CN109698407B - 一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，用于解决现有技术中涡旋场覆盖面积小的技术问题。包括透镜、馈源、反射面和支撑结构，透镜为中心镂空结构，包括K个依次层叠的第一介质板，奇数层第一介质板面向反射面一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面一面印制有由均匀排布的金属贴片组成的第一贴片阵列，偶数层第一介质板面向反射面一面印制有由均匀排布的正十字形金属贴片组成的第二贴片阵列，反射面包括第二介质板，一侧印制均匀排布的金属环贴片，另一侧印制金属地。通过支撑结构将反射面固定在透镜焦点的一侧。通过将第一贴片阵列划分为多个矩形区域，且相邻矩形区域附加相位相差180度，得到四个不同方向的涡旋场。

Description

一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种涡旋场超表面透镜天线，具体涉及一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，可用于通信和雷达领域。

技术背景

涡旋场是携带有螺旋等相位面的电磁波波束。涡旋电磁波由于其具有良好的正交性，可形成大量同频复用通道，极大的提高了频谱利用率和通信容量。

目前，涡旋电磁波的产生主要是通过阵列天线和螺旋相位板两种装置实现的。其中阵列天线是将辐射单元按圆周排布，每个辐射单元外接不同的馈电网络，通过控制馈电网络改变辐射单元的初始相位，从而能够产生单波束或者多波束涡旋场，但是其需要复杂的馈电网络来保证不同辐射单元间的相位关系，结构复杂。螺旋相位板是一种透镜天线，通过改变相位板的厚度，实现相位螺旋分布，简化了天线结构，但是其损耗大，降低了天线增益。

未来通信更需要一种覆盖范围广，结构简单的天线装置来产生涡旋电磁波。超表面是一种新型人工合成的电磁材料，是由非金属材料制成的基板和印制在基板表面上或嵌入基板内部的多个人造微结构所构成。通过调控超表面的表面相位可以产生涡旋场，简化天线结构。利用超表面可以构造反射面天线和透镜天线，其中反射面天线增益高，但是体积大不适用于航天领域，在卫星通信中更需要透镜天线来代替反射面天线产生涡旋电磁场。如申请公布号CN108110430A，名称为“基于频率选择表面的同极化涡旋波束平面透镜”的专利申请，公开了一种基于频率选择表面的同极化涡旋波束平面透镜，包括阵列式排布的M×N个频率选择表面单元，并划分为n个区域，同一区域的单元相位相同，n个区域的相位依次递增或递减，该发明的结构简单，但其只能产生一个涡旋波束，覆盖面积小。

除此之外通信系统还需要减少馈线长度，卡塞格伦是一种双镜天线系统，是在抛物面天线的基础上增加双曲面做为副镜，电磁波经过副镜反射后，可以使得电磁波均匀分布在主镜口面上，相比单镜天线，能够明显缩短馈线长度。如申请公布号CN103036065A，名称为“一种卡塞格伦型超材料天线”的专利申请，公开了一种卡塞格伦型超材料天线，包括馈源、设置在馈源前方的反射元件和设置在馈源后方的汇聚超材料板，在汇聚超材料板中加入核心层，通过改变核心层形状，实现波束汇聚，该发明减少馈线长度，但其不能产生涡旋场且只能产生单波束，不能适应波束覆盖范围要求高的通信领域。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述现有技术的不足，提出一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，用于解决现有技术中存在的涡旋场覆盖面积小的技术问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

包括透镜1、馈源2、反射面3和支撑结构4；所述透镜1采用中心镂空的超表面结构，所述反射面3通过支撑结构4固定在超表面结构焦点的一侧，所述超表面结构包括K个沿y轴依次层叠的第一介质板11，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板11面向反射面3的一面和最后一个偶数层第一介质板11背离反射面3的一面，分别印制有由M×N个均匀排布的金属贴片111组成的第一贴片阵列，偶数层第一介质板11面向反射面3的一面印制有由M×N个均匀排布的正十字形金属贴片112组成的第二贴片阵列，M≥8，N≥8；所述馈源2采用角锥喇叭天线结构；所述反射面3采用超表面结构，包括第二介质板31，其面向透镜1的一侧印制有p×q个均匀排布的金属环贴片311，另一个侧面印制金属地312，p≥2，q≥2；所述支撑结构4采用非金属材料；所述馈源2固定在透镜1与反射面3之间的空间位置，该馈源2的相位中心与反射面3的焦点重合，波导部分位于超表面结构的镂空位置；其特征在于：

所述第一贴片阵列被划分为m×n个矩形区域，且相邻矩形区域附加相位相差180度，每个矩形区域包含的金属贴片111的数量为i×j个，m≥4，n≥4，i≥2，j≥2，m×n×i×j＝M×N；所述金属贴片111、正十字形金属贴片112和金属环贴片311的尺寸由各自所在位置的电磁波入射角和相位补偿值确定。

进一步，所述馈源2，其相位中心位于张角部分的开口面中心。

进一步，所述透镜1，其焦点位于该透镜1的中心法线上，所述反射面3，其焦点位于该反射面3的中心法线上，且透镜1的中心法线与反射面3的中心法线重合。

进一步，所述金属贴片111、正十字形金属贴片112和金属环贴片311，其相位补偿值的计算公式分别为：

金属贴片111和正十字形金属贴片112的相位补偿值Φ₁(x₁,y₁,z₁)的计算公式为：

金属环贴片311的相位补偿数值Φ₂(x₂,y₂,z₂)计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为金属贴片中心坐标，相应位置上金属贴片111和正十字形金属贴片112只在y方向上坐标有区别，x₂,y₂,z₂为金属环贴片坐标，f_1x,f_1y,f_1z为透镜的焦点坐标，f_2x,f_2y,f_2z为馈源相位中心坐标，l表示电磁涡旋的模态值，θ为涡旋角度,

为附加相位。

进一步，所述金属贴片111，采用矩形贴片结构，其中心与相应位置上的正十字形金属贴片112的中心位于同一法线上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明采用透镜形式，通过将第一贴片阵列划分为m×n个矩形区域，且相邻矩形区域附加相位相差180度的方法，精确计算每个电磁超表面透镜单元所需的补偿相位，能够将馈源产生的球面波转换成四个不同方向辐射的涡旋波束，有效扩大了天线的覆盖面积,同时采用卡塞格伦天线形式，实现馈线长度的缩减。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的透镜结构示意图；

图3是本发明的反射面结构示意图；

图4是本发明第一贴片阵列划分区域和附加相位示意图；

图5(a)是本发明金属贴片的结构示意图；

图5(b)是本发明正十字形金属贴片的结构示意图；

图6是本发明实施例在15GHz频率上辐射方向图；

图7是本发明实施例四波束相位分布图；

图8(a)是本发明实施例在phi＝45度方向上的二维方向图；

图8(b)是本发明实施例在phi＝135度方向上的二维方向图。

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，本实例包括但不限于以下实施例。

参照图1，本发明包括透镜1、馈源2、反射面3和支撑结构4。

参照图2，所述透镜1采用中心镂空的超表面结构，镂空位置安装馈源2波导部分，以透镜1上表面中心镂空处为坐标原点，建立笛卡尔坐标系，y轴垂直透镜1。所述反射面3通过支撑结构4固定在透镜1焦点的一侧，所述超表面结构包括6个沿y轴依次层叠的第一介质板11，介质板11采用厚度为0.5mm、相对介电常数为4.4、相对磁导率为1的材料，介质板11的边长为200mm，沿坐标x的变化区间为[-100mm,100mm],沿坐标z的变化区间为[-100mm,100mm],沿坐标y的变化区间为[-3mm,0mm]。其中奇数层第一介质板11面向反射面3的一面和最后一个偶数层第一介质板11背离反射面3的一面，分别印制有由40×40个均匀排布的金属贴片111组成的第一贴片阵列，偶数层第一介质板11面向反射面3的一面印制有由40×40个均匀排布的正十字形金属贴片112组成的第二贴片阵列。参照图4，将第一贴片阵列划分为10×10个矩形区域，且相邻矩形区域附加相位相差180度，每个矩形区域包含的金属贴片111的数量为4×4个。参照图5，其中金属贴片111结构为一条边长为L₁，另一条边长为L₂的矩形贴片，正十字形金属贴片112结构为两条臂长为W，臂宽为Wf的矩形，拼接而成的正十字形金属贴片，本实施取但不限于L₁范围为[0.1mm，4.5mm]，L₂范围为[0.1mm，4.5mm]，W范围为[2.5mm，5mm]，Wf范围为[0.1mm，2mm]。每个金属贴片111和正十字形金属贴片112的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和相位补偿值Φ₁(x₁,y₁,z₁)决定，每个金属贴片111和正十字形金属贴片112的所在位置相位补偿值Φ₁(x₁,y₁,z₁)计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为金属贴片中心坐标，本实施例相应位置上金属贴片111和正十字形金属贴片112只在y方向上坐标有区别，f_1x,f_1y,f_1z为透镜1的焦点坐标为(0mm,0mm,119.2mm)，l表示电磁涡旋的模态值为1，θ为涡旋角度,

为附加相位。

所述馈源2采用角锥喇叭天线，分为波导部分和张角部分，因为本实施例需要15GHz入射波，所以波导部分采用标准WR62波导，张角部分开口面正对反射面3，为了便于计算，设置喇叭天线相位中心位于张角部分的开口面中心，坐标为(0mm,50.8mm,0mm),波导部分沿坐标x的变化区间为[-7.9mm,7.9mm]，沿坐标z的变化区间为[-3.95mm,3.95mm]，沿坐标y的变化区间为[-16.93mm,0mm]。馈源2采用正馈方式，即透镜1、馈源2和反射面3的中心点在同一条直线上。

参照图3所述反射面3采用平面正方形超表面结构，包括第二介质板31，该介质板采用厚度为0.5mm、相对介电常数为4.4、相对磁导率为1的材料，第二介质板边长为60mm，沿坐标x的变化区间为[-30mm,30mm],沿坐标z的变化区间为[-30mm,30mm],沿坐标y的变化区间为[83.42mm,83.92mm]。其面向透镜1的一侧印制有12×12个均匀排布的金属环贴片311，另一个侧面印制金属地312。每个金属环贴片311为正方形金属环，相邻金属环中心间隔5mm，其结构为一条边长为K₁，另一条边长为K₂且中间宽度为ω的矩形环结构，本实施取但不限于K₁范围为[1mm，4.5mm]，K₂范围为[1mm，4.5mm]，ω范围为[0.1mm，0.6mm]，每个金属环贴片311的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和相位补偿值Φ₂(x₂,y₂,z₂)决定，每个金属环贴片311的所在位置相位补偿值Φ₂(x₂,y₂,z₂)计算公式为：

其中，k为自由空间中的波数，x₂,y₂,z₂为矩形金属环231坐标，f_1x,f_1y,f_1z为透镜1的焦点坐标为(0mm,0mm,119.2mm)，f_2x,f_2y,f_2z为馈源3相位中心坐标为(0mm,0mm,50.8mm)。

为了防止天线发生反射，所述支撑结构4采用非金属材料，本发明实施例采用四根硬质塑料棍，每根塑料棍分别连接透镜1和反射面3，用于固定透镜1和反射面3

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。

仿真条件和内容：

电磁仿真软件CST2017。

对本发明实施例在15.0GHz频率下的远场辐射方向图进行全波仿真，其结果如图6至图8所示，其中：图6是本实施例在15GHz频率上辐射方向图，其中灰度值大的地方代表增益大，可以看出有四个不同方向的涡旋电磁波束；图7是本发明实施例四波束相位分布图，可以看出四个波束都有螺旋相位面，形成了四个涡旋电磁波束；图8(a)是本发明实施例在phi＝45度的方向上二维方向图；图8(b)是本发明实施例在phi＝135度的方向上二维方向图。

综上，本发明实施例产生了四个涡旋场波束，适用于通信等领域。

Claims (5)

1.一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，包括透镜(1)、馈源(2)、反射面(3)和支撑结构(4)；所述透镜(1)采用中心镂空的超表面结构，所述反射面(3)通过支撑结构(4)固定在超表面结构焦点的一侧，所述超表面结构包括K个沿y轴依次层叠的第一介质板(11)，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板(11)面向反射面(3)的一面和最后一个偶数层第一介质板(11)背离反射面(3)的一面，分别印制有由M×N个均匀排布的金属贴片(111)组成的第一贴片阵列，偶数层第一介质板(11)面向反射面(3)的一面印制有由M×N个均匀排布的正十字形金属贴片(112)组成的第二贴片阵列，M≥8，N≥8；所述馈源(2)采用角锥喇叭天线结构；所述反射面(3)采用超表面结构，包括第二介质板(31)，其面向透镜(1)的一侧印制有p×q个均匀排布的金属环贴片(311)，另一个侧面印制金属地(312)，p≥2，q≥2；所述支撑结构(4)采用非金属材料；所述馈源(2)固定在透镜(1)与反射面(3)之间的空间位置，该馈源(2)的相位中心与反射面(3)的焦点重合，其波导部分位于透镜超表面结构的镂空位置；其特征在于：所述第一贴片阵列被划分为m×n个矩形区域，且相邻矩形区域附加相位相差180度，每个矩形区域包含的金属贴片(111)的数量为i×j个，m≥4，n≥4，i≥2，j≥2，m×n×i×j＝M×N；所述金属贴片(111)、正十字形金属贴片(112)和金属环贴片(311)的尺寸由各自所在位置的电磁波入射角和相位补偿值确定。

2.根据权利要求1所述的一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，其特征在于：所述馈源(2)，其相位中心位于张角部分的开口面中心。

3.根据权利要求1所述的一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，其特征在于：所述透镜(1)，其焦点位于该透镜(1)的中心法线上，所述反射面(3)，其焦点位于该反射面(3)的中心法线上，且透镜(1)的中心法线与反射面(3)的中心法线重合。

4.根据权利要求1所述的基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，其特征在于：所述金属贴片(111)、正十字形金属贴片(112)和金属环贴片(311)，其相位补偿值的计算公式分别为：

金属贴片(111)和正十字形金属贴片(112)的相位补偿值Φ₁(x₁,y₁,z₁)的计算公式为：

金属环贴片(311)的相位补偿数值Φ₂(x₂,y₂,z₂)计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为金属贴片中心坐标，x₂,y₂,z₂为金属环贴片坐标，f_1x,f_1y,f_1z为透镜的焦点坐标，f_2x,f_2y,f_2z为馈源相位中心坐标，l表示电磁涡旋的模态值，θ为涡旋角度,

为附加相位。

5.根据权利要求1所述的基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线，其特征在于：所述金属贴片(111)，其中心与相应位置上的正十字形金属贴片(112)的中心位于同一法线上。

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