CN108963461A - 基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线，主要解决现有相位补偿误差大，辐射增益低，结构复杂，难以实现涡旋场反射面天线在凸型载体共形加载的问题。其包括载体(1)、主反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，载体采用凸面结构，主反射镜与载体共形，主反射镜为凸面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，该主相位调控层由多个均匀排布，且按螺旋状整体分布的主金属环微结构组成，用于产生涡旋电磁波，支撑结构用于固定馈源。本发明能实现凸面涡旋场反射面天线与凸面载体的共形加载,高效激发涡旋电磁波，同时降低天线相位补偿误差，简化结构，可用于通信和雷达。

Description

基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种涡旋场反射面天线，可用于成像和通信。

技术背景

涡旋电磁波由于其自身携带连续变化的角度信息，一个涡旋场天线就能实现对目标 的多角度照射，所以在SAR成像领域，能替代多个发射源对同一目标从不同角度进行探测，从而获得更高分辨率和更好信噪比的三维成像图，显著减少了系统的成本和复杂度，因此涡旋电磁波在SAR成像领域具有很高的潜在应用价值。另一方面，涡旋电磁波因其 不同模态之间具有良好正交性，能形成大量同频复用通道，应用于通信领域时能极大提 高频谱利用率和通信容量，可以满足日益增长的通信容量需求，因此成为人们研究的重 点。

在涡旋场天线的应用场景中，如何激发出具有良好定向性和高质量螺旋状相位分布 的涡旋电磁波是其中的关键环节。现有涡旋场天线的主反射面多采用传统凹形抛物面和 平面结构，难以在临近空间飞行器的凸形表面上实现共形加载，并完成对地观测。若把主反射面替换为传统凸形抛物面，则馈源发射出的所有电磁波经凸面镜反射后，反射波 传播方向远离馈源和凸面镜中心连线方向，无法在天线口径面上得到垂直于口径面传播 的电磁波，因此传统凸面镜不适合构建用于发射涡旋电磁波的涡旋场反射面天线主反射 面。

现有研究如中国专利，申请公布号为CN 105870604A，名称为“一种基于相位梯度超表面产生微波轨道角动量的阵列天线”的发明，公开了一种涡旋场天线，该阵列天线 由多个相移单元组成，该相移单元由介质板，金属环和金属管组成，该阵列天线通过将 所有相移单元按45°角划分为八个部分，利用各部分之间的馈电相位差产生涡旋电磁 波。这种天线虽在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但其存在诸多不足之处：第一， 该阵列天线为平面结构，无法在空间飞行器等凸型表面上加载；第二，该阵列天线的相 移单元只划分为八个部分，相邻部分之间相位梯度大，无法产生高质量螺旋相位分布的 涡旋电磁波；第三，该阵列天线相移单元结构复杂，加工精度要求高，不易于生产加工。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的凸面共形涡 旋场反射面天线，以减小相位补偿误差，简化天线结构，实现在凸型表面上共形加载。

为实现上述目的，本发明基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线包括：

载体1、主反射镜2、馈源3和支撑结构4，主反射镜2与载体1共形,馈源3采用 角锥喇叭天线，支撑结构4由四根硬质塑料棍组成，用于固定馈源3。

所述载体1采用凸面结构；

所述主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构，包括主 介质层21、主反射层22和主相位调控层23，该主相位调控层23由m×n个均匀排布 的主金属环微结构231组成，且每个主金属环微结构231的相位补偿数值不同，所有主 金属环微结构231按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。

作为优选，所述载体1采用的凸面结构为凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程，中心厚 度大于边缘厚度。

作为优选，所述主介质层21为凸面结构，主相位调控层23印制在主介质层21的上表面，主反射层22印制在主介质层21的下表面；

作为优选，所述主金属环微结构231按螺旋状整体分布，每个主金属环微结构231的尺寸由其所在位置入射电磁波相对于主反射镜2入射角θ_i和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定，所有主金属环微结构231，从中心到边缘的相位梯度逐渐变大。

作为优选，所述馈源3采用角锥喇叭天线

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明天线的主反射面采用凸面镜，并通过在凸面主反射镜上引入基于广义斯涅尔定律构建的相位突变超表面结构，可实现与凸型载体共形加载。

2.本发明天线在主反射镜相位调控层上设置了足够多的主金属环微结构，且考虑了 不同位置处主金属环微结构对应入射角的变化，能提高相位补偿的精度。

3.本发明天线的主反射镜由介质层、印制在介质层一个侧面的反射层和另一个侧面的相位调控层组成，具有结构简单，易于加工，成本低的特点。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的主反射镜结构示意图；

图3是本发明实施例在20GHz频率上的二维辐射方向图；

图4是本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz的S11仿真图；

图5是本发明实施例在20GHz频率时，电场分别在375mm，750mm，1500mm，3000mm 时xoy平面的截面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明包括载体1、主反射镜2、馈源3和支撑结构4。载体1位于天线 整体结构的最下方，主反射镜2共形镶嵌在载体1的上表面，载体1采用凸面结构，馈 源3采用角锥喇叭天线，分为波导部分和张角部分，波导部分为标准WR51波导，位于 张角部分的上方，张角部分最下端开口面正对主反射镜2，支撑结构4用于固定馈源3。

所述载体1采用的凸面结构为凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向 从中心到两侧边缘向下弯曲，为具体描述载体1凸型结构所遵循的抛物面方程，以主反射镜2上表面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，x轴沿柱面弯曲方向，y轴沿柱面母 线方向，z轴与x轴和y轴垂直，载体1沿x轴从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度 遵从开口向下的抛物面方程：z＝-(1/600)*x*x，中心厚度大于边缘厚度。

所述主反射镜2和馈源3设置为正馈方式，即主反射镜2和馈源3的中心点在同一条直线上。

所述馈源3的相位中心位于张角部分最下端开口面中心，该相位中心与主反射镜2的焦点重合，其坐标为(0，0，114.92mm)。根据标准WR51波导的尺寸数值，得到馈 源3波导部分沿坐标x的变化区间为[-7.495mm,7.495mm]，沿坐标y的变化区间为[- 4.255mm,4.255mm]，沿坐标z的变化区间为[153.02mm,163.02mm]。根据角锥喇叭天线 的具体数值，得到张角部分沿坐标x的变化区间为[-11.43mm,11.43mm]，沿坐标y的变 化区间为[-8.89mm,8.89mm]，沿坐标z的变化区间为[114.92mm，153.02mm]。

所述支撑结构4由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面2和馈源3张角部分最下端开口面的同侧端点，本实例设但不限于每根塑料棍的长度均为 179.23mm。

参照图2，所述主反射镜2，为凸面结构，包括主介质层21、主反射层22和主相位 调控层23，主相位调控层23印制在主介质层21的上表面，主反射层22印制在主介质 层21的下表面。

该主介质层21为凸状抛物面柱形结构，介质的厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1，本实例设但不限于主介质层21沿x轴的长度为222.40mm，沿y轴的 长度为225mm，这个尺寸的设置主要是考虑到整体主反射镜2在具有足够电尺寸时，才 能在设计频率20GHz下获得较好的波前校准效果。主介质层21沿坐标x的变化区间为 [-111.2mm，111.2mm]，沿坐标y的变化区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z的变化 区间为[-27.00mm，0mm]。

该主反射层22由凸状抛物面柱形金属板组成，镶嵌于主介质层21的下表面，由于主反射层22的尺寸数值不能大于主介质层21的尺寸，根据主介质层21的坐标数值变 化区间，主反射层22的中心坐标为(0，0，-0.5mm)，沿坐标x的变化区间为[-111.2mm， 111.2mm]，沿坐标y的变化区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z的变化区间为[- 27.00mm，-0.5mm]。

根据主介质层21的尺寸和在主相位调控层23内排布更多主金属环微结构231的原则，本实例设但不限于主相位调控层23由3900个均匀排布在主介质层21上表面的主 金属环微结构231组成，用于产生涡旋电磁波。主金属环微结构231为正方形金属环， 主金属环微结构231沿坐标x的变化区间为[-109.83mm，109.83mm]，沿坐标y的变化 区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z的变化区间为[-27.00mm，0mm]，相邻主金属环 微结构231的中心在x方向间距为3.75mm,在y方向间距为3.75mm。每个主金属环微结 构231的边长L₁和线宽w₁由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜2的入射角θ_i和 相位补偿数值Φ(x,y,z)决定，每个主金属环微结构231的所在位置相位补偿数值Φ(x,y,z) 计算如下：

其中dΦ＝k(sinθ_i-sinθ_r)dr表示Φ₁(x,y,z)对r的导数，其中θ_i为入射电磁 波相对于主反射镜2的入射角，θ_r为反射电磁波相对于主反射镜2的反射角，k＝24° /mm为20GHz电磁波传播常数，f＝114.92mm为主反射镜2的焦距，M为电磁涡旋的模 态值，θ为涡旋角度，Φ₀为任意常数相位值。

根据计算不同位置坐标处主金属环微结构231所需满足的相位补偿数值Φ(x,y,z)确定 出每个主金属环微结构231所满足的结构参数，这些参数包括：入射角θ_i的变化区间为 [0°，45.63°],相位补偿数值Φ(x,y,z)变化区间为[-180°,180°],边长L₁变化区间为[1.12mm，3.5mm],线宽w₁变化区间为[0.1mm,0.55mm]，所有主金属环微结构231按螺旋 状整体分布，且从中心到边缘的相位梯度逐渐变大。

以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1.仿真条件和内容：

电磁仿真软件CST 2017。

仿真1，对本发明实施例在20.0GHz频率下的远场辐射方向图进行全波仿真，其结果如图3所示，其中：图3(a)是本实施例在E面远场辐射方向图，图3(b)是本实 施例在H面远场辐射方向图。

从图3(a)可见，本发明实施例在E面的两个主波束辐射方向的角度为-4°和4°， 其中-4°主波束的增益为22.64dBi，4°主波束的增益为20.64dBi，说明本发明在E面 能够得到较大的增益。

从图3(b)可见，本发明实施例在H面两个主波束的辐射方向的角度为-4°和4°， 其中-4°主波束的增益为22.11dBi，4°主波束的增益为19.95dBi，说明本发明在H面 能够得到较大的增益。

仿真2，对本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz频率下的S11性能进行全波仿真，其结果如图4所示。

从图4可见，本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz频段上S11全部低于-10dB，说明本发明实施例具有良好的匹配特性。

仿真3，对本发明实施例在20GHz频率下电磁波传播方向切平面的电场分布进行全波仿真，其结果如图5所示。

图5展示了距离天线分别为375mm、750mm、1500mm、3000mm时，边长为375mm 正方形观测面内的电场分布，从图5中可以看出，距离天线375mm和750mm时，观测 面位于天线的近场区，电场分布开始出现螺旋结构，当距离天线1500mm和3000mm时， 观测面位于天线的远场区，电场分布的螺旋结构更加明显，符合电场分布旋转一周相位 数值变化360°，对角方向相位数值相反的结论。

综上，本发明用于发射涡旋电磁波，可降低天线的相位补偿误差，简化天线结构，同时可共形加载于凸型表面，适用于通信、成像等领域。

Claims (5)

1.一种基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线，包括载体(1)、主反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，主反射镜(2)与载体(1)共形,馈源(3)采用角锥喇叭天线，支撑结构(4)由四根硬质塑料棍组成，用于固定馈源(3)；其特征在于：

所述载体(1)采用凸面结构；

所述主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构，其包括主介质层(21)、主反射层(22)和主相位调控层(23)，该主相位调控层(23)由m×n个均匀排布的主金属环微结构(231)组成，且每个副金属环微结构的散射参数相位不同，所有主金属环微结构(231)按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：载体(1)采用的凸面结构为凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程，中心厚度大于边缘厚度。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述主介质层(21)为凸面结构，主相位调控层(23)印制在主介质层(21)的上表面，主反射层(22)印制在主介质层(21)的下表面。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述主金属环微结构(231)按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，每个主金属环微结构(231)的尺寸由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角θ_i和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定；

每个主金属环微结构(231)的所在位置相位补偿数值Φ(x,y,z)计算如下：

其中dΦ＝k(sinθ_i-sinθ_r)dr表示Φ(x,y,z)对r的导数，θ_i为入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角，θ_r为反射电磁波相对于主反射镜(2)的反射角，k为电磁波传播常数，f为主反射镜(2)焦距，M表示电磁涡旋的模态值，θ为涡旋角度，Φ₀为任意常数相位值；

所有主金属环微结构(231)，从中心到边缘的相位梯度逐渐变大。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈源(3)为角锥喇叭天线，分为波导部分和张角部分，且波导部分位于张角部分的上方，张角部分最下端开口面正对主反射镜(2)；馈源(3)的相位中心位于张角部分最下端开口面中心，该相位中心与主反射镜(2)的焦点重合。