超材料波束可控天线阵技术

【作者】 吴群；

【机构】 哈尔滨工业大学微波工程系；

【摘要】 随着现代无线通信系统的发展,低成本小型化的定频波束扫描天线的需求尤为强烈,由于其低剖面、无须复杂馈电网络以及高集成度在移动通信系统得到越来越广泛的使用,采用超材料构成的新型天线在阵列波束可控技术领域带来了革命性的突破。本报告从超材料电磁波调控概念出发介绍波束可控天线阵技术。(1)新颖液晶调谐电控扫描超材料漏波天线液晶材料的射频特性模型表征是当前科学家正在积极探索的一项任务,因此液晶材料应用于微波波段作为电控材料尚不多见。本报告以液晶材料的射频特性模型表征为突破口展开研究,举出两种典型液晶材料作为天线阵波束电控扫描机构设计的新方法及其技术展望。重点阐述了液晶材料在微波波段的电磁特性,包括建模、参数提取和数值仿真,探索液晶材料在微波波段的分析和设计中与在传统光频段所展示本质上决然不同的特性,通过理论分析和实验验证展示液晶材料的电控特性在微波频段的参数描述方法,为探索新型液晶电控扫描天线的设计提供了基础理论和实验数据。电控扫描天线实验样品的加工测试结果表明,在Ku波段可实现50度的扫描范围,平均增益达到10.3dB,副瓣电平为-13.5dB。充分证实了这种新型超材料波束可控天线具备宽范围的扫描角度、良好的增益和副瓣电平特性。这种漏波天线天线样品实验结果表明能够满足小型雷达、点对点地面通信、卫星通信等系统波束可控的要求,具有良好的可应用性。本研究通过液晶材料电控特性的掌控机理,还可以延伸到各类液晶材料电控微波器件的设计中,其低成本的商业应用前景十分广泛。(2)平面型人工电磁表面波束调控:机理验证随着对超材料特性研究的不断深入,利用其独特的电磁响应,可以实现许多新奇的应用,例如可实现超分辨成像;利用变换光学可以实现平面型电磁波调控器件。在负折射媒质和变换光学器件中,电磁波的传输始终遵循折射定律,其通过透镜的表面结构或折射率空间分布来实现所需的相位差。然而,这一类传统的透镜的致命缺陷是必须有一定的厚度才能获得传输过程中的累积相位差,这在许多场合限制了透镜在微波领域的应用。为此,从相位突变人工电磁表面原理为突破口,通过在分界面上引入相位突变来代替传统透镜中的累积,构造出平面化超薄人工电磁表面,为解决透镜的厚度极限提出了一种有效方法。利用Pancharatnam-Berry (P-B)相位单元,对圆极化入射波的交叉极化透射分量透射相位控制,通过对P-B相位单元的合理分布,在分界面上引入相位突变,构建多层结构,从而实现了高效、宽带的异常折射超薄平面透镜。如果在正交方向上引入线性相位梯度,即可实现对交叉极化透射波的三维调控效果。利用P-B相位单元对不同旋向的圆极化入射波的相位相应进行验证,实现了平面型双极化透镜,观察到对不同旋向的圆极化电磁波实现汇聚、发散效果。由此所提出的电磁波调控人工电磁表面,为微波器件的小型化、平面化、集成化提供了有效方法。进一步,通过将相位调控的概念与有源器件相结合,将为实现低剖面集成化波束扫描提供新的思路。更多还原