CN108110404B - 一种大口径平面消色差反射阵天线 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大口径平面消色差反射阵天线，包括喇叭馈源、在馈源下方的多层超材料以及在贴于底层超材料的反射层；其中，每层超材料包含介质板以及在介质板正面印刷的非周期性排列的金属谐振单元。利用超材料对入射电磁波的电磁响应可以人工调制的优势，通过优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布利用不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。本发明采用了新的超材料结构和相位排布方式，所述天线具有结构简单，口径大，工作带宽大，成本低等优势，而且所述天线对所有极化响应相同，适用于各种极化的电磁波。

Description

一种大口径平面消色差反射阵天线

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种大口径平面消色差反射阵天线。

背景技术

传统的微波天线一般是由金属抛物面与位于金属抛物面焦点的馈源组成，利用金属抛物面的高反射特性将外界入射的电磁波收集到馈源处或将馈源发射的电磁波反射出去。该类天线虽然结构简单，工作频带宽，但它的体积庞大，隐蔽性差，难以运输，并且在高频处对曲面结构加工精度要求高。

近年来，利用电磁性能可调控的超材料，科研人员提出了平面反射阵天线，通过对阵中每个单元进行设计使其将外界入射的电磁波的相位或者将馈源辐射波的相位进行一定程度的调节，使得经反射阵反射的场在阵列口面上形成所需的相位分布，从而得到与传统微波天线类似的辐射特性。此类天线的优势在于重量轻，体积小，结构简单，加工成本低并且便于收藏与展开，无复杂的馈电网络，损耗小，效率较高。但由于金属谐振单元响应带宽窄，不同频率存在传输色散影响等原因，传统的反射阵天线的有效带宽通常都较窄。并且由于传统反射阵天线的单元尺寸较大，不适用于大口径反射阵天线。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一类基于超材料原理的新的单元结构和相位排布方式，设计了一类大口径平面消色差反射阵天线，该类天线在微波段连续频段内能将外界入射的任意极化电磁波反射到馈源处或将馈源的辐射波反射到空间中，其工作带宽比(有效工作带宽/工作带宽中间频率)>20％。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：提出了一种大口径平面消色差反射阵天线，所述天线包括馈源、位于馈源下方的N层超材料以及紧贴于第N层超材料层的反射层构成；其中，每层超材料层包括介质板以及非周期排布于介质板上的多种金属谐振单元。

进一步地，所述馈源为喇叭馈源，所述馈源中轴线位于所述多层超材料中心上方；所述多层超材料能将外界入射的宽带电磁波反射到所述馈源处。

进一步地，所述N层超材料中N的取值为1,2,3,4或5。

进一步地，所述金属谐振单元为矩形金属环、圆形金属环或椭圆金属环的一种，所述环形金属环在一个周期内的数目为一、二或三个，其周期p的取值为3mm≦p≦10mm。

本发明结果的有益效果在于：

本发明结构采用新的超材料结构和相位排布方式，所述天线具有结构简单，口径大，工作带宽大，成本低等优势，并且所述天线对所有极化响应相同，适用于各种极化的电磁波。本发明所述多层超材料上的金属谐振单元分布通过优化算法得到，其计算过程程序化、代码化，有益于大规模的推广。

附图说明

图1为本发明的超材料金属谐振单元结构示意图；其中图1(a)为单个周期内有1个金属环的结构，图1(b)为单个周期内有2个金属环的结构，图1(c)为单个周期内有3个金属环的结构。

图2为本发明的结构示意图；图2(a)为所述大口径平面消色差反射阵天线侧视图，图2(b)为所述多层超材料的正视图。图中1为馈源，2为多层超材料，3为反射层。

图3为本发明的所涉及的聚焦过程示意图；图中4为所述超材料层上的任意一个金属谐振单元。

图4为单个周期内金属环数目为1dx1＝3.6mm时的金属谐振单元在11-14GHz频段内结构的反射率与对应的相位响应示意图，其中，图4(a)为单个周期内金属环数目为1dx1＝3.6mm时的金属谐振单元在11-14GHz频段内结构的反射率示意图，图4(b)为对应的相位响应示意图。

图5为通过优化程序计算后所述超材料中心至边缘处需要满足的理想聚焦相位响应以及所述金属谐振单元提供的相位响应；图5(a)、(b)、(c)和(d)分别对应11GHz、12GHz、13GHz和14GHz时的效果图，图中实线代表理想的聚焦相位，离散点代表金属谐振单元在该位置提供的相位响应。

图6为整体模型在图5情况下x-z面的电场分布。图6(a)、(b)、(c)和(d)分别对应11GHz、12GHz、13GHz和14GHz时的x-z面的电场分布。

图7为所述平面消色差反射阵天线在图5情况下的天线效率。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明进行详细说明，但本发明的保护范围并不仅限于下面实施例，应包括权利要求书中的全部内容。而且本领域技术人员从以下的实施例即可实现权利要求中的全部内容。

具体实现过程如下：

如图1所示，图1为超材料金属谐振单元结构示意图，每个金属谐振单元包含介质板以及在介质板正面印刷的含有非周期排列的金属环。在本发明中，所述金属谐振单元在不同的结构参数下对入射电磁波有不同的响应，可以通过选择适当的金属谐振单元结构使得该层超材料对电磁波具有宏观响应。本发明中，介质板可以选用陶瓷材料、高分子材料、铁磁材料、铁电材料、相变材料等。图1所示仅为示意图，实际中金属环可以为矩形金属环、圆形金属环或椭圆金属环中的一种或多种。

本发明中，利用上述超材料原理，通过优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布利用不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。

如图2所示，图2为本发明大口径平面消色差反射阵天线示意图。图2中，所述反射阵天线包括馈源1、多层超材料2和反射层3。本发明中，馈源1的开口端正对超材料中心。超材料可以将馈源发出的电磁波转化为平面电磁波辐射出去或将外界入射的平面电磁波聚焦到馈源处。

常规的反射阵天线相位的设计只针对一个中心频点，即只考虑在中心频率处的理想相位分布与金属谐振单元在该频率处的相位分布，因此所得到的反射阵天线的工作频段窄。本发明考虑了在所设计的工作带宽中的所有频率以及金属谐振单元在这些频率处的响应，利用优化算法得到了能够实现宽带消色差聚焦的最优排布。

为了深入理解大口径平面消色差反射阵天线的设计原理，下面将结合消色差原理和具体实施例来介绍本发明。

首先，介绍所述大口径平面消色差反射阵天线的消色差原理。如图3所示，理想的聚焦相位

分布为：

其中λ为波长，r为金属谐振单元距该层超材料中心的距离，f为馈源距所述多层超材料的距离，C为可调相位；改变C的值对整体的聚焦效果没有影响。基于这一原理，对于不同波长的电磁波，可以优化得到不同的C值，在此情况下虽然各波长的聚焦相位数值不同，但聚焦效果均为理想聚焦效果。本发明就基于这种消色差原理，通过改变金属谐振单元的结构，利用电磁仿真软件得到在不同结构下金属谐振单元的响应，通过大量计算建立金属谐振单元结构与其响应的数据库。再结合该数据库利用优化程序得到不同波长下的聚焦相位，从而实现在不同波长下的消色差聚焦效果。

实施例1

本实施例针对频率在11-14GHz设计了基于两层超材料的口径为1.2m的平面消色差反射阵天线的整体模型。采用喇叭天线作为馈源，辐射口径为1.2m×1.2m，喇叭口距超材料400mm。每层超材料的介质板厚度为1mm，介电常数为3.5，损耗正切为0.0018。金属谐振单元的周期p为5mm，金属环的宽度为w＝0.2mm，厚度为0.035mm。所采用的金属谐振单元为方形金属环，单个周期内的金属环数目为1或2个。位于底层超材料背面的反射层的厚度为d1＝0.2mm。对于单个周期内金属环数目为1的金属谐振单元，其金属环的宽度dx1取值范围为2.4mm≦dx1≦4.8mm，在实际电磁仿真中取值间隔为0.4mm，得到了49组不同的金属谐振单元结构以及对应的49组不同的电磁响应。对于单个周期内金属环数目为2的金属谐振单元，其外层金属环的宽度dx2取值范围为3mm≦dx2≦4.8mm，电磁仿真中取值间隔为0.45mm；内层金属环距外层金属环的距离s的取值范围为0.3mm≦s≦0.5mm，电磁仿真中取值间隔为0.1mm,因此得到了225组不同的金属谐振单元以及对应的225组不同的响应。在本实施例中，建立了数据量为274组的金属谐振单元以及对应的电磁响应的数据库，设计的平面消色差反射阵天线的超材料层中的金属谐振单元从该数据库中选取。

如图4所示，给出了单个周期内金属环数目为1的金属谐振单元当dx1＝3.6mm时在11-14GHz的结构反射率与对应的相位响应。从图4可以看出该结构在所设计的频段内有极高的反射率，这意味着该结构的能量利用率高，并且其相位响应在所设计的频段内存在连续的非线性变化，这意味着该结构能对入射电磁波产生有效的宽带调制。虽然该结构仅为274组数据库结构中的一种，但其余273种结构也具有与之类似的高反射率与宽带相位响应，即用于所述超材料的所有金属谐振单元都具有极高的能量利用率与宽带的相位调制能力。

图5所示为通过优化程序计算后所述超材料中心至边缘处需要满足的理想聚焦时的相位响应以及所述金属谐振单元提供的相位响应。图5中虽然只给出了在11GHz、12GHz、13GHz和14GHz时的相位分布，但由于金属谐振单元相位响应的连续性，在实际情况下的11-14GHz宽频范围内，金属谐振单元所提供的相位响应都贴近于理想情况，这意味着该超材料可以在宽带范围内实现消色差的聚焦。

为了更进一步说明所述平面消色差反射阵天线的消色差聚焦能力，使用电磁仿真软件对整体模型进行了仿真。图6给出了整体模型在图5情况下x-z面的电场分布。仿真中采用平面波垂直入射到所述超材料表面，从图6可以看出，反射电场会聚于距离超材料中心400mm处，即所述馈源处。图6中虽然只给出了在11GHz、12GHz、13GHz和14GHz时的电场，但由于金属谐振单元相位响应的连续性，在实际情况下的11-14GHz宽频范围内，反射电场都将聚焦于馈源处，实现了消色差聚焦的目的。

为了进一步说明所述平面消色差反射阵天线的天线效率，利用仿真软件对图5情况下的天线效率进行了仿真。所述的天线效率为所述平面消色差反射阵天线在不同频率时的聚焦强度与理想情况下在该频率的聚焦强度的比值。如图7所示，本发明在宽带范围内都具有较高的天线效率，其工作带宽比>20％。

以上设计过程、实施例及仿真结果很好地验证了本发明。

因此，上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的。本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种大口径平面消色差反射阵天线，其特征在于：包括馈源、位于馈源下方的N层超材料以及紧贴于第N层超材料层的反射层构成；其中，每层超材料层包括介质板以及非周期排布于介质板上的多种金属谐振单元；该类金属谐振单元在不同的结构参数下对入射电磁波有不同的响应，通过选择适当的金属谐振单元结构使得该层超材料对电磁波具有宏观响应；通过利用优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布结合不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦；

所述金属谐振单元为矩形金属环、圆形金属环或椭圆金属环中的一种或多种，环的宽度w的取值范围为0.1mm≦w≦1mm；

所述金属谐振单元为环形金属环，其在一个周期内的数目为一、二或三个，其周期p的取值为3mm≦p≦10mm；

针对频率在11-14GHz设计了基于两层超材料的口径为1.2m的平面消色差反射阵天线的整体模型，采用喇叭天线作为馈源，辐射口径为1.2m×1.2m，喇叭口距超材料400mm，每层超材料的介质板厚度为1mm，介电常数为3.5，损耗正切为0.0018，金属谐振单元的周期p为5mm，金属环的宽度为w=0.2mm，厚度为0.035mm，所采用的金属谐振单元为方形金属环，单个周期内的金属环数目为1或2个，位于底层超材料背面的反射层的厚度为d1=0.2mm，对于单个周期内金属环数目为1的金属谐振单元，其金属环的宽度dx1取值范围为2.4mm≦dx1≦4.8mm，在实际电磁仿真中取值间隔为0.4mm，得到了49组不同的金属谐振单元结构以及对应的49组不同的电磁响应，对于单个周期内金属环数目为2的金属谐振单元，其外层金属环的宽度dx2取值范围为3mm≦dx2≦4.8mm，电磁仿真中取值间隔为0.45mm；内层金属环距外层金属环的距离s的取值范围为0.3mm≦s≦0.5mm，电磁仿真中取值间隔为0.1mm，因此得到了225组不同的金属谐振单元以及对应的225组不同的响应，建立了数据量为274组的金属谐振单元以及对应的电磁响应的数据库，设计的平面消色差反射阵天线的超材料层中的金属谐振单元从该数据库中选取。

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