CN107275798B - 超表面透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了超表面透镜天线，属于天线技术领域。该超表面透镜天线由圆锥喇叭天线和亚波长厚度的波束聚焦超表面组成。波束聚焦超表面利用具有抛物型交叉极化透射相位空间分布的透射型线极化转换单元结构阵列构成。透射型线极化转换单元结构从下到上依次为：金属栅、介质基板、金属椭圆形开口谐振环、介质基板和金属栅。所述透射型线极化转换单元结构尺寸、周期可以改变波束聚焦超表面的工作频段、带宽、聚焦效率等特性。本发明超表面透镜天线中的核心组成部分波束聚焦超表面采用印刷电路板技术制成，造价低，平面结构，亚波长厚度，同时具有重量轻、体积小、驻波比小、波束窄、增益高等优点，可在任意频段设计实现。

Description

超表面透镜天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，特别是涉及基于超表面平面透镜的透镜天线。
背景技术
透镜天线是一种能够通过电磁波、将点源或线源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。广泛应用于微波中继通信中。通过合理设计透镜表面形状和折射率n，调节电磁波的相速以获得辐射口径上的平面波前。透镜可用天然介质(n>1)制成，也可用由金属网或金属板等构成的人造介质(n>1或n<1)制成。传统的透镜天线，比如非金属介质透镜天线、人造介质透镜天线、H-面金属板透镜天线、E-面金属板透镜天线等，其透镜一般为曲面形状，不仅体积大，而且加工复杂。随着超材料快速发展，出现了利用超材料单元结构构成的透镜天线比如近零折射率和渐变折射率透镜天线。然而构成这些透镜的超材料单元结构往往是三维块状结构，依然存在体积大、重量大、结构复杂、驻波比差的缺陷。
发明内容
本发明实施例提供了一工作于X波段的超表面透镜天线，可以解决现有技术中存在的问题。
一种超表面透镜天线，所述超表面透镜天线通过在圆锥喇叭天线口径面上加载超薄的透射型波束聚焦超表面实现，所述透射型波束聚焦超表面由多个透射型线极化转换单元结构组成，每个所述透射型线极化转换单元结构由三层金属结构和两层介质基板构成，从下至上依次为金属栅、介质基板、金属椭圆形开口谐振环、介质基板、金属栅，最上层和最下层的金属栅相互正交，中间金属椭圆形开口谐振环斜置45°，为极化旋转组件。
优选地，所述介质基板选用厚度为h＝2mm，相对介电常数εr＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001的F4B介质基板。
优选地，所述金属椭圆形开口谐振环的长轴长度u、短轴长度v和开口角度α之间为线性函数：u＝c1*α+c2，v＝c3*u+c4，其中c1、c2、c3和c4均为系数。
优选地，所述透射型波束聚焦超表面的厚度为d＝4mm，所述超表面透镜天线焦距为F＝150mm，天线口径为a＝200mm。
优选地，通过所述金属椭圆形开口谐振环的开口角度、长轴长度和短轴长度的调制实现所述透射型线极化转换单元结构0～180°范围内的线极化转换透射相移；通过所述金属椭圆形开口谐振环的90°面内旋转实现所述透射型线极化转换单元结构180°～360°范围内的线极化转换透射相移。
本发明实施例中的超表面透镜天线和现有的透镜天线相比，具有以下优点：
1、本发明的超表面透镜天线由圆锥喇叭天线和透射型波束聚焦超表面组成，波束聚焦超表面采用印刷电路板技术制成，平面结构、体积小、重量轻，工艺简单、造价低，亚波长厚度；
2、本发明的超表面透镜天线，具有带宽宽、驻波比小、增益高、旁瓣低等优点。
3、本发明的超表面透镜天线，通过调节透射型线极化转换超表面单元的尺寸、周期，可以改变超表面天线的工作频段、带宽、增益等特性，通过调整波束聚焦超表面的空间线极化转换透射相位分布可调控超表面透镜天线的口径和纵向尺寸。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明超表面透镜天线设计的透射型线极化转换单元结构视图；
图2为本发明超表面透镜天线的结构示意图；
图3为本发明超表面透镜天线中波束聚焦超表面中间层金属椭圆形开口谐振环阵列正视图；
图4为本发明超表面透镜天线中波束聚焦超表面在线极化平面波垂直入射时的交叉极化透射场幅度分布仿真结果；
图5为本发明超表面透镜天线中波束聚焦超表面在线极化平面波垂直入射时，轴向交叉极化透射场幅度分布仿真结果；
图6为本发明超表面透镜天线中圆锥喇叭天线的S11仿真结果；
图7为本发明超表面透镜天线中圆锥喇叭天线在中心频点10GHz处的增益方向图仿真结果；
图8为本发明超表面透镜天线的S11仿真结果；
图9为本发明超表面透镜天线在10GHz处的增益方向图仿真结果；
图10为本发明超表面透镜天线、最优喇叭天线、超表面透镜天线中圆锥喇叭天线的峰值增益、E面半功率波束宽度、H面半功率波束宽度；超表面透镜天线辐射效率和总效率的仿真结果。
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做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。
本发明的超表面透镜天线为基于波束聚焦超表面加载的新型透镜天线，该天线通过在圆锥喇叭天线口径面上加载超薄的透射型波束聚焦超表面实现，所述透射型波束聚焦超表面由多个透射型线极化转换单元结构组成。图1为一个透射型线极化转换单元结构视图。
所述透射型线极化转换单元结构由三层金属结构和两层介质基板构成，从下至上依次为金属栅、介质基板、金属椭圆形开口谐振环、介质基板、金属栅，最上层和最下层的金属栅相互正交，中间金属椭圆形开口谐振环斜置45°，为极化旋转组件，如图1(a)。由于斜置金属椭圆形开口谐振环的存在，上下两正交金属栅构成“法布里-珀罗”谐振腔，基于类法布里-珀罗谐振可实现高效的线极化转换透射率，通过多谐振叠加可实现宽带特性。单层介质基板厚度为h＝2mm，选用相对介电常数εr＝2.65，损耗角正切值tanδ＝0.001的F4B介质基板。金属椭圆形开口谐振环的长轴长度u、短轴长度v和开口角度α之间为线性函数：u＝c1*α+c2，v＝c3*u+c4，其中c1、c2、c3和c4均为系数，如图1(b)。因此，在透射型线极化转换单元结构的透射率基本保持不变的前提下，通过金属椭圆形开口谐振环开口角度、长轴长度和短轴长度的调制可实现0～180°范围内的线极化转换透射相移；通过金属椭圆形开口谐振环的90°面内旋转即可实现180°～360°范围内的线极化转换透射相移。同时，交叉极化透射率可保持基本不变，大于-0.5dB。
如图2所示，为所述超表面透镜天线的结构示意图，通过在圆锥喇叭天线的口径面上加载d＝4mm厚的透射型波束聚焦超表面实现透镜天线，如图2(a)。超表面透镜天线焦距为F＝150mm，天线口径为a＝200mm，其它尺寸参数如图2(b)中所示。
根据所需的超表面透镜天线的尺寸参数和天线的工作频段设计波束聚焦超表面。先依据工作频段优化设计透射型线极化转换单元结构，再根据超表面透镜天线的尺寸设计透射型波束聚焦超表面的空间相位分布，对透射型线极化转换单元结构的交叉极化透射相位进行离散，同时针对入射角度进行离散，最终确定组成透射型波束聚焦超表面的透射型线极化转换单元种类数，依据透射型波束聚焦超表面所需的抛物型空间相位分布设计透射型波束聚焦超表面，x-(或y-)极化的平面入射波高效地透射且转换为y-(或x-)极化的聚焦波束。
所述设计的X波段的波束聚焦超表面的中间层金属椭圆形开口谐振环阵列正视图如图3中左图所示，图3中右图为左图的局部放大图，所述金属椭圆形开口谐振环阵列尺寸为：200mm×200mm。
如图4所示，为x-极化平面电磁波垂直入射至透射型波束聚焦超表面时的交叉极化透射场能量密度分布。可以看出：交叉极化透射波在中心频点10GHz的宽带频率范围内均实现了很好的波束。
如图5所示，为仿真得到的x-极化平面电磁波垂直入射时，轴向交叉极化电场幅度分布，从图中可以看出，焦距约等于150mm，与设计的焦距一致。
如图6所示，为圆锥喇叭天线的S11仿真结果，可以看出：在8-12GHz的宽带频率范围内，圆锥喇叭天线的S11均小于-10dB。
如图7所示，为中心频点10GHz处圆锥喇叭天线的增益方向图仿真结果，可以看出，天线的E面方向图中间出现凹陷。
如图8所示，为本发明超表面透镜天线的S11仿真结果。可以看出：在8-12GHz的宽带频率范围内，仿真得到的S11均小于-10dB。
如图9所示，为本发明超表面透镜天线在中心频点10GHz处的增益方向图仿真结果。可以看出：超表面透镜天线的远场波束为笔形波束，E面波束宽度等于8°，H面波束宽带等于10.8°，峰值增益为24.8dB。
如图10所示，为本发明超表面透镜天线的主要性能参数仿真结果，其中(a)峰值增益，(b)E面半功率波束宽度，(c)H面半功率波束宽度，(d)基于超表面透镜天线的辐射效率和总效率。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种超表面透镜天线，其特征在于，所述超表面透镜天线通过在圆锥喇叭天线口径面上加载超薄的透射型波束聚焦超表面实现，所述透射型波束聚焦超表面由多个透射型线极化转换单元结构组成，每个所述透射型线极化转换单元结构由三层金属结构和两层介质基板构成，从下至上依次为金属栅、介质基板、金属椭圆形开口谐振环、介质基板、金属栅，最上层和最下层的金属栅相互正交，中间金属椭圆形开口谐振环斜置45°，为极化旋转组件；
在所述透射型线极化转换单元结构的透射率保持不变的前提下，通过所述金属椭圆形开口谐振环的开口角度、长轴长度和短轴长度的调制实现所述透射型线极化转换单元结构0~180°范围内的线极化转换透射相移；通过所述金属椭圆形开口谐振环的90°面内旋转实现所述透射型线极化转换单元结构180°~360°范围内的线极化转换透射相移；
所述金属椭圆形开口谐振环的长轴长度u、短轴长度v和开口角度α之间为线性函数：u=c 1*α+c 2，v=c 3*u+c 4，其中c 1、c 2、c 3和c 4均为系数。
2.如权利要求1所述的超表面透镜天线，其特征在于，所述介质基板选用厚度为h=2mm，相对介电常数ε r =2.65，损耗角正切值tanδ=0.001的F4B介质基板。
3.如权利要求1所述的超表面透镜天线，其特征在于，所述透射型波束聚焦超表面的总厚度为d=4mm，所述超表面透镜天线焦距为F=150mm，天线口径为a=200mm。
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