针对相控阵天线的具有表面变化折射角的天线罩的制作方法

本公开涉及具有表面变化折射角的天线罩。所述天线罩适于相控阵天线。

背景技术：

1、相控阵天线现在对于各种电信和检测系统(例如空间探测器、天气预报系统、雷达系统、am/fm广播系统)和在高频通信系统(例如针对宽带蜂窝网络的5g技术标准)中是一种技术选择。

2、相控阵天线是基于电磁波干涉的辐射系统，电磁波干涉即几个辐射源的相位相关叠加用于产生无线电波束，该无线电波束可以被操纵指向不同的方向而无需机械地移动天线本身。它们允许具有相对低的旁瓣衰减的高增益、对波束方向的快速调谐、任意空间扫描以及多个电磁波束的同步生成。

3、相控阵天线通常是平面的并且由天线元件的阵列或矩阵构成，这些天线元件中的每一个天线元件具有它们自己的电控制移相器或延时器(time-delayer)并且可以被提供有用于方向图整形的可变幅度控制。由公共发射机提供的同一输出电磁信号被发送到每个天线元件，并且所述电磁信号在作为经移相的或经延时的个体电磁波被重新发射之前被相移或延时给定的相移或延时值。然后，根据每个移相器的相位关系，个体电磁波被叠加以产生在特定方向上传播的平面电磁波。

4、相控阵天线的扫描范围通常被限制在-60°至+60°之内。为了将输出波束的扫描角度扩展超过60°，常见做法是对设定在相控阵天线后面或前面的天线罩、防风雨电介质圆顶进行表面功能化。在当前的表面功能化方法中，有超表面，其提供了有希望的结果。

5、超表面是3d超材料的2d对应物，3d超材料是3d周期性复合结构(介电/金属的或者全介电的)，其材料属性可以被设计为在整体(the bulk)中包括小的异质性，以便提供人工的，即在自然中不可获得的材料属性。它们是由个体单元或超原子(meta-atom)在x和y平面中被周期性复制构成的2d结构。超表面和超材料都可以允许用有效的宏观行为操纵(例如，阻挡、吸收、增强和/或弯曲)入射电磁辐射。

6、wo2019165684 a1[常熟市浙大紫金光电技术研究中心]在2019年9月6日公开了包括两个平行的平面超表面的天线罩。第一超表面充当凸透镜并且第二超表面充当凹透镜。焦距和两个超表面之间的距离取决于入射电磁辐射的波长和入射角。相控阵天线的扫描范围可以从-60°至+60°范围扩展到-90°至+90°范围。

7、xue等人的ultrathin dual-polarized huygen’s metasurface:design anapplication,annalen der physik(berlin),532(7),2020公开了包括在电介质基板的两侧上的双极化惠更斯超表面的天线罩。双极化惠更斯超表面由多个周期性布置的金属超原子构成，这些金属超原子具有开放、旋转对称和非连续的几何图案，这些几何图案在基板的顶侧和底侧之间部分重叠。天线罩适于标准的喇叭天线并且为所述种类的天线提供了高传输幅度和接近360°的相移。

8、lv等人的scanning range expansion of planar phased arrays usingmetasurfaces.ieee transactions on antennas and propagation,68(3),2020公开了一种天线罩，该天线罩包括分布在两个堆叠的平面电介质基板的面对表面上的三个分层的超表面。超表面由多个金属超原子构成，这些金属超原子具有对称和连续的几何图案，这些几何图案完全重叠并且在堆叠基板的面对表面之间是同心的。超原子被排列成周期性分布的组，超原子的几何尺寸在所述组中变化以提供相位传输梯度。天线罩允许在两个辐射方向上将相控阵天线的扫描范围扩展20°。

9、lee等人的single-layer phase gradient mmwave metasurface for incidentangle independent focusing,scientific reports 11:12671,2021公开了具有两个金属超表面的单个电介质基板。所述超表面由多个周期性布置的金属超原子构成，这些金属超原子具有开放、旋转对称和连续的几何图案。超原子在电介质基板的两侧之间部分重叠并且被排列成非周期性布局以形成电磁波聚焦透镜。

10、广西科技大学的2020年10月27日公开的cn 111834752 a描述了惠更斯超表面微带双极化传输阵列。该阵列是具有两个金属超表面的单个电介质基板。每个超表面由多个周期性布置的金属超原子构成，每个超原子由具有开放、旋转对称和非连续的几何图案的金属单元组成。当这些图案在平行于电介质基板的两个表面的平面中叠加时，超原子重叠从而形成完整并且封闭的图案。它们也被周期性地排列成组，超原子的几何尺寸在这些组中变化以在每个组内形成不同的电磁传输相位梯度。

技术实现思路

1、技术问题

2、当前天线罩的主要限制是它们不允许按照根据入射电磁波入射到天线罩表面上的入射位置而变化的折射角来折射所述入射电磁波。天线罩对入射波的作用是相同的，无论所述波与天线罩表面在哪里相互作用，并且针对一定入射角可以扩展扫描范围。此外，对于扫描角度的一定子范围，入射电磁波可能根据入射角而被不方便地(例如，随机地或有噪声地)折射。

3、在一些应用中，当扫描范围根据入射角或者间接地根据天线罩相对于平面天线的位置而被不同地扩展时，这种均匀折射行为的缺乏可能是重要的缺点。例如，大入射角可能被扩展得不够。此外，当前的天线罩不允许根据入射电磁波到天线罩表面上的入射位置对折射角进行微调。

4、对于提供有复杂形状(例如，测地线(geodesic)、尖拱、截抛物面(dish)……)的天线罩也可能出现一些问题，因为入射角可能会因为天线罩表面的曲率而变化。扫描范围在天线罩的整个表面上可能不会被均匀地扩展。

5、当前天线罩的另一个限制是它们可能依赖于复杂的设计，这些设计通常要求将多个电介质基板堆叠，该多个电介质基板将多个超表面和/或具有用于排列超表面的超原子的特殊布局的超表面夹在中间，以便提供充当不同聚焦表面的相位传输梯度。

6、需要一种简化的天线罩结构，以允许根据天线罩表面上的位置改变折射角的精细表面。

7、技术方案

8、提供了一种具有表面变化折射角的天线罩。更准确地说，提供了一种如权利要求1所述的天线罩，从属权利要求是有利的实施例。

9、发明优势

10、根据本公开的天线罩的突出优点在于，天线罩可以根据入射角来折射变化的折射角。此外，平面相控阵天线的扫描范围可以针对所述扫描范围的不同子范围而不同地扩展。

11、与当前的天线罩相比较，所述天线罩还可以具有较简单的设计，并且可以允许形成具有更复杂形状的天线罩。

技术特征：

1.一种针对平面阵列天线(1002)的天线罩，

2.根据权利要求1所述的天线罩，其中所述超原子(9001a-z、10001a-z)可以被排列成至少三个组(6005a-6005c)，其中所述传输相位梯度grad的相位差针对所述第一组(6005a)在0°到30°之间，针对所述第二组6005b在30°到40°之间以及针对所述第三组(6005c)在40°到50°之间，以及其中第一组、第二组和第三组(6005a-6005c)沿着所述天线罩被定位，使得针对所述第一组、第二组和第三组(6005a-6005c)，所述平面阵列天线的入射角分别在0°和15°之间、15°和30°之间以及30°和45°之间。

3.根据权利要求1至2中任一项所述的天线罩，其中在组(6005a-6005b、7005a-7005b、8005a-8005b)内的所述传输相位梯度grad可以是正的、负的或者在所述组中是交替的。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的天线罩，其中在组6005a-6005b、7005a-7005b、8005a-8005b内的超原子9001a-z、10001a-z的数量可以是2π和所述传输相位梯度grad的以弧度为单位的所述相位差之间的比值。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的天线罩，其中所述第一超表面(6003、7003、8003)的所述超原子(9001a-z)的所述图案可以是开放边的正方形并且所述第二超表面(6004、7004、8004)的所述超原子(10001a-z)的所述图案可以是开放角的正方形。

6.根据权利要求5所述的天线罩，其中所述正方形分段的边长s可以在λ/200和λ/20之间，优选地在λ/100和λ/40之间，其中λ是来自所述平面阵列天线(1002)的所述入射电磁波iw的波长。

7.根据权利要求5至6中任一项所述的天线罩，其中所述开放角的正方形的分段的长度在λ/5和λ/1.4之间，优选地在λ/4.7和λ/1.8之间，其中λ是来自所述平面阵列天线(1002)的所述入射电磁波iw的波长。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的天线罩，其中所述电介质基板6002的厚度至少为1mm，优选地至少为3mm。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的天线罩，其中所述天线罩的操作频率在ku频段或ka频段中。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的天线罩，其中所述有效区域的幅度损失在0和3db之间。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的天线罩，其中所述超原子(9001a-z、10001a-z)可以由铜或铜合金制成。

技术总结
针对相控阵天线的具有变化的表面折射角的天线罩。天线罩包括由电介质基板和两个双极化超表面组成的电磁波有效区域。双极化超表面由多个周期性排列的金属超原子制成，这些金属超原子具有开放、旋转对称和非连续的几何图案。超原子在电介质基板的两侧之间互补地重叠，并且被周期性地排列成至少两个组，该至少两个组覆盖平面阵列天线的角辐射方向图的空间区段。超原子的几何尺寸在每个组内变化，以便在该组内形成电磁传输相位梯度，并且组与组之间的电磁传输相位梯度不同。超原子的周期性Δp在λ/4和λ/1.3之间，λ是来自平面阵列天线的入射电磁波的波长。

技术研发人员：R·卡科西奥拉,N·米莱克,F·比古尔丹,E·米蒙,F·弗雷米,S·N·布罗库尔,B·E·拉特尼
受保护的技术使用者：法国圣戈班高性能塑胶公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23