CN112134017A - 基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法及超材料 - Google Patents
基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法及超材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明实施例公开了一种基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法及超材料；机载阵列天线包括反射板以及在所述反射板上阵列排布的多个振子；至少一个所述超材料设置至少两个振子之间；每个所述超材料包括介质基板以及在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元，每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述方法包括：调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节机载阵列天线的振子间互耦(例如降低机载阵列天线的振子间互耦)，提高机载阵列天线实际的通信效果。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，特别涉及一种基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法及超材料。
背景技术
机载阵列天线的工作频带宽、安装空间有限，对天线小型化、紧密排列去耦等具有严格要求。
传统的机载阵列天线去耦办法包括使用解耦网络、增加寄生结构、使用中和线、采用缺陷地板、采用电磁带隙结构等等。然而，上述的方式均有一定的局限性：使用解耦网络会导致整个天线***的带宽降低，增加寄生结构通常只针对特定的天线阵子形态，且部分设计会增加天线***剖面；使用中和线与具体的馈电方式相关；使用缺陷地板会造成天线前后比指标的恶化；采用电磁带隙结构对抑制表面波有一定作用，但当机载阵列天线排布紧凑时，空间耦合会比由表面波产生的耦合更为严重。
综合考虑机载阵列天线的紧凑空间和覆盖范围，机载阵列天线排列间距有时会小于0.5个波长，此时会出现因互耦造成的有源驻波比下降、大角度扫描增益下降等性能恶化的现象。
阵子(阵列排布的振子单元中的每一个振子单元对应一个阵点，单个阵点位置对应振子单元即阵子)之间的耦合包括自由空间耦合和表面波耦合两种方式。表面波耦合方式是通过两个振子(辐射出电磁波的振子)间的反射地板传播表面波电流产生的。当振子间距较小时，空间耦合方式成为影响互耦的主要因素；当振子间距较大时，表面波耦合方式成为影响互耦的主要因素。
由于机载阵列天线发展趋势超小型化发展，通常情况下振子间距将小于0.5个波长，相邻振子之间的互耦强度增加，会降低通信质量。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法及超材料，可通过超材料中的控制元件来调节机载阵列天线的振子间互耦(例如降低机载阵列天线的振子间互耦)，提高通信效果。
根据本发明的一方面，提供一种基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，所述机载阵列天线包括反射板以及在所述反射板上阵列排布的多个振子；至少一个所述超材料设置在至少两个振子之间；每个所述超材料包括介质基板以及在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元，每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述方法包括：
调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦。
可选地，所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦的步骤包括：
调控所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦。
可选地，每个所述微结构单元还包括：导电微结构，与所述至少一个控制元件电连接；所述至少一个控制元件与提供输入电压的供电端口电连接；所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变的步骤包括：
通过多个所述输入电压的变化来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的工作状态发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化。
可选地，所述至少一个控制元件为至少一个开关二极管或者至少一个变容二极管；所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变的步骤包括：
通过多个所述输入电压来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个开关二极管导通或关断，使得对应的多个所述导电微结构的等效电感分别发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变；或者
通过多个所述输入电压来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个变容二极管的电容值发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的等效电容分别发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
可选地，每个所述导电微结构包括由金属线围成的具有十字形镂空图案的非封闭结构，所述十字形镂空图案的四个端部处的所述金属线分别开设有四个开口，每个开口的两端分别垂直地连接有两平行金属线；每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于两个所述开口处的所述两平行金属线之间，两个所述开口的位置相对设置；或者每个所述导电微结构的四个所述控制元件分别电连接于所述四个开口处的所述两平行金属线之间；所述方法还包括：
通过两个输入电压来分别控制每个所述微结构单元的两个所述控制元件的工作状态发生变化，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦；或者
通过四个输入电压来分别控制每个所述微结构单元的四个所述控制元件的工作状态发生变化，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦。
根据本发明的另一方面，提供一种超材料，所述超材料设置在机载阵列天线的多个振子中相邻的任意两个振子之间，所述多个振子在机载阵列天线的反射板上阵列排布；所述超材料包括：
介质基板；以及
在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元；每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态被调控，使得所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦。
可选地，所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态被调控，使得所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦。
可选地，每个所述微结构单元还包括：
导电微结构，与所述至少一个控制元件电连接；
所述至少一个控制元件与提供输入电压的供电端口电连接；
所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态分别根据多个所述输入电压的变化而发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的工作状态发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化。
可选地，所述至少一个控制元件为至少一个开关二极管，所述多个微结构单元的多个所述至少一个开关二极管分别根据多个所述输入电压导通或关断，使得对应的多个所述导电微结构的等效电感分别发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变；或者
所述至少一个控制元件为至少一个变容二极管，所述多个微结构单元的多个所述至少一个变容二极管的电容值分别根据多个所述输入电压的变化而发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的等效电容分别发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
可选地，每个所述导电微结构包括由金属线围成的具有十字形镂空图案的非封闭结构，所述十字形镂空图案的四个端部处的所述金属线分别开设有四个开口，每个开口的两端分别垂直地连接有两平行金属线；
每个所述微结构单元的一个所述控制元件电连接于任意一个所述开口处的所述两平行金属线之间；或者
每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于两个所述开口处的所述两平行金属线之间；或者
每个所述导电微结构的四个所述控制元件分别电连接于所述四个开口处的所述两平行金属线之间。
可选地，每个所述导电微结构包括相交的第一主金属片和第二主金属片，所述第一主金属片的两端分别连接有第一弯折形金属片和第二弯折形金属片，所述第二主金属片的两端分别连接有第三弯折形金属片和第四弯折形金属片；所述第一和第二主金属片都开设有条形镂空；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都开设有弯折形镂空；所述第一、第二、第三和第四弯折金属片中相邻的任意两者之间形成开口；
第一主金属片的两侧都设置有方波形或S形弯折结构，第二主金属片的两侧都设置有方波形或S形弯折结构；
所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有弯折拐点，所述第一主金属片的两端分别连接于第一弯折形金属片的弯折拐点和第二弯折形金属片的弯折拐点，所述第二主金属片的两端分别连接于第三弯折形金属片的弯折拐点和第四弯折形金属片的弯折拐点；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都包括相交于所述弯折拐点的水平直线段及竖直直线段；
每个所述微结构单元的一个所述控制元件电连接于第一弯折形金属片、第二弯折形金属片、第三弯折形金属片、第四弯折形金属片中相邻的任意两者之间的开口；或者
每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间以及第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间的两个开口或者第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的两个开口；或者
每个所述微结构单元的四个所述控制元件分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间、第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间、第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的四个开口。
可选地，两个所述开口的位置相对设置，每个所述微结构单元的两个所述控制元件的工作状态分别根据两个输入电压的变化而发生改变，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦；或者
每个所述微结构单元的四个所述控制元件的工作状态分别根据四个输入电压的变化而发生改变，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦。
可选地，所述第一主金属片及第二主金属片相互垂直平分，所述第一主金属片与第二主金属片的长度相同；
第一、第二、第三和第四弯折形金属片的拐角都为90度；第一弯折形金属片的拐角的角平分线和第二弯折形金属片的拐角的角平分线都与第一主金属片重合；第三弯折形金属片的拐角的角平分线和第四弯折形金属片的拐角的角平分线都与第二主金属片重合；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有相同长度的水平直线段及竖直直线段；第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有相同的尺寸。
可选地，所述超材料设置在所述多个振子中相邻的任意两个振子之间并且垂直地设置在所述反射板上，所述超材料通过绝缘材料与所述反射板连接。
可选地，所述各向异性等效电磁参数包括等效介电常数、等效磁导率或者它们的组合。
可选地，所述超材料还包括控制模块，所述控制模块包括：
处理器；以及
与所述处理器连接的数模转换器，具有多个所述供电端口；所述数模转换器响应于所述处理器的控制信号，经多个所述供电端口，分别提供相同或不同的多个所述输入电压；
其中，所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的一端分别连接多个所述供电端口，所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的另一端分别接地。，
本发明提供的上述方法及超材料，该超材料包括多个微结构单元，每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；在超材料的结构设计完成后还可以调节超材料的各向异性等效电磁参数，实现超材料的可控性，以调节机载阵列天线的振子间互耦(例如降低机载阵列天线的振子间互耦)，提升通信效果。
超材料与机载阵列天线的反射板通过绝缘材料连接，降低交调等非线性指标对天线性能的影响，保障天线性能指标。
本发明提供的机载阵列天线可以适用于振子间距为0.3至0.6个波长的小型化机载阵列天线，有利于天线的小型化设计。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据本发明一个实施例的超材料应用于机载阵列天线的结构示意图；
图2示出了根据本发明另一个实施例的超材料应用于机载阵列天线的结构示意图；
图3A、图3B和图3C示出了根据本发明实施例的第一种超材料及其微结构单元的结构示意图；
图4示出了根据本发明实施例的第二种超材料的微结构单元的结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的第三种超材料的微结构单元的结构示意图；
图6示出了加载超材料和不加载超材料的有益效果对比图；
图7示出了本发明实施例的机载阵列天线中改变控制元件通断后电磁相应曲线对比图；
图8A、图8B和图8C示出了根据本发明实施例的机载阵列天线的阵列结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明实施例一方面提供了一种超材料，所述超材料设置在机载阵列天线的多个振子中相邻的任意两个振子之间，所述超材料包括：
介质基板；以及
在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元；每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态被调控，使得所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦(例如降低机载阵列天线的振子间互耦)。其中，机载阵列天线为安装于飞机等的阵列天线。
具体地，所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态被调控，使得所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦(例如降低机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦)。
进一步地，每个所述微结构单元还包括：
导电微结构，与所述至少一个控制元件电连接；
所述至少一个控制元件与提供输入电压的供电端口电连接；
所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态分别根据多个所述输入电压的变化而发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的工作状态发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化。
在本发明的一个实施例中，所述至少一个控制元件为至少一个开关二极管，所述多个微结构单元的多个所述至少一个开关二极管分别根据多个所述输入电压导通或关断，使得对应的多个所述导电微结构的等效电感分别发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
可选地，在本发明的另一个实施例中，所述至少一个控制元件为至少一个变容二极管，所述多个微结构单元的多个所述至少一个变容二极管的电容值分别根据多个所述输入电压的变化而发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的等效电容分别发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
在本发明实施例中，所述各向异性等效电磁参数包括等效介电常数、等效磁导率或者它们的组合。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据本发明一个实施例的超材料应用于机载阵列天线的结构示意图。
如图1所示，超材料120应用于机载阵列天线100，机载阵列天线100包括反射板101和振子阵列110。在图1的图示中，振子阵列110包括第一振子111、第二振子112、第三振子113、第四振子114和第五振子115，该五个振子呈一字型间隔排布，超材料120设置在第四振子114和第五振子115之间。其中，超材料110为可控超材料，与控制模块连接，可在超材料结构成型后进一步调节超材料性能(具体地，调节超材料的各向异性等效电磁参数，包括等效介电常数、等效磁导率或者它们的组合)，从而调节机载阵列天线100的振子间互耦(例如降低机载阵列天线100的振子间互耦)；提升应用效果。在本实施例中，反射板101为金属板，反射板101接地。
可选地，在其它实施例中，第一个超材料120设置在相邻的第一振子111和第二振子112之间，第二个超材料120设置在相邻的第四振子114和第五振子115之间。
超材料120为平板状，立在反射板101上，在本实施例中，超材料120的高度与振子111、112、113、114或115的高度相等，以降低第四振子114和第五振子115之间的互耦，也即提高第四振子114和第五振子115之间的隔离度，保障第四振子114和第五振子115的独立性，且垂直地设置在反射板101上，优化效果好。在其它实施例中，超材料120的高度大于振子111、112、113、114或115的高度。
在图1的图示中，超材料120仅设置在第四振子114和第五振子115之间，但本发明的超材料120可以针对地设置在相邻的任意两个振子之间，以调节该相邻的两个振子之间的互耦(例如降低该相邻的两个振子之间的互耦)。
图2示出了根据本发明另一个实施例的超材料应用于机载阵列天线的结构示意图。
如图2所示，超材料220应用于机载阵列天线200。机载阵列天线200包括反射板201，在反射板201上设置有第一振子211和第二振子212。超材料220位于第一振子211和第二振子212之间，其中，超材料220包括两块呈板状的超材料，两块超材料之间的距离为d2，第一振子211和第二振子212之间的距离为d1，d1大于d2，且在反射板201上，超材料220的高度大于第一振子211或第二振子212的高度。其中超材料220与超材料120均为可控超材料。在其它实施例中，超材料220的高度等于第一振子211或第二振子212的高度。
在一种实施例中，本发明的机载阵列天线在相邻两个振子之间设置的超材料的数量可以为一个、还可以是两个或更多。可选地，在其它实施例中，机载阵列天线中，两个超材料分别设置在相邻的两个振子之间和相邻的另外两个振子之间，三个超材料分别设置在第一组相邻的两个振子之间、第二组相邻的两个振子之间、第三组相邻的两个振子之间；或者更多(也即至少两个超材料分别设置在至少两组相邻的两个振子之间)。
其中，本发明的机载阵列天线可以适用于相邻两个振子之间的距离为0.3至0.6个波长的小型机载阵列天线，为机载阵列天线的小型化提供便利。
超材料与反射板之间的连接采用非金属构件(绝缘材料)固定，可降低交调等非线性指标对机载阵列天线的影响。
图3A、图3B和图3C示出了根据本发明实施例的第一种超材料及其微结构单元的结构示意图。
如图3A所示，在第一种实施例中，该第一种超材料320包括四个微结构单元21和控制模块01。四个微结构单元21分别对应超材料320的四个晶格a1位置，每一个微结构单元21中的二极管a3的阳极连接控制模块01，二极管a3的阴极接地。控制模块01包括处理器011和数模转换器012，处理器011输出对二极管a3的数字控制信号给数模转换器012，数模转换器将该数字控制信号转换为模拟信号，以提供二极管a3的状态控制信号(包括电压信号或电流信号)，调节二极管a3的状态，实现对超材料320的工作状态的调控，调节超材料320的各向异性等效电磁参数，进而调节机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦。
其中，在图3A所示的实施例中，每一个微结构单元27仅设置一个二极管a3，在其它实施例中可设置多个二极管。
该微结构单元21在晶格a1内包括导电微结构a2。导电微结构a2包括由金属线围成的具有十字形镂空图案的非封闭结构(金属线具有一定的宽度)，该十字形镂空图案的四个端部处的所述金属线分别开设有四个开口，每个开口的两端分别垂直地连接有两平行金属线，每个微结构单元21的一个二极管a3电连接于所述两平行金属线之间。
请参阅图3B，可选地，在第二种实施例中，该第一种超材料320包括四个微结构单元22，所述微结构单元22包括位于晶格b1内的导电微结构b2，图3B所示微结构单元22与图3A所示微结构单元21的区别仅在于二极管b3的数量和连接位置，在此对其它结构不再赘述。在微结构单元22中，二极管b3的数量为两个(各二极管b3的阳极和阴极分别与控制模块和地连接)，以图3B为参考，微结构单元22的两个二极管b3分别电连接于两个开口处(即上下两个开口处)的所述两平行金属线之间。两个开口的位置相对设置，因此每个微结构单元22的两个二极管b3的工作状态分别根据两个输入电压的变化而发生改变，使每个超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦(例如降低机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦)。
请参阅图3C，可选地，在第三种实施例中，该第一种超材料320包括四个微结构单元23，所述微结构单元23包括位于晶格c1内的导电微结构c2，图3C所示微结构单元23与图3A所示微结构单元21的区别在于二极管c3的数量和连接位置，在此对其它结构不再赘述。在微结构单元23中，二极管c3的数量为四个(各二极管c3的阳极和阴极分别与控制模块和地连接)，以图3C为参考，微结构单元23的四个二极管c3分别电连接于四个所述开口处(即上下左右四个开口处)的所述两平行金属线之间。因此，每个微结构单元23的四个二极管c3的工作状态分别根据四个输入电压的变化而发生改变，使每个超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦(例如降低机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦)。
在图3B所示实施例中，两个二极管b3的导通方向上下相反，在圆参考中，两个二极管b3的导通方向均为顺时针方向，在其它实施例中，均为逆时针方向。相应设置的上下对二极管的导通方向与左右对二极管的导通方向在圆参考中相同，及成对的二极管在晶格中为180度中心对称结构。作为控制元件的二极管b3的方向设计也适用于本发明实施例的其它超材料。
在图3C所示实施例中，在圆参考中，四个二极管C3的导通方向均为顺时针方向，在其它实施例中，均为逆时针方向。
二极管的设置数量和位置对应不同的振子间互耦调节效果，对本发明的其它实施例同样适用，在后续的其它实施例的说明中不再详述。
图4示出了根据本发明实施例的第二种超材料的微结构单元的结构示意图。
如图4所示，该第二种超材料的微结构单元24同样在晶格f1中设置有导电微结构f2，图4所示微结构单元24与图3A所示第一种超材料的微结构单元21的区别在于微结构图案的不同。
本实施例的导电微结构f2包括相交的第一主金属片和第二主金属片，第一主金属片的两端分别连接有第一弯折形金属片和第二弯折形金属片，第二主金属片的两端分别连接有第三弯折形金属片和第四弯折形金属片；第一主金属片和第二主金属片都设有条形镂空，第一主金属片和第二主金属片共同形成的镂空呈十字形；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都设有弯折形镂空，且弯折形镂空图案与第一主金属片或第二主金属片的条形镂空图案连通或者连接。第一、第二、第三和第四弯折金属片中相邻的任意两者之间具有间隔开的开口。
所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有弯折拐点，所述第一主金属片的两端分别连接于第一弯折形金属片的弯折拐点和第二弯折形金属片的弯折拐点，所述第二主金属片的两端分别连接于第三弯折形金属片的弯折拐点和第四弯折形金属片的弯折拐点；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都包括相交于所述弯折拐点的水平曲线段及竖直曲线段。
每个所述微结构单元24的一个二极管(图未示)电连接于第一弯折形金属片、第二弯折形金属片、第三弯折形金属片、第四弯折形金属片中相邻的任意两者之间的开口；或者
每个所述微结构单元24的两个二极管f3(如图4所示)分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间以及第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间的两个开口或者第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的两个开口；或者
每个所述微结构单元24的四个二极管(图未示)分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间、第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间、第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的四个开口。
在本实施例中，控制元件以二极管f3为例，其中，二极管f3为开关二极管(施加不同电压可导通或关断)或变容二极管(施加不同电压可提供不同的电容值)，可以控制超材料的各向异性等效电磁参数，从而调节机载阵列天线在不同工作频段和/或工作频点的振子间互耦，提高本发明的机载阵列天线的设计灵活性。
加载超材料120的机载阵列天线100具有预设控制模式和手动控制模式，通过改变控制元件(例如二极管)的不同工作状态可得到上述控制模式。在预设控制模式下，可进行预设频段和频点的振子间互耦调节。在手动控制模式下，可根据具体情况进行需求频段和频点的振子间互耦调节，提高灵活性。
图5示出了根据本发明实施例的第三种超材料的微结构单元的结构示意图。
如图5所示，该第三种超材料的微结构单元25在晶格e1内设置导电微结构e2，每个导电微结构e2包括相交的第一主金属片和第二主金属片，所述第一主金属片的两端分别连接有第一弯折形金属片和第二弯折形金属片，所述第二主金属片的两端分别连接有第三弯折形金属片和第四弯折形金属片；第一主金属片和第二主金属片都开设有条形镂空，第一主金属片和第二主金属片共同形成的镂空呈十字形；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都开设有弯折形镂空，且弯折形镂空图案与第一主金属片或第二主金属片的条形镂空图案连通或者连接；所述第一、第二、第三和第四弯折金属片中相邻的任意两者之间形成开口。
第一主金属片的两侧都设置有方波形或S形弯折结构，第二主金属片的两侧都设置有方波形或S形弯折结构。
第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有弯折拐点，第一主金属片的两端分别连接于第一弯折形金属片的弯折拐点和第二弯折形金属片的弯折拐点，第二主金属片的两端分别连接于第三弯折形金属片的弯折拐点和第四弯折形金属片的弯折拐点；第一、第二、第三和第四弯折形金属片都包括相交于所述弯折拐点的水平直线段及竖直直线段。可选的，在其它实施例中，第一、第二、第三和第四弯折形金属片都包括相交于所述弯折拐点的水平曲线段及竖直曲线段。
每个微结构单元25的一个二极管(图未示)电连接于第一弯折形金属片、第二弯折形金属片、第三弯折形金属片、第四弯折形金属片中相邻的任意两者之间的开口；或者
每个微结构单元25的两个二极管e3(如图5所示)分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间以及第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间的两个开口或者第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的两个开口；或者
每个微结构单元25的四个二极管(图未示)分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间、第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间、第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的四个开口。
两个所述开口的位置相对设置，每个微结构单元25的两个二极管e3(如图5所示)的工作状态分别根据两个输入电压的变化而发生改变，使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦；或者
每个微结构单元25的四个二极管(图未示)的工作状态分别根据四个输入电压的变化而发生改变，使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦。
在图4所示微结构单元24或者图5所示微结构单元25中，具体地，第一主金属片及第二主金属片相互垂直平分，第一主金属片与第二主金属片的长度相同；第一、第二、第三和第四弯折形金属片的拐角都为90度；第一弯折形金属片的拐角的角平分线和第二弯折形金属片的拐角的角平分线都与第一主金属片重合；第三弯折形金属片的拐角的角平分线和第四弯折形金属片的拐角的角平分线都与第二主金属片重合；第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有相同长度的水平直线段及竖直直线段；第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有相同的尺寸。
在本实施例中，控制元件以二极管e3为例，其中，二极管e3为开关二极管(施加不同电压可导通或关断)或变容二极管(施加不同电压可提供不同的电容值)，可以控制超材料的各向异性等效电磁参数，从而调节机载阵列天线在不同频段和/或频点的振子间互耦，提高本发明的机载阵列天线的设计灵活性。
加载超材料120的机载阵列天线100具有预设控制模式和手动控制模式，通过改变控制元件(例如二极管)的不同工作状态可得到上述控制模式。在预设控制模式下，可进行预设频段和频点的振子间互耦调节。在手动控制模式下，可根据具体情况进行需求频段和频点的振子间互耦调节，提高灵活性。
其中本实施例的各微结构单元为单层排布，在其它实施例中，还可以是双层排布，导电微结构可以是双层的各层图案的组合结果图案。
图6示出了加载超材料和不加载超材料的有益效果对比图。其中，S21代表隔离度；该测试为对图1所示的机载阵列天线100的测试，L1为第一振子111和第二振子112测试结果，L2为对第四振子114和第五振子115的测试结果；第一振子111和第二振子112之间未加载超材料；第四振子114和第五振子115之间加载有超材料。各点的坐标为：m1(1.7500，-14.7270)、m2(1.8507，-16.4693)、m3(1.9506，-18.4387)、m4(2.0505，-20.5517)、m5(1.7500，-19.3671)、m6(1.8499，-20.3968)、m7(1.9498，-21.1899)、m8(2.0505，-23.9796)。由图6可见，在L波段的高频端，两个振子114、115之间的互耦有3至5分贝(也即3至5dB)的降低，且天线的辐射方向图维持，未出现畸变等不利影响，即本发明的超材料可有效降低机载阵列天线中相邻两个振子114、115之间的互耦强度，为机载阵列天线的小型化设计提供便利。
图7示出了本发明实施例的机载阵列天线中改变控制元件通断后电磁相应曲线对比图；实线对应控制元件导通，虚线对应控制元件断开。其中，该测试为对图1所示的机载阵列天线100的测试，L3和L31为对第一振子111和第二振子112的测试结果，且分别对应控制元件导通和断开，L4和L41为对第四振子114和第五振子115的测试结果，且分别对应控制元件(本测试中以控制元件为开关二极管进行测试)导通和断开。
L41与L31之间的走势和L4与L3之间的走势相同，区别在于交叉点向高频段偏移，L41和L4的走势相对于L31和L3走势，降低了部分工作频段的互耦强度，即在本发明实施例的采用超材料120降低互耦强度的设计中，加载控制元件(例如开关二极管)可以改变受调节的工作频段，参照L4和L41，加载控制元件(即控制元件导通起作用)后互耦强度降低的频段向高频段偏移，受优化的工作频段的范围提升，同时最优工作频点也偏移，实现受优化工作频点和工作频段的可调节。在此需要说明的是，在图6和图7中，第一振子111和第二振子112之间未设置超材料120，第四振子114和第五振子115之间设置有超材料120。
图8A、图8B和图8C示出了根据本发明实施例的机载阵列天线的阵列结构示意图。
如图所示，本发明的采用可控超材料降低机载阵列天线的振子间互耦的设计可以适用于多种排列方式，如图8A所示，在反射板401上设置方形排布的振子阵列410，超材料设置在任意相邻振子之间；如图8B，在反射板501上设置三角阵列的振子阵列510，超材料设置在相邻的任意两个振子之间；如图8C所示，在反射板601上设置圆周阵列排布的振子阵列610，超材料设置在任意相邻振子之间，本发明的机载阵列天线适用的振子排布方式包括但不限于上述排布。
本发明实施例另一方面提供了一种基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，所述机载阵列天线包括反射板以及在所述反射板上阵列排布的多个振子；至少一个所述超材料设置在至少两个振子之间；每个所述超材料包括介质基板以及在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元，每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述方法包括：
调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦。
在一个具体的实施例中，在上述方法中，所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦包括：
调控所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦(例如调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦)。
在一个具体的实施例中，在上述方法中，每个所述微结构单元还包括：导电微结构，与所述至少一个控制元件电连接；所述至少一个控制元件与提供输入电压的供电端口电连接；所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变包括：
通过多个所述输入电压的变化来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的工作状态发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化。
在一个具体的实施例中，在上述方法中，所述至少一个控制元件为至少一个开关二极管或者至少一个变容二极管；所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变包括：
通过多个所述输入电压来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个开关二极管导通或关断，使得对应的多个所述导电微结构的等效电感分别发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变；或者
通过多个所述输入电压来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个变容二极管的电容值发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的等效电容分别发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
在一个具体的实施例中，每个所述导电微结构包括由金属线围成的具有十字形镂空图案的非封闭结构，所述十字形镂空图案的四个端部处的所述金属线分别开设有四个开口，每个开口的两端分别垂直地连接有两平行金属线；每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于两个所述开口处的所述两平行金属线之间，两个所述开口的位置相对设置；或者每个所述导电微结构的四个所述控制元件分别电连接于所述四个开口处的所述两平行金属线之间；上述方法还包括：
通过两个输入电压来分别控制每个所述微结构单元的两个所述控制元件的工作状态发生变化，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦；或者
通过四个输入电压来分别控制每个所述微结构单元的四个所述控制元件的工作状态发生变化，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦。
本发明的机载阵列天线在相邻的任意两个振子之间设置可控超材料，对机载阵列天线的振子类型不做限定，可以是偶极子、缝隙、单极子或贴片天线等。
其中，所述机载阵列天线的多个振子中相邻的任意两个振子之间的距离为0.3至0.6个波长，可实现性能优异的小型化机载阵列天线的设计。
超材料中微结构单元的导电微结构的差异可以对应具体结构不同的机载阵列天线进行针对性优化，提高了本发明超材料对不同的机载阵列天线的适用性。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (16)
1.一种基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，所述机载阵列天线包括反射板以及在所述反射板上阵列排布的多个振子；至少一个所述超材料设置在至少两个振子之间；每个所述超材料包括介质基板以及在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元，每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法包括：
调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦。
2.根据权利要求1所述的基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，其特征在于，所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦的步骤包括：
调控所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦。
3.根据权利要求1所述的基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，其特征在于：每个所述微结构单元还包括：导电微结构，与所述至少一个控制元件电连接；所述至少一个控制元件与提供输入电压的供电端口电连接；所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变的步骤包括：
通过多个所述输入电压的变化来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的工作状态发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化。
4.根据权利要求3所述的基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，其特征在于，所述至少一个控制元件为至少一个开关二极管或者至少一个变容二极管；所述调控多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态，使得每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变的步骤包括：
通过多个所述输入电压来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个开关二极管导通或关断，使得对应的多个所述导电微结构的等效电感分别发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变；或者
通过多个所述输入电压来分别控制所述多个微结构单元的多个所述至少一个变容二极管的电容值发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的等效电容分别发生改变，从而使每个所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
5.根据权利要求3所述的基于超材料的机载阵列天线振子间去耦方法，其特征在于，每个所述导电微结构包括由金属线围成的具有十字形镂空图案的非封闭结构，所述十字形镂空图案的四个端部处的所述金属线分别开设有四个开口，每个开口的两端分别垂直地连接有两平行金属线；每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于两个所述开口处的所述两平行金属线之间，两个所述开口的位置相对设置；或者每个所述导电微结构的四个所述控制元件分别电连接于所述四个开口处的所述两平行金属线之间；所述方法还包括：
通过两个输入电压来分别控制每个所述微结构单元的两个所述控制元件的工作状态发生变化，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦；或者
通过四个输入电压来分别控制每个所述微结构单元的四个所述控制元件的工作状态发生变化，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦。
6.一种超材料，其特征在于，所述超材料设置在机载阵列天线的多个振子中相邻的任意两个振子之间，所述多个振子在机载阵列天线的反射板上阵列排布；所述超材料包括：
介质基板；以及
在所述介质基板上阵列排布的多个微结构单元；每个所述微结构单元中设置有至少一个控制元件；所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态被调控，使得所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线的振子间互耦。
7.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于：所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态被调控，使得所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变，从而调节所述机载阵列天线在预设工作频率范围内的振子间互耦和/或在预设工作频率点的振子间互耦。
8.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于，每个所述微结构单元还包括：
导电微结构，与所述至少一个控制元件电连接；
所述至少一个控制元件与提供输入电压的供电端口电连接；
所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的工作状态分别根据多个所述输入电压的变化而发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的工作状态发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化。
9.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于：
所述至少一个控制元件为至少一个开关二极管，所述多个微结构单元的多个所述至少一个开关二极管分别根据多个所述输入电压导通或关断，使得对应的多个所述导电微结构的等效电感分别发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变；或者
所述至少一个控制元件为至少一个变容二极管，所述多个微结构单元的多个所述至少一个变容二极管的电容值分别根据多个所述输入电压的变化而发生改变，使得对应的多个所述导电微结构的等效电容分别发生改变，从而使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生改变。
10.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于：
每个所述导电微结构包括由金属线围成的具有十字形镂空图案的非封闭结构，所述十字形镂空图案的四个端部处的所述金属线分别开设有四个开口，每个开口的两端分别垂直地连接有两平行金属线；
每个所述微结构单元的一个所述控制元件电连接于任意一个所述开口处的所述两平行金属线之间；或者
每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于两个所述开口处的所述两平行金属线之间；或者
每个所述导电微结构的四个所述控制元件分别电连接于所述四个开口处的所述两平行金属线之间。
11.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于：
每个所述导电微结构包括相交的第一主金属片和第二主金属片，所述第一主金属片的两端分别连接有第一弯折形金属片和第二弯折形金属片，所述第二主金属片的两端分别连接有第三弯折形金属片和第四弯折形金属片；所述第一和第二主金属片都开设有条形镂空；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都开设有弯折形镂空；所述第一、第二、第三和第四弯折金属片中相邻的任意两者之间形成开口；
第一主金属片的两侧都设置有方波形或S形弯折结构，第二主金属片的两侧都设置有方波形或S形弯折结构；
所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有弯折拐点，所述第一主金属片的两端分别连接于第一弯折形金属片的弯折拐点和第二弯折形金属片的弯折拐点，所述第二主金属片的两端分别连接于第三弯折形金属片的弯折拐点和第四弯折形金属片的弯折拐点；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都包括相交于所述弯折拐点的水平直线段及竖直直线段；
每个所述微结构单元的一个所述控制元件电连接于第一弯折形金属片、第二弯折形金属片、第三弯折形金属片、第四弯折形金属片中相邻的任意两者之间的开口；或者
每个所述微结构单元的两个所述控制元件分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间以及第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间的两个开口或者第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的两个开口；或者
每个所述微结构单元的四个所述控制元件分别电连接于第一弯折形金属片和第三弯折形金属片之间、第三弯折形金属片和第二弯折形金属片之间、第二弯折形金属片和第四弯折形金属片之间以及第四弯折形金属片和第一弯折形金属片之间的四个开口。
12.根据权利要求10或11所述的超材料，其特征在于：
两个所述开口的位置相对设置，每个所述微结构单元的两个所述控制元件的工作状态分别根据两个输入电压的变化而发生改变，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在单极化方向上的振子间互耦；或者
每个所述微结构单元的四个所述控制元件的工作状态分别根据四个输入电压的变化而发生改变，使所述超材料的各向异性等效电磁参数发生变化，从而调节所述机载阵列天线在双极化方向上的振子间互耦。
13.根据权利要求11所述的超材料，其特征在于：
所述第一主金属片及第二主金属片相互垂直平分，所述第一主金属片与第二主金属片的长度相同；
第一、第二、第三和第四弯折形金属片的拐角都为90度；第一弯折形金属片的拐角的角平分线和第二弯折形金属片的拐角的角平分线都与第一主金属片重合；第三弯折形金属片的拐角的角平分线和第四弯折形金属片的拐角的角平分线都与第二主金属片重合；所述第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有相同长度的水平直线段及竖直直线段；第一、第二、第三和第四弯折形金属片都具有相同的尺寸。
14.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于：所述超材料设置在所述多个振子中相邻的任意两个振子之间并且垂直地设置在所述反射板上，所述超材料通过绝缘材料与所述反射板连接。
15.根据权利要求6所述的超材料，其特征在于：所述各向异性等效电磁参数包括等效介电常数、等效磁导率或者它们的组合。
16.根据权利要求8所述的超材料，其特征在于，所述超材料还包括控制模块，所述控制模块包括：
处理器；以及
与所述处理器连接的数模转换器，具有多个所述供电端口；所述数模转换器响应于所述处理器的控制信号，经多个所述供电端口，分别提供相同或不同的多个所述输入电压；
其中，所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的一端分别连接多个所述供电端口，所述多个微结构单元的多个所述至少一个控制元件的另一端分别接地。
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