(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211025915.9 (22)申请日 2022.08.25 (71)申请人 中国人民解 放军空军工程大 学 地址 710038 陕西省西安市灞桥区长乐 东 路甲字一 号 (72)发明人 余佳宇　郑秋容　唐学琴　张斌　 贺杰　刘杰　 (74)专利代理 机构 西安亚信智佳知识产权代理 事务所(普通 合伙) 61241 专利代理师 段国刚 (51)Int.Cl. H01Q 15/00(2006.01) H01Q 1/22(2006.01) H01Q 1/24(2006.01) H01Q 1/50(2006.01)H01Q 3/34(2006.01) H01Q 15/14(2006.01) H01Q 19/10(2006.01) H01Q 21/00(2006.01) H01Q 21/06(2006.01) H01Q 23/00(2006.01) G06F 17/10(2006.01) G06F 30/20(2020.01) (54)发明名称 一种基于有源超表面的反射阵列天线及其 制造方法 (57)摘要 本公开是关于一种基于有源超表面的反射 阵列天线及其制造方法。 该反射阵列天线包括有 源超表面反射阵列、 可编程门阵列控制模块和馈 源天线。 该制造方法包括： 首先， 确定反射阵列天 线的工作频段， 并建立有源超表 面反射单元的模 型； 其次， 将N ×N个有源超表面反射单元加工成 有源超表面反射阵列， 并加载直流电源， 建立通 信； 再次， 进行相位编码计算， 得到反射阵列天线 的相位分布和编码序列； 最后， 通过改变目标方 向的相位编码序列， 产生各种不同多波束辐射方 向图。 本公开提出的基于有源超表 面的反射阵列 天线及其制造方法能够实现多波束的独立产生， 并能够对 多波束进行实时动态调制。 权利要求书2页 说明书10页 附图9页 CN 115332812 A 2022.11.11 CN 115332812 A 1.一种基于有源 超表面的反射阵列天线的制造方法， 其特 征在于， 该制造方法包括： 确定反射阵列天线的工作频 段， 并建立有源 超表面反射单 元的模型； 将N×N个所述有源超表面反射单元加工成有源超表面反射阵列， 并加载直流电源， 建 立通信； 进行相位编码计算， 得到反射阵列天线的相位分布和编码序列； 通过改变目标 方向的相位编码序列， 产生各种不同多 波束辐射方向图。 2.根据根据权利要求1所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法， 其特征在于， 进行相位编码计算， 得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤包括： 设计产生所述 多波束辐射方向图的相位编码算法， 分别用二进制中的 “0”表示量化后的0度的相位分布， 用二进制中的 “1”表示量化后的18 0度的相位分布， 所述有源超表 面反射阵列上所需的相位 补偿公式包括； Φf(m,n)＝‑k0(Rfmn‑F)      (1) 其中， k0＝2π/λ0，表示自由空间中的波数； F表示焦距； Rfmn表示馈源相位中心与每个单 元之间的距离； (m,n)表示第(m,n)个超表面单 元。 3.根据权利要求2所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法， 其特征在于， 为了 在远场产生多个独立方向的铅笔状光束， 利用与每个波束相关的口径场叠加策略， 该相位 相加后的分布满足： 其中， 表示瞄准方向为 的第l个光束在坐标轴xoy平面的 单位投影矢量； 通过相位相加， 其相位分布包括： 其中， ΦMB表示在每 个有源超表面反射单 元上实现多 波束所需的连续相位。 4.根据权利要求3所述基于有源超表面的反射阵列天线的制造方法， 其特征在于， 在进 行相位编码计算， 得到反射阵列天线的相位分布和编码序列的步骤中， 为了建立有源超表 面反射单元运行 的二进制编码相位模式， 根据模糊相位近似原理， 进行相位二进制 离散量 化， 包括： 其中， 为常数， 表示有源 超表面中心的参 考相位； 获得相位编码序列后， 根据反射阵列天线理论近似地执行远场多波束辐射方向图， 包 括：权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115332812 A 2其中， θ和 表示球面坐标系中的仰角和方位角； m表示矩形阵列在x方向的个数； n表示 矩形阵列在y方向的个数； Fe(m,n)表示第(m,n)个单元的方向图函数； Γf(m,n)表示第(m,n) 个单元的反射系数； 表示第(m,n)个单 元的位置 矢量， u表示空间位置 矢量。 5.根据权利要求1 ‑4所述任一项的制造方法制造的基于有源超表面的反射阵列天线， 其特征在于， 包括： 有源超表面反射阵列， 所述有源超表面反射阵列包括N ×N个均匀排布的有源超表面反 射单元； 可编程门阵列控制模块， 所述可编程门阵列控制模块与 所述有源超表面反射阵列 上的 电路连通； 馈源天线， 所述馈源天线位于所述有源超表面反射阵列上方， 用于向所述有源超表面 反射阵列传输电磁波。 6.根据权利要求5所述反射阵列天线， 其特征在于， 所述有源超表面反射阵列包括由上 至下依序设置的： 第一金属层， 所述第一金属层包括有金属贴片、 PI N二极管元件和枝节贴片； 第一高频介质基板， 所述第一高频介质基板的表面印制有所述金属贴片， 并镶嵌有所 述PIN二极管和所述枝节贴片； 第二金属层， 所述第二金属层的表面印制在所述第一高频介质基板的底面； 第二高频介质基板， 所述第二金属层的底面印制在所述第二高频介质基板的表面； 第三金属层： 所述第三金属层印制在所述第二高频介质基板的底面； 其中， 所述PIN二极管与所述第二金属层通过第 一金属柱连通； 所述金属贴片与所述第 三金属层通过第二金属柱连通， 并且所述第二金属柱与所述枝节贴片共同构成偏置电路。 7.根据权利要求6所述反射阵列天线， 其特征在于， 在微波工作频段， 所述PIN二极管元 件在导通状态下的等效电路为串 联， 其电阻Rπ＝0.5Ω， 电感Lπ＝0.7nH， 在截止状态下的等 效电路为串联， 其电感L0＝0.5nH、 电容C0＝0.24pF， 两种状态下， 所述PIN二极管件均具有低 插入损耗。 8.根据权利要求7所述反射阵列天线， 其特征在于， 所述第一高频电路板为Taconic   TLX‑8， 所述Taconic  TLX‑8的厚度为1.5mm， 所述Taconic  TLX‑8的介电常数 εr＝2.55， 所述 Taconic TLX‑8介电损耗角tan δ ＝0.0 019。 9.根据权利要求8所述反射阵列天线， 其特征在于， 所述第二高频电路板为FR4， 所述 FR4的厚度为0.5mm， 所述FR4的介电常数εr＝4.4， 所述FR4电路板的介电损耗角tanδ＝ 0.02。 10.根据权利要求5所述反射阵列天线， 其特征在于， 所述有源超表面反射阵包括32 × 32个均匀排布的有源超表面反射单元； 所述有源超表 面反射阵的边长p＝16 mm； 所述第一金 属贴片的宽度lx在6.0m m至6.6mm之间， 长度ly在9.3m m至9.9mm之间。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115332812 A 3