CN109841961B - 基于超表面的多波束双镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于超表面的多波束双镜天线，能够同时实现极化选择和多波束辐射的特性，并简化天线的结构；包括主反射镜、馈源、副反射镜和支撑结构；所述主反射镜采用中心镂空的由极化转换超表面单元组成平面阵结构，该极化转换超表面单元包括第一介质基板、印制在第一介质基板一个侧面的双开口环形金属贴片和另一个侧面的金属地板；所述副反射镜采用由极化选择超表面单元组成平面阵结构，该极化选择超表面单元包括第二介质基板、印制在第二介质基板一个侧面的单开口环形金属贴片和另一个侧面的金属栅条；通过将主反射镜划分为多个矩形区域，且相邻矩形区域附加相位相差180度，得到多个不同方向的辐射波束。

Description

基于超表面的多波束双镜天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种双镜天线，具体涉及一种基于超表面的多波束双镜天线，适用于卡塞格伦、格林高利等各种双镜天线，可用于通信和雷达领域。

技术背景

多波束天线是指能够从一个天线口径上产生两个或多个波束的天线系统。双镜天线，作为一种具有较高的辐射效率高和辐射增益，已经被广泛应用于多波束天线的设计。双镜天线主要是由中心镂空的主反射镜、馈源、副反射镜以及支撑结构组成，副反射镜的作用在于实现波束发散，主反射镜的作用在于实现波束的高增益辐射。多波束双镜天线主要是在主反射镜的中心位置放置多个馈源来形成多馈源结构以产生多波束，其存在的缺陷是：对于这种双反射镜的天线系统，从结构和辐射路径来看，在设计上虽然要求副反射镜尽可能的小于主反射镜，但又要求副反射镜的辐射面大于馈源的辐射口，两种之间的矛盾关系造成副反射镜的体积难以缩小，因此副反射镜将会遮挡主反射镜的辐射面，必然会对天线的辐射性能产生影响，这将使得多波束性能恶化较快。

为解决双镜天线因为副反射镜的遮挡对辐射性能的影响，一种侧馈偏置的双镜天线被提出，通过对主反射镜和副反射镜进行调整，并将馈源置于偏离天线波束某一特定位置的天线结构。该结构不仅降低了副反射镜的遮挡，还减小了反射波束对馈源的影响。2018年，丁伟等在名为“一种星载Ka频段侧馈偏置卡塞格伦多波束天线设计”的期刊中，提出了一种多波束双镜天线，通过由多个馈源组成的馈源阵进行馈电，实现了多波束辐射，并且采用侧馈偏置结构避免了副反射镜的遮挡，但其存在的缺陷是：主反射镜和副反射镜均由曲面结构，加工难度大，成本较高，另外需要采用多个馈源组成的阵列实现多波束辐射，结构复杂。

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多波束双镜天线，能够同时实现极化选择和多波束辐射的特性，并简化天线的结构。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

包括平行设置的主反射镜1和副反射镜3，该两个反射镜通过支撑结构2固定；所述主反射镜1的中心镂空；所述副反射镜3的焦点位于主反射镜1的中心法线上；所述主反射镜1中心镂空的位置固定有馈源4，该馈源4的相位中心与副反射镜3的焦点重合；

所述主反射镜1，由M×N个均匀排布的极化转换超表面单元11组成平面阵结构形成，M≥8，N≥8；所述极化转换超表面单元11，包括第一介质基板111、印制在第一介质基板111一个侧面的双开口环形金属贴片112和另一个侧面的金属地板113，每个双开口环形金属贴片112的尺寸是通过其所在位置的电磁波入射角和相位补偿值确定；

所述主反射镜1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极化转换超表面单元11的数量为i×j个，m≥4，n≥4，i≥2，j≥2，m×n×i×j＝M×N；

所述副反射镜3，采用由P×Q个均匀排布的极化选择超表面单元31组成的平面阵结构，P≤M，Q≤N；所述极化选择超表面单元31，包括第二介质基板311、印制在第二介质基板311一个侧面的单开口环形金属贴片312和另一侧面的金属栅条313，每个单开口环形金属贴片312的尺寸是通过其所在位置的电磁波入射角和相位补偿值确定；

所述极化转换超表面单元11中双开口环形金属贴片112所在的一面与所述极化选择超表面单元31中单开口环形金属贴片312所在的一面相对。

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述双开口环形金属贴片112，包括第一方形环金属贴片1122和嵌套在其内的第二方形环金属贴片1121，该两个方形环金属贴片的一对对角上设置有开口，另一对对角通过矩形金属条1123连接。

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述单开口环形金属贴片312，采用单开口方环形金属贴片结构，且开口位于与金属栅条313垂直的所在边的中心位置。

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述双开口环形金属贴片112，其几何中心位于所在第一介质基板111板面的中心位置；所述单开口环形金属贴片312，其几何中心位于所在第二介质基板311板面的中心位置；

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述支撑结构2，采用非金属材料；

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述馈源4，采用矩形喇叭天线结构；

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述双开口环形金属贴片112，其相位补偿值的计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为双开口环形金属贴片112的中心坐标，f_1x,f_1y,f_1z为主反射镜1的焦点坐标，

为附加相位，用于实现多波束辐射；

上述基于超表面的多波束双镜天线，所述单开口环形金属贴片312，其相位补偿值的计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为双开口环形金属贴片112的中心坐标，x₂,y₂,z₂为单开口环形金属贴片312的坐标，f_1x,f_1y,f_1z为主反射镜1的焦点坐标，f_2x,f_2y,f_2z为馈源2相位中心坐标。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明通过调整副反射镜每个超表面单元的单开口环形金属贴片的相位补偿实现波束发散，使电场与栅条垂直的电磁波均匀入射至主反射镜并转换为电场与栅条垂直的电磁波，同时通过每个超表面单元的金属栅条实现极化选择，使电场与栅条垂直的电磁波完全透射，避免了副反射镜对辐射波束的遮挡，与现有技术相比，兼顾了波束发散和极化选择特性。

2.本发明的主反射镜与副反射镜均采用平面超表面结构，并通过调整主反射镜上每个双开口环形金属贴片的相位补偿的附加相位，使双镜天线实现多波束辐射，与现有采用曲面双镜结构和多馈源实现多波束辐射的技术相比，在保证多波束高增益辐射的前提下，简化了天线结构，有效地降低了天线的加工成本。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的极化转换超表面单元结构示意图；

图3是本发明的极化选择超表面单元结构示意图；

图4是本发明主反射镜附加相位

分布示意图；

图5是本发明实施例1的反射系数示意图；

图6是本发明实施例1在15GHz频率上3D辐射方向图；

图7是本发明实施例1在phi＝16度方向上的二维方向图；

图8是本发明实施例1在phi＝-16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。

实施例1，本实施例为副反射镜3位于主反射镜1和主反射镜1的焦点之间的卡塞格伦双镜天线。

参照图1，包括平行设置的主反射镜1和副反射镜3，该两个反射镜通过支撑结构2固定；所述主反射镜1的中心镂空；所述副反射镜3的焦点位于主反射镜1的中心法线上；所述主反射镜1中心镂空的位置固定有馈源4，该馈源4的相位中心与副反射镜3的焦点重合；

所述主反射镜1，由30×30个均匀排布的极化转换超表面单元11组成平面阵结构形成；该主反射镜1的目的在于实现一种极化波到另一种极化波的转换，同时通过调节每个双开口环形金属贴片112的尺寸实现波束校准，提高天线增益；

所述副反射镜3，采用由22×22个均匀排布的极化选择超表面单元31组成的平面阵结构；该副反射镜3能够反射电场与金属栅条313平行的极化波并且透射电场与金属栅条313垂直的极化波，同时通过调节每个单开口环形金属贴片312的尺寸实现波束发散，使波束均匀入射至主反射镜1；

所述极化转换超表面单元11中双开口环形金属贴片112所在的一面与所述极化选择超表面单元31中单开口环形金属贴片312所在的一面相对；

所述支撑结构2，采用非金属材料；所述馈源4，采用矩形喇叭天线结构；

参照图2，所述极化转换超表面单元11，包括第一介质基板111、印制在第一介质基板111一个侧面的双开口环形金属贴片112和另一个侧面的金属地板113；所述双开口环形金属贴片112，包括第一方形环金属贴片1122和嵌套在其内的第二方形环金属贴片1121，该两个方形环金属贴片的一对对角上设置有开口，另一对对角通过矩形金属条1123连接；所述双开口环形金属贴片112，其几何中心位于所在第一介质基板111板面的中心位置；该极化转换超表面单元11的尺寸如下：a₁＝6mm，t₁＝3mm，w₁＝0.3mm，

所述主反射镜1的相位补偿依赖于每个双开口环形金属贴片112的旋转角度和尺寸d的变化，由双开口环形金属贴片112所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，本实施例取但不限于d的范围为[1.5mm，5.0mm]，其中旋转角度的取值为45°时散射参数相位变化为[0°，180°]，旋转角度的取值为-45°时散射参数相位变化为[-180°，0°]；每个双开口环形金属贴片112，其相位补偿值的计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为双开口环形金属贴片112中心坐标，f_1x,f_1y,f_1z为透镜1的焦点坐标为(0mm,0mm,144mm)。参照图4，将主反射镜1划分为5×5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双开口环形金属贴片112的数量为6×6个。

参照图3，所述极化选择超表面单元31，包括第二介质基板311、印制在第二介质基板311一个侧面的单开口环形金属贴片312和另一侧面的金属栅条313；所述单开口环形金属贴片312，采用单开口方环形金属贴片结构，且开口位于与金属栅条313垂直的所在边的中心位置；所述单开口环形金属贴片312，其几何中心位于所在第二介质基板311板面的中心位置；该极化选择超表面单元31的尺寸如下：b₁＝4mm，t₂＝1mm，c₁＝3.5mm，w₂＝0.2mm。所述副反射镜3的相位补偿依赖于每个单开口环形金属贴片312的尺寸c₂的变化，由单开口环形金属贴片312所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，本实施例取但不限于c₂的范围为[1mm，3.9mm]。每个单开口环形金属贴片312，其相位补偿值的计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₂,y₂,z₂为单开口环形金属贴片312的坐标，f_1x,f_1y,f_1z为主反射镜1的焦点坐标(0mm,0mm,144mm)，f_2x,f_2y,f_2z为馈源2相位中心坐标(0mm,0mm,0mm)。

本发明的工作原理是：由馈源发射出的电场与金属栅条平行的电磁波经过具有极化选择功能的副反射镜会产生全反射，同时调节单开口金属环贴片的相位补偿实现波束发散使波束均匀入射至主反射镜，反向后经过具有极化扭转功能的主反射镜，将电场与金属栅条平行的电磁波扭转90°后成为电场与金属栅条垂直的电磁波，同时通过调节每个环形金属贴片的相位补偿以及附加相位实现多波束辐射，然后使电磁波再次经过副反射镜后全透射出去，最终将能量几乎全部辐射到空间，这就从理论上大大降低了副反射镜的遮挡。

实施例2，本实施例的结构与实施例1相同，仅将副反射镜3的位置调整至主反射镜1的焦点之外，并将单开口环形金属贴片312的相位补偿值的计算公式调整为：

其中k为自由空间中的波数，x₂,y₂,z₂为单开口环形金属贴片312的坐标，f_1x,f_1y,f_1z为主反射镜1的焦点坐标(0mm,0mm,60mm)，f_2x,f_2y,f_2z为馈源2相位中心坐标(0mm,0mm,0mm)。

以下结合仿真实验结果，对本发明双镜天线的辐射性能进行描述。

1.仿真条件：

使用商业仿真软件CST Microwave Studio对本发明实施例1进行。

2.仿真内容：

仿真1，对本发明实施例1在14.0GHz～16.0GHz的S11参数进行仿真，其结果如图5所示；

仿真2，对本发明实施例1在15.0GHz频率下的3D辐射方向图进行了仿真，其结果如图6所示；

仿真3，对本发明实施例1在15.0GHz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真，其结果如图7和图8所示；

3.仿真结果

参照图5，本发明实施例1的多波束双镜天线在14.0GHz～16.0GHz的频率区内的S11曲线.仿真结果说明，S11在14.0～15.7GHz的频带范围内低于-10dB，说明在该频带范围内天线能够实现良好的匹配；

参照图6，本发明实施例1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主波束；

参照图7，本发明实施例1在phi＝16度方向上的二维方向图，可以看出，最大辐射方向为16°和-16°，且交叉极化较低，说明极化转换良好，完美避免了副反射镜的遮挡；

参照图8，本发明实施例1在phi＝-16度方向上的二维方向图，可以看出，最大辐射方向为16°和-16°，且交叉极化较低，说明极化转换良好，完美避免了副反射镜的遮挡；

以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于超表面的多波束双镜天线，包括平行设置的主反射镜(1)和副反射镜(3)，该两个反射镜通过支撑结构(2)固定；所述主反射镜(1)的中心镂空；所述副反射镜(3)的焦点位于主反射镜(1)的中心法线上；所述主反射镜(1)中心镂空的位置固定有馈源(4)，该馈源(4)的相位中心与副反射镜(3)的焦点重合；

其特征在于：

所述主反射镜(1)，由M×N个均匀排布的极化转换超表面单元(11)组成平面阵结构形成，M≥8，N≥8；所述极化转换超表面单元(11)，包括第一介质基板(111)、印制在第一介质基板(111)一个侧面的双开口环形金属贴片(112)和另一个侧面的金属地板(113)，每个双开口环形金属贴片(112)的尺寸是通过其所在位置的电磁波入射角和相位补偿值确定；

所述主反射镜(1)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极化转换超表面单元(11)的数量为i×j个，m≥4，n≥4，i≥2，j≥2，m×n×i×j＝M×N；

所述副反射镜(3)，采用由P×Q个均匀排布的极化选择超表面单元(31)组成的平面阵结构，P≤M，Q≤N；所述极化选择超表面单元(31)，包括第二介质基板(311)、印制在第二介质基板(311)一个侧面的单开口环形金属贴片(312)和另一侧面的金属栅条(313)，每个单开口环形金属贴片(312)的尺寸是通过其所在位置的电磁波入射角和相位补偿值确定，其中相位补偿值的计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₂,y₂,z₂为单开口环形金属贴片(312)的中心坐标，f_1x,f_1y,f_1z为主反射镜(1)的焦点坐标，f_2x,f_2y,f_2z为馈源(2)相位中心坐标；

所述极化转换超表面单元(11)中双开口环形金属贴片(112)所在的一面与所述极化选择超表面单元(31)中单开口环形金属贴片(312)所在的一面相对。

2.根据权利要求1所述一种基于超表面的多波束双镜天线，其特征在于：

所述双开口环形金属贴片(112)，包括第一方形环金属贴片(1122)和嵌套在其内的第二方形环金属贴片(1121)，该两个方形环金属贴片的一对对角上设置有开口，另一对对角通过矩形金属条(1123)连接。

3.根据权利要求1所述一种基于超表面的多波束双镜天线，其特征在于：所述单开口环形金属贴片(312)，采用单开口方环形金属贴片结构，且开口位于与金属栅条(313)垂直的所在边的中心位置。

4.根据权利要求1所述一种基于超表面的多波束双镜天线，其特征在于：所述双开口环形金属贴片(112)，其几何中心位于所在第一介质基板(111)板面的中心位置；所述单开口环形金属贴片(312)，其几何中心位于所在第二介质基板(311)板面的中心位置。

5.根据权利要求1所述一种基于超表面的多波束双镜天线，其特征在于：所述支撑结构(2)，采用非金属材料。

6.根据权利要求1所述一种基于超表面的多波束双镜天线，其特征在于：所述馈源(4)，采用矩形喇叭天线结构。

7.根据权利要求1所述一种基于超表面的多波束双镜天线，其特征在于：所述双开口环形金属贴片(112)，其相位补偿值的计算公式为：

其中k为自由空间中的波数，x₁,y₁,z₁为双开口环形金属贴片(112)的中心坐标，f_1x,f_1y,f_1z为主反射镜(1)的焦点坐标，

为附加相位，用于实现多波束辐射。

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