一种基于多层矩形波导结构的cts波束扫描天线
阅读说明：本技术 一种基于多层矩形波导结构的cts波束扫描天线 (CTS beam scanning antenna based on multilayer rectangular waveguide structure ) 是由 周金芳 杨喆栋 冀俊超 沈杰芸 吴锡东 于 2021-04-06 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线,包括基于多层矩形波导结构的CTS天线和超表面移相结构；所述基于多层矩形波导结构的CTS天线包括线源结构、矩形波导-平行板波导宽边离散化结构、矩形波导E面功率分配结构和辐射结构；所述超表面移相结构位于基于多层矩形波导结构的CTS天线的线源结构内部或辐射结构表面,用于控制电磁波的相位分布,实现电子扫描波束。本发明采用矩形波导馈电结构,天线损耗较低；超表面移相结构简单且易于加工实现,直流功耗较低,在实现电子扫描波束的同时,不增加馈电结构的复杂程度,整体剖面较低,从而简化设计。(The invention discloses a CTS beam scanning antenna based on a multilayer rectangular waveguide structure, which comprises a CTS antenna based on a multilayer rectangular waveguide structure and a super-surface phase shifting structure; the CTS antenna based on the multilayer rectangular waveguide structure comprises a line source structure, a rectangular waveguide-parallel plate waveguide broadside discretization structure, a rectangular waveguide E-surface power distribution structure and a radiation structure; the super-surface phase shifting structure is positioned in a line source structure or on the surface of a radiation structure of the CTS antenna based on the multilayer rectangular waveguide structure and used for controlling the phase distribution of electromagnetic waves and realizing electronic scanning beams. The invention adopts a rectangular waveguide feed structure, so that the antenna loss is lower; the super-surface phase-shifting structure is simple, easy to process and realize, low in direct-current power consumption, capable of achieving electronic scanning of beams without increasing the complexity of a feed structure, and low in overall section, and accordingly design is simplified.)
技术领域
本发明涉及天线及天线波束扫描技术领域，尤其涉及移动和航空应用的CTS波束扫描天线。
背景技术
随着无线通信技术的发展，对于高速率数据传输的无线宽带信道的需求不断增长，特别是移动卫星通讯领域，缺少能够满足移动使用要求的天线，具体来说为增益高、尺寸小、重量轻的天线。对于与卫星进行定向无线数据通信(例如，在Ku或Ka频带)由于必须可靠地防止相邻卫星之间的干扰，所以对天线的发射特性有极高的要求。在动中通应用中，天线的重量和尺寸非常重要，因为它们可以降低移动载体的有效载荷，并且可以减少相应的操作费用。在卫星通信领域，管理规定移动卫星的定向发射操作期间在相邻的卫星之前不产生干扰，为此，需要设计的天线不能超过特定波瓣宽度的数值。这导致了根据该指标的天线特性的严格要求。随着波瓣宽度的减小，天线与目标卫星的分离角减小，天线增益也相应增高。通常，使用具有这些特性的抛物面天线。然而，对于多数移动应用，特别对于飞行器而言，抛物面天线由于其具有较大的尺寸而并不适用。例如，在商用飞行器的情况下，天线安装于机身，由于抛物面天线尺寸较大带来了额外的空气阻力。
由于通信系统对高传输速率和高可靠传输的需求日益增长，CTS天线作为一种良好性能和制造稳定性的天线正在成为先进天线系统的候选天线。因此，国际上很早就对CTS天线开展了一系列的研究，CTS(Continuous Transverse Stub，连续切向节天线)是一种波导缝隙天线，于二十世纪九十年代由美国雷神公司的William W.Milory最先提出，一提出就引起了学术界的强烈反响(Milroy,W.W.,“Continuous transverse stub(CTS)elementdevices and methods of making same,”U.S.patent 5,266,961,Aug.29,1991)。传统的CTS天线是由多个开口有切向缝隙的平行板波导组成，任何由平面波激励的平行板波导产生的纵向电流分量会被横向缝隙切断，由于采用平行板波导这种结构，使得传输损耗变低，天线效率显著提高。
上述连续切向节天线在实际应用情况下，辐射单元的工作带宽是比较宽的，但是天线的整体带宽受限于串联馈电方式和端口转换网络。为了增加天线整体带宽，实现波束定向，可以适当的改变馈电方式，可以设计出适用于并联馈电工作的CTS天线(Ettorre,M.,F.Foglia Manzillo,M.Casaletti,R.Sauleau,L.Le Coq,and N.Capet,“Continuoustransverse stub array for Ka-band applications,”IEEE Trans.Antennas Propag.,Vol.63,No.9,4798–4800,Sep.2015.)。Mauro Ettorre等人描述的是一种全金属16阵元的并联馈电CTS天线，天线工作在Ka波段，辐射单元由若干个等功率分配波导T型结产生等幅同相的准TEM信号激励。结构同样采用平行板波导馈电，实验结果证明是一种高增益低副瓣的CTS天线阵列。
清华大学的李越等人提出一种集成了两个6级超材料移相器的3单元CPW-CTS天线(Y.Li,et al.“A new low cost leaky wave coplanar waveguide continuoustransverse stub antenna array using metamaterial-based phase shifters forbeam steering,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2013.61(7):3511-3518)，CPW传输线上集成了若干超材料移相器，其中每个移相器可以等效为一个串联电容值和两个对称分布的并联电感，天线的波束扫描功能是通过调节移相器的相位特性而实现的，虽然该类型CPW-CTS天线可以实现天线的一维扫描波束，但是存在介质损耗大，偏置电路设计复杂等问题。
已知使用波导技术设计的阵列天线馈电网络具有较低的导体损耗，较高的功率容量以及较低的剖面高度。
针对波束扫描，采用加载变容管的有源超表面波束扫描设计，可以避免产生直流功耗。超表面波束扫描结构由于引入变容管结构，其表面电流变化不同于无源结构，重要的是，不同的变容管的电容值值对透射波有明显影响，根据不同的扫描角度需求设计控制电压，可通过简单切换灵活实现了波束扫描角度，透射波扫描带宽宽，切换灵活，且结构损耗小，轮廓低，效率高，不混入入射波。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种应用于动中通系统特别是航空系统的GHz频率范围的基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线，该CTS天线能够以最小的尺寸利用最大的功率密度进行符合规定的发射操作，在接收操作中具有较高的天线效率和低的背景噪声，能够实现电子扫描波束，本发明可用于高性能的电扫天线阵列场合，具有频带宽，调控灵活，损耗低等特点。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线，包括：基于多层矩形波导结构的CTS天线和超表面移相结构；所述基于多层矩形波导结构的CTS天线包括线源结构、矩形波导-平行板波导宽边离散化结构、矩形波导E面功率分配结构和辐射结构；所述超表面移相结构包括第一超表面移相结构和第二超表面移相结构，用于控制电磁波的相位分布，并实现电子波束扫描；所述第一超表面移相结构位于基于多层矩形波导结构的CTS天线的线源结构内部，用于实现H面的电子扫描波束；所述第二超表面移相结构位于基于多层矩形波导结构的CTS天线的辐射结构表面，用于实现E面或/和H面电子扫描波束。
进一步地，所述基于多层矩形波导结构的CTS天线的线源结构由平行板波导组成，为CTS天线提供平面波馈源，平行板波导结构的末端设置有匹配结构和若干等间距排布的金属隔板；所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构，将所述平面波离散化并输入至矩形波导E面功率分配结构；所述矩形波导E面功率分配结构用于能量在平行板波导传播方向均匀或不均匀分配；所述辐射结构用于将能量分配后的电磁波辐射至自由空间。
进一步地，所述超表面移相结构包括介质基板、金属图案和变容二极管；超表面移相结构相邻两层介质基板之间印刷有一层金属图案，最外侧介质基板的外表面印刷有金属图案，金属图案的层数比介质基板多一层；所述超表面移相结构最外侧介质基板的金属图案上加载有变容二极管。
进一步地，每个超表面移相结构最外侧的介质基板表面印刷有相同的金属环嵌套内实心金属片，所述金属环与所述内实心金属片之间印刷有金属焊盘，用于对称加载变容二极管。
进一步地，所述金属焊盘在y方向连接在金属环与内实心金属片之间，在y方向加载两个中心对称的变容二极管。
进一步地，所述超表面移相结构相邻两层介质基板之间的金属图案由倒T型金属条关于介质基板中心对称旋转获得，每个倒T型金属条的横边靠近对称旋转中心，竖边指向介质基板外侧，且对称旋转后的每个金属条相接。
进一步地，两层介质基板之间的金属图案印刷在上层介质基板的下表面或者下层介质基板的上表面。
进一步地，所述第一超表面移相结构置于基于多层矩形波导结构的CTS天线的线源结构内部时，与馈源波导端口平行放置，用于控制透射电磁波的H面相位分布。
进一步地，所述第一超表面移相结构外接垂直偏置电源，通过更改垂直偏置电压大小，可以调整变容二极管的电容值大小，从而得到具有不同递进相位差的透射波，进而形成不同角度的扫描波束。
进一步地，所述第二超表面移相结构置于基于多层矩形波导结构的CTS天线的辐射结构表面时，用于控制透射电磁波的E面或/和H面相位分布。
进一步地，所述第二超表面移相结构外接水平偏置电源，通过更改水平偏置电压大小，可以调整变容二极管的电容值大小，从而得到具有不同递进相位差的透射波，进而形成不同角度的扫描波束。
进一步地，所述超表面移相结构同时放置第一超表面移相结构和第二超表面移相结构，能够实现电子波束扫描。
进一步地，若将两个基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线并排放置，还能够实现和差波束功能。
进一步地，所述基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线用于卫星通信应用。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.采用了矩形波导馈电结构，天线损耗较低。
2.超表面移相结构简单且易于加工实现，直流功耗较低。
3.由于采用超表面移相结构，在实现电子扫描波束的同时，不增加馈电结构的复杂程度，整体剖面较低，从而简化设计，整体结构更加易于加工。
附图说明
图1是本发明实施例的基于多层矩形波导结构的CTS天线整体结构透视图；
图2是本发明实施例的基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线整体结构示意图；
图3是本发明实施例的矩形波导-平行板波导宽边离散化结构侧视图；
图4是本发明实施例的矩形波导E面功率分配结构示意图；
图5本发明实施例的E面T型功率分配单元及其电场分布示意图；
图6是本发明实施例的超表面移相结构单元示意图；
图7是本发明实施例的超表面移相结构单元层叠示意图；
图8是本发明实施例的超表面移相结构阵列示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、水平、垂直等)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
本发明实施例提供的一种基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线，包括基于多层矩形波导结构的CTS天线和超表面移相结构。
参考图1、2和3所示，本发明实施例提供的基于多层矩形波导结构的CTS天线，包括：线源结构1、矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2、矩形波导E面功率分配结构3和辐射结构4；线源结构1为平行板波导，一端连接外部输入馈源，为CTS天线提供平面波馈源，另一端设置波导拐角和三角形匹配结构20，用于矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2的阻抗匹配和电磁波的传播方向转向；矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2将平面波离散化并输入至矩形波导E面功率分配结构3，所述矩形波导-平行板波导宽边离散化结构2包含多个离散化单元，相邻离散化单元之间设置有金属隔板5，其中金属隔板5可以由立方体或圆柱状结构组成，所述金属隔板5高度与平行板波导结构高度相同，相邻金属隔板5之间中心位置对应的波导上表面设置有各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口6；矩形波导E面功率分配结构3，用于能量均匀或不均匀分配后输入至辐射结构4；辐射结构4，用于将能量分配后的电磁波辐射至自由空间。
本发明实施例提供的超表面移相结构包含第一超表面结构12和第二超表面结构13，第一超表面结构12置于基于多层矩形波导结构的CTS天线的线源结构1内部，与馈源波导端口平行放置，用于控制透射电磁波的H面相位分布；第二超表面结构13置于基于多层矩形波导结构的CTS天线的辐射结构4表面，用于控制透射电磁波的E面或/和H面相位分布。
参考图4和5所示，所述矩形波导E面功率分配结构3一共有8层，其中每层的矩形波导E面功率分配结构3构造均相同，沿一个坐标轴方向均匀等间距排列，其中排列间距小于λmin，其中λmin表示发送或接收最高频率的电磁波自由空间波长；所述矩形波导E面功率分配结构3包括1个功分输入端口7、32个功分输出端口11、若干等功率分配器9、若干不等功率分配器8和若干波导弯头10。各路矩形波导E面功率分配结构功分输入端口7分别与各路矩形波导-平行板波导宽边离散化结构输出端口6相连接，单层矩形波导E面功率分配结构3沿功分输入端口7中心呈左右前后对称结构，由6级矩形波导功率分配器和若干波导弯头10级联而成，单层矩形波导E面功率分配结构设置有1个功分输入端口7和32个功分输出端口11，为32:1的功率分配器，其中32个功分输出端口11在输出阵面上呈等间距排列，所述矩形波导E面功率分配结构3用于将传导的电磁波分流。
参考图6和7所示，本发明实施例提供的超表面移相结构，超表面移相结构包含多层介质板的每级超表面之间为厚度渐变的空气层，厚度由外侧向中心减小。超表面最外侧的介质基板上下表面都周期印刷金属图案，其顶层与底层为有源层，层图案为金属环嵌套内实心金属片。外方形金属环等效为电感结构，环内边与实心金属片外边连接长方形金属贴片作为变容二极管的焊盘。有源层在长方形金属贴片焊盘与内方形实心金属片间沿y方向对称焊接2个变容二极管，2个变容二极管的偏置电压大小相同，方向相反。x方向单元的变容二极管偏置电压不连通，可分方向单独馈电；馈源通过外方形金属环和长方形金属贴片，与变容二极管进行连接，变容二极管与超表面结构等效电容值并联。每两层介质基板之间印刷有一层金属图案作为无源层，有源层间通过介质基板印刷的无源超表面层间隔，无源层印刷图案由倒T型金属条关于介质基板中心对称旋转获得，每条倒T型金属条的横边靠近对称旋转中心，竖边指向介质基板外侧，且对称旋转后的每个金属条相接。单独调整沿x方向单元变容二极管的偏置电压改变电容值值，控制透射波的相位分布，从而实现透射波等相位差，完成对波面相位的调控。
隔n个周期的超表面单元产生的相移γn通过下式计算获得：
其中，λ0为自由空间中波长，p为周期的长度，n为自然数，k0为传播常数，由此可以通过计算得到产生相移γn需要每个超表面产生的相移an＝-γn+α0+2πi，α0为第一个超表面单元需要产生的相移。在实际中，当x方向第i个单元的变容管的偏置电压为Vi，变容管电容值值等于Ci，产生的相移为Φi，第j个单元的变容管的偏置电压为Vj，变容管电容值值等于Cj，产生的相移为Φj。当Φj-Φi＝γj-i+2πm，m为自然数，则透射波仍为平面波，波束偏转角度为θ。
本发明结构沿x方向的不同的单元等效电容值值不同，透射波垂直分量与入射波间的相位差不同，当改变偏置电压使得两个分量的相位差达到所需的角度，就可以使得线极化入射波透射后实现任意角度扫描。
本实施例中超表面单元采用4级结构，每级由三层周期排列的单元组成，第一、三层外正方形金属环边长取p，宽度为t；长方形金属贴片长度为L1，宽度为d；内正方形实心金属片边长取wo；第二层中间金属环的边长取w2，内挖空方片边长为w1，四个金属臂的长度为L2，宽度为uw；级间距分别为g2，g1，g2。定义行方向为x方向，列方向为y方向。
参考图8所示，为超表面单元构成的超表面移相结构阵列。
以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及一些没有做出创造性劳动前提下的替代方式制作出本基于多层矩形波导结构的CTS波束扫描天线。本发明是CTS天线的一种改善，使得天线结构具有低剖面、宽带、高功率、低副瓣和易加工的优点，同时能实现电子扫描波束，本发明可用于高性能的电扫天线阵列场合，具有频带宽，调控灵活，损耗低等特点。但是，本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
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