當(dāng)在液晶層兩端外加直流電壓或者低頻交流電壓時(shí)，液晶分子的長(zhǎng)軸指向會(huì)隨著電壓發(fā)生改變，液晶此時(shí)的介電常數(shù)就會(huì)發(fā)生改變。當(dāng)電磁波通過(guò)以此液晶層2作為傳輸介質(zhì)的微波器件時(shí)，隨著電壓的變化電磁波的傳輸特性就會(huì)發(fā)生改變，從而達(dá)到了改變電磁波傳輸特性的目的。然而，其采用液晶材料，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單元加工難度大成本高，且液晶材料對(duì)溫度和濕度十分敏感，其電學(xué)特性不穩(wěn)定，難以大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)使用。本設(shè)計(jì)與之相比，無(wú)需液晶這類特殊的材料，可以通過(guò)常規(guī)pcb加工實(shí)現(xiàn)，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)溫度和濕度變化不敏感。

4、綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷是：

5、1)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜。傳統(tǒng)相控陣和可重構(gòu)天線存在整機(jī)體積大的問(wèn)題，并且由于需要對(duì)pin二極管或變?nèi)荻O管進(jìn)行電調(diào)控，大多控制電路復(fù)雜；且為了減小直流饋電線路對(duì)射頻信號(hào)的影響，大多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，多采用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)。

6、2)成本高昂。傳統(tǒng)相控陣在毫米波頻段實(shí)現(xiàn)波束掃描的功能，需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度高且價(jià)格高昂的相移網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)可重構(gòu)天線陣列需要表貼很多的pin管，因此造成總體的成本高昂。

7、3)加工難度大。傳統(tǒng)相控陣的相移網(wǎng)絡(luò)需要將前端器件高度集成化于一塊很小的芯片當(dāng)中，因此對(duì)加工工藝的要求十分高；傳統(tǒng)可重構(gòu)天線陣列由于直流饋電線的存在，需要考慮射頻信號(hào)和直流信號(hào)的分離問(wèn)題，并且由于毫米波頻段的輻射單元的尺寸較小，相應(yīng)的直流饋電線也需進(jìn)一步縮小尺寸，一般來(lái)說(shuō)其多層結(jié)構(gòu)對(duì)加工工藝也有一定的要求。二者都難以進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用。

8、4)波束掃描角度小，且輻射穩(wěn)定性差?，F(xiàn)有的漏波天線陣列在毫米波頻段只能實(shí)現(xiàn)固定角度的波束掃描，或是通過(guò)頻率掃描實(shí)現(xiàn)波束掃描的功能，總的來(lái)說(shuō)其波束掃描角度較小，一般只有±30°以內(nèi)，并且隨著角度的增大，增益下降明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面單元結(jié)構(gòu)及天線陣列，解決了背景技術(shù)中的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、加工難度大、成本高、波束掃描角度小的問(wèn)題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于加工生產(chǎn)、成本低、掃描角度大的特點(diǎn)。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

3、一種任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面天線單元結(jié)構(gòu)，包括從上至下依次設(shè)置的單元輻射貼片、第一介質(zhì)層、接地板、第二介質(zhì)層以及直流饋電線層；

4、所述單元輻射貼片為正方形，表面開(kāi)有直線型通槽，形成開(kāi)槽間隙，開(kāi)槽形成的兩部分通過(guò)跨開(kāi)槽間隙的pin二極管連接，根據(jù)開(kāi)槽方向，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)方向的線極化。

5、所述單元輻射貼片的開(kāi)槽間隙上設(shè)置1-2個(gè)pin二極管，當(dāng)為2個(gè)時(shí)，極性相同；沿開(kāi)槽縫隙對(duì)稱分布兩個(gè)金屬化通孔，連接單元輻射貼片層和直流饋電線層，引入直流控制信號(hào)調(diào)控pin二極管的通斷狀態(tài)，當(dāng)導(dǎo)通時(shí)電磁能量沿著開(kāi)槽縫隙向外輻射，當(dāng)關(guān)斷時(shí)，電磁能量無(wú)法向外輻射。

6、所述直流饋電線層由中心對(duì)稱的兩部分組成，分為上半部分和下半部分，上半部分接入直流控制信號(hào)，下半部分統(tǒng)一級(jí)聯(lián)在一起，通過(guò)金屬化通孔接入中間層的金屬板。(這兩部分只需要一部分接直流控制信號(hào)(即電源正極)，另一部分接金屬板(接負(fù)極，即接地)。需要注意的是，接直流控制信號(hào)的那部分通過(guò)金屬化過(guò)孔連接到pin二極管的正極，也就是直流饋電線層的正負(fù)關(guān)系需要與pin二極管的相對(duì)應(yīng)，才能控制其導(dǎo)通或截止。)

7、每個(gè)部分的直流饋電線均包括矩形截線和扇形枝節(jié)、圓形焊盤(pán)三部分；

8、其中，上半部分的圓形焊盤(pán)位于矩形截線上，與金屬化通孔相連接，用于為金屬化通孔和直流饋電線提供更好的緊密連接，圓形焊盤(pán)直徑略大于金屬化通孔；

9、扇形枝節(jié)與矩形截線相連接，扇形枝節(jié)位于矩形截線上，扇形枝節(jié)用以隔離直流饋電線上的射頻信號(hào)，減小射頻信號(hào)的損耗；

10、矩形截線為傳輸直流控制信號(hào)。

11、上半部分以單元中心為中心旋轉(zhuǎn)得到下半部分；

12、所述第一介質(zhì)層、接地板、第二介質(zhì)層以及直流饋電線層均為正方形，邊長(zhǎng)為λ/4；矩形輻射貼片的邊長(zhǎng)為λ/12～λ/8；

13、所述全息超表面天線單元結(jié)構(gòu)單元尺寸為λ/4，λ＝c/f為對(duì)應(yīng)所需要的天線的工作頻段的波長(zhǎng)，f為頻率，c為真空中光速3x10^8m/s，矩形輻射貼片1尺寸小于單元，矩形輻射貼片1的尺寸為全息超表面天線單元結(jié)構(gòu)單元尺寸的1/3～1/2。其厚度約為1mm(一般為0.254mm的倍數(shù)，因?yàn)椴牧系淖钚『穸葹?.254mm，制造時(shí)多片材料疊層)。

14、天線的能量由矩形輻射貼片開(kāi)槽縫隙處向外部輻射，不同的開(kāi)槽方向能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)應(yīng)的線極化角度。

15、天線陣列，包括兩個(gè)子陣列，所述兩個(gè)子陣列均由所述的一種任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面天線單元結(jié)構(gòu)沿x方向和y方向排列構(gòu)成，且兩個(gè)子陣列關(guān)于x方向的軸線對(duì)稱；每個(gè)子陣列中的任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面天線單元結(jié)構(gòu)，具有相同方向的直線型通槽；且兩個(gè)子陣列的極化相差90°。

16、每個(gè)子陣列中，其直流饋電線采取級(jí)聯(lián)的方式，正極接控制板，負(fù)極接地，定義y方向?yàn)榱?，則一整列pin管狀態(tài)相同。

17、直流饋電線接正極處連接到fpc連接器上，fpc連接器位于陣列背面，用于為通過(guò)軟排線與控制板相連，引入直流控制信號(hào)，通過(guò)軟排線與控制板相連，接負(fù)極處通過(guò)金屬化通孔與接地板相連接，控制板輸出直流控制信號(hào)，調(diào)控超表面編碼狀態(tài)，從而使得陣列波束掃描到不同的角度。

18、所述天線陣列的背面結(jié)構(gòu)采用單子陣射頻饋電端口采用單子陣兩個(gè)端口，兩個(gè)端口連接功率分配器；

19、所述天線陣列的正面結(jié)構(gòu)的射頻饋電端口處采用傾斜片進(jìn)行阻抗匹配，能夠更好實(shí)現(xiàn)不同角度陣列編碼狀態(tài)下整體的阻抗匹配，使得不同角度下端口的s11參數(shù)均在-10db以下，進(jìn)一步提高陣列輻射的效率。

20、一種任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面天線陣列的使用方法，包括以下步驟；

21、步驟1：通過(guò)控制板輸出特定的直流控制信號(hào)，調(diào)制陣列表面pin二極管的通斷狀態(tài)；如果該單元的數(shù)字態(tài)為“1”，則該直流控制信號(hào)為一個(gè)能夠使pin二極管導(dǎo)通的電壓；該直流控制信號(hào)輸出一個(gè)能夠使pin二極管導(dǎo)通的電壓，pin二極管導(dǎo)通，能量無(wú)法從開(kāi)槽縫隙中向外輻射；反之，pin二極管截止?fàn)顟B(tài)，能量從開(kāi)槽間隙中向外輻射出去；

22、步驟2：當(dāng)直控制板輸出一個(gè)能夠使pin二極管導(dǎo)通的電壓，pin二極管導(dǎo)通，該x方向上一整列呈現(xiàn)出數(shù)字態(tài)“1”；反之，一整列呈現(xiàn)出數(shù)字態(tài)“0”，

23、超表面單元呈現(xiàn)出不同的數(shù)字態(tài)排布狀態(tài)；

24、步驟3：直流控制信號(hào)由控制板發(fā)出，通過(guò)直流饋電線，經(jīng)過(guò)金屬化通孔，最終來(lái)到單元輻射貼片1的pin二極管兩端，調(diào)控pin二極管的通斷狀態(tài)，使其呈現(xiàn)出不同的數(shù)字態(tài)，數(shù)字態(tài)“1”，pin二極管導(dǎo)通，能量無(wú)法從開(kāi)槽縫隙中向外輻射；數(shù)字態(tài)“0”，pin二極管截止?fàn)顟B(tài)，能量從開(kāi)槽縫隙中向外輻射出去。

25、步驟4：通過(guò)陣列掃描到相對(duì)應(yīng)的角度。反之，通過(guò)此方式反向設(shè)定波束掃描狀態(tài)的編碼。

26、任意線極化毫米波可重構(gòu)全息超表面單元結(jié)構(gòu)及天線陣列，工作于毫米波頻段，可以用于5g移動(dòng)通訊的毫米波信號(hào)基站。

27、本發(fā)明的有益效果：

28、1、毫米波頻段波束掃描。在毫米波頻段，由于頻率越高，整體的路徑損耗也越大，傳統(tǒng)的傳輸線在毫米波頻段的介質(zhì)損耗會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生較大的影響。而傳統(tǒng)的相控陣天線需要復(fù)雜且價(jià)格高昂的t/r組件，而t/r組件在毫米波頻段不易集成于天線陣列，其小型化對(duì)加工精度的要求極高。相比之下，漏波天線結(jié)構(gòu)結(jié)合可重構(gòu)技術(shù)，即能夠?qū)崿F(xiàn)低損耗的信號(hào)傳輸，又能夠靈活地調(diào)控波束，實(shí)現(xiàn)寬角度的波束掃描功能。

29、2、設(shè)計(jì)方式簡(jiǎn)單高效。通過(guò)該可重構(gòu)天線單元結(jié)構(gòu)和陣列設(shè)計(jì)方式，能夠快速、高效地設(shè)計(jì)一種工作于毫米波頻段、實(shí)現(xiàn)任意所需線極化方向的可重構(gòu)漏波天線陣列。

30、3、整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于大規(guī)模工業(yè)加工生產(chǎn)，成本低。天線單元由單元輻射貼片、直流饋電線層以及接地板三部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，能夠輕松地加工實(shí)現(xiàn)，穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)既定功能，適用于實(shí)際毫米波基站的應(yīng)用當(dāng)中。

31、4、射頻端口的優(yōu)化。為了進(jìn)一步減少射頻饋電端口的數(shù)量從而降低成本，在盡量不影響端口匹配、以及匹配損耗的情況下，將單子陣射頻端口的數(shù)量由8減少到了2，使得單子陣的雙端口能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)一收一發(fā)的功能，也能夠同時(shí)發(fā)射(接收)射頻信號(hào)以得到高增益波束。

32、5、直流饋電線路的優(yōu)化和簡(jiǎn)化。通過(guò)直流饋線調(diào)整pin二極管的通斷狀態(tài)，直流饋電線的寬度和長(zhǎng)度，扇形枝節(jié)的大小和位置，以及直流饋線的連接方式都對(duì)陣列的整體波束掃描結(jié)果有著影響，需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行綜合優(yōu)化。