CN110429390A - 基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线 - Google Patents

基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线 Download PDF

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CN110429390A CN201910632486.3A CN201910632486A CN110429390A CN 110429390 A CN110429390 A CN 110429390A CN 201910632486 A CN201910632486 A CN 201910632486A CN 110429390 A CN110429390 A CN 110429390A
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Abstract

本发明提出了一种基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，用于解决现有技术中存在的共形涡旋场天线辐射覆盖范围小的问题，包括反射镜和馈源；所述反射镜采用抛物柱面超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板，其法线正方向指向口径面或背离口径面的一侧印制有金属环阵列，另一侧印制有金属底板，所述金属环阵列被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域包含均匀排布的j×j个金属环微结构，且每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构和从对角线上两个子区域内的金属环微结构相位补偿数值的初始相位相差180°；本发明能够在四个方向产生涡旋波束，增大辐射覆盖范围，并在非平面载体上共形加载。

Description

基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种四波束涡旋场共形反射面天线，可用于通信领域中要求天线在共形载体上加载的场景。
技术背景
涡旋电磁波由于其不同模态之间具有良好正交性，可形成大量同频复用通道，极大地提高了通信容量。
现有技术产生涡旋电磁波束的形式主要有阵列天线、透镜天线和反射面天线，阵列天线产生涡旋波束需要复杂的移相和馈电网络，不但要考虑单元天线之间的相位关系，还要考虑单元天线之间的相互耦合，其技术方案非常复杂，不利于实际应用。透镜天线是通过透射型旋转相位板来产生涡旋波束，透射型旋转相位板具有理论和结构简单的特点，被广泛应用于光波段，但在微波波段，透镜天线中介质板对入射波的反射会产生损耗，从而降低电磁波传输效率，且其产生的波束张角较大，不利于涡旋波束的远距离传输。反射面天线是构造一个凹形抛物面形状的反射面，在抛物面的焦点处设置馈源向反射面馈电，抛物反射面利用抛物面的几何特点反射产生单个电磁波束，其具有方向性强，增益高，损耗小等优点。
传统反射面天线产生涡旋波束的方法是将现有反射面天线的抛物反射面弯曲成螺旋曲面，其加工难度大，且其结构固定，无法在凹型柱面和临近飞行器表面的凸型柱面上共形加载。
基于广义斯涅耳定律构建的相位突变超表面，能够实现对反射电磁波相位的灵活调控，不用构造复杂的螺旋曲面，加工难度大大降低，且柱面形状可根据载体形状灵活可调，现有超表面一般具有平面，凹面，凸面三种结构，多数超表面为平面结构，但平面结构难以满足在非平面载体上共形加载的需求，凹型超表面为凹形抛物柱面，其几何结构利于电磁波的汇聚，可以产生波束张角较小的涡旋波束，有利于涡旋电磁波的远距离传输，适用于对涡旋波传播距离有较高要求的场景和在凹形表面上共形加载，凸型超表面为凸形抛物柱面，便于在临近飞行器表面的凸面载体共形加载。
现有技术中的基于超表面的涡旋场共形反射面天线主要包括主反射镜、馈源，其中，主反射镜为凹面或凸面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，主相位调控层由多个均匀排布，并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；该天线实现了利用基于超表面共形反射面天线产生涡旋波束，但其波束单一，覆盖的通信范围有限。多波束天线可以同时在不同的方向上产生多个波束，使不同区域内的用户可以同时接收到信号，扩展了天线的通信范围。若要通过增加波束的方法来扩展基于超表面涡旋场共形反射面天线的通信辐射范围，采用现有技术只能通过增加天线的数量，同时调整不同天线的摆放位置以实现更大通信范围的覆盖，但这样成本高，配置方案复杂，如果天线预留安装空间有限时难以安装，不能满足实际通信中的要求。
发明内容
本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，用于解决现有技术中存在的因产生涡旋电磁波数量较少导致的辐射覆盖范围小的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括反射镜1和馈源2；所述反射镜1采用超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板11，其法线正方向指向口径面的一侧印制有金属环阵列12，另一侧印制有金属底板13,所述金属环阵列12包括周期性均匀排列的多个金属环微结构121，该金属环阵列12被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域包含的金属环微结构121的数量为j×j个，2≤i，2≤j≤8，且每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构121和从对角线上两个子区域内的金属环微结构121相位补偿数值的初始相位相差180°；所述馈源2采用点源结构，其相位中心位于反射镜1的焦点位置。
上述基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，所述金属环微结构121，其在金属环阵列12中所处位置的入射电磁波相对于反射镜1的相位补偿数值Φ(m,n)，计算公式为：
其中k电磁波传播常数,x、y和z分别为金属环微结构中心的x轴、y轴和z轴的坐标值，f为反射镜的焦距，M表示涡旋波束的模态值,θ为涡旋角度，Φ0(m,n)表示金属环微结构相位补偿数值的初始相位，(m，n)表示金属环微结构在金属环阵列中的相对位置。
上述基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，所述馈源2，采用角锥喇叭天线结构，其相位中心位于张角部分开口面的中心。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括反射镜1和馈源2；所述反射镜1采用超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板11，其法线正方向背离口径面的一侧印制有金属环阵列12，另一侧印制有金属底板13,所述金属环阵列12包括周期性均匀排列的多个金属环微结构121，该金属环阵列12被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域包含的金属环微结构121的数量为j×j个，2≤i，2≤j≤8，且每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构121和从对角线上两个子区域内的金属环微结构121相位补偿数值的初始相位相差180°；所述馈源2采用点源结构，其相位中心位于反射镜1的焦点位置。
上述基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，所述金属环微结构121，其在金属环阵列12中所处位置的入射电磁波相对于反射镜1的相位补偿数值Φ(m,n)，计算公式为：
其中k电磁波传播常数,x、y和z分别为金属环微结构中心的x轴、y轴和z轴的坐标值，f为反射镜的焦距，M表示涡旋波束的模态值,θ为涡旋角度，Φ0(m,n)表示金属环微结构相位补偿数值的初始相位，(m，n)表示金属环微结构在金属环阵列中的相对位置。
上述基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，所述馈源2，采用角锥喇叭天线结构，其相位中心位于张角部分开口面的中心。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明由于与馈源相对的金属环阵列被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域由j×j个周期性均匀排列的金属环微结构组成，令每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构和从对角线上两个子区域内的金属环微结构相位补偿数值的初始相位相差180°，通过灵活地调整反射镜不同区域内金属环微结构的初始相位，能够将馈源产生的球面波转化为四个涡旋电磁波束，与现有技术相比，有效拓宽了天线的通信覆盖范围。
附图说明
图1是本发明实施例1的整体结构示意图；
图2是本发明实施例2的整体结构示意图；
图3是本发明中金属环阵列的区域及子区域划分示意图；
图4是本发明金属环微结构的结构示意图；
图5是本发明的实施例1在20GHz频率上的三维辐射方向图；
图6是本发明的实施例1在20GHz频率上四个涡旋波束的E面远场辐射方向图；
图7是本发明的实施例1在20GHz频率时，电场在垂直于波束辐射方向上距离反射镜1中心1500mm时边长为500mm口径面内的E面场图。
图8是本发明的实施例2在20GHz频率上的三维辐射方向图；
图9是本发明的实施例2在20GHz频率上四个涡旋波束的E面远场辐射方向图；
图10是本发明的实施例2在20GHz频率时，电场在垂直于波束辐射方向上距离反射镜1中心1500mm时边长为500mm口径面内的E面场图。
具体实施方式
实施例1
以下结合附图和具体实施例，对本发明实施例1作进一步的描述。
参照图1，本发明实施例1包括反射镜1和馈源2；
所述反射镜1采用超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板11，采用厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1的介质材料，其法线正方向指向口径面的一侧印制有金属环阵列12，另一侧印制有金属底板13；所述金属环阵列12由多个均匀周期性排列结构尺寸不同的金属环微结构121组成，其中金属环阵列12被划分为多个区域，每个区域由2×2个子区域组成，如图1中A表示一个区域，金属环微结构121的结构如图4所示。
所述馈源2采用角锥喇叭天线结构，包括波导部分和张角部分，根据本实施例20GHz的仿真条件，波导部分采用长14.99mm、宽8.51mm、高10mm的标准WR51波导；张角部分的底面与波导部分连接，其长为14.99mm、宽为8.51mm，张角部分的开口面尺寸设置要保证馈源2的相位中心位于开口面中心，所以设开口面长为22.86mm，宽为17.78mm，张角部分开口面与底面平行，且相距38.1mm。
所述反射镜1和馈源2设置方式为正馈方式，即反射镜1的上表面中心与馈源2的相位中心位于同一条直线上，馈源2张角部分的开口面正对反射镜1的金属环阵列12，馈源2的相位中心位于张角部分的开口面中心，且与反射镜1的焦点重合。
为具体描述本实施例中各个部分的具体位置关系，以反射镜1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xoy平面垂直，x轴、y轴和z轴两两垂直。
所述介质基板11的抛物柱面可根据具体应用场景来确定，本实施例介质基板11的抛物柱面沿x轴从中心到两侧边缘向上弯曲，弯曲程度遵从开口向上的抛物面方程：z＝(1/600)*x2。
所述介质基板11沿x轴的长度为148.52mm，沿y轴的长度为150mm，介质基板11沿坐标x的变化区间为[-74.26mm，74.26mm]，沿坐标y的变化区间为[-75mm，75mm]，沿坐标z的变化区间为[-0.5mm,8.82mm]。
所述金属底板13由形状为抛物柱面的金属板组成，本实例设但不限于金属底板13的中心坐标为(0，0，-0.5mm)，沿坐标x的变化区间为[-74.26mm，74.26mm]，沿坐标y的变化区间为[-75mm，75mm]，沿坐标z的变化区间为[-0.5mm,8.32mm]。
所述馈源2的相位中心与反射镜1的焦点重合，其坐标为(0mm，0mm，110mm)。馈源2波导部分坐标沿x轴的变化区间为[-7.495mm,7.495mm]，沿y轴的变化区间为[-4.255mm,4.255mm]，沿坐标z的变化区间为[158.1mm,168.1mm]。张角部分坐标沿x轴的变化区间为[-11.43mm,11.43mm]，沿y轴的变化区间为[-8.89mm,8.89mm]，沿z轴的变化区间为[110mm，148.1mm]。
参照图3，对金属环阵列12进行区域划分及子区域划分，其中参照图3(a)为金属环阵列12中金属环微结构121整体排列示意图，所述金属环阵列12由m×n个周期性均匀排布在介质基板11上表面的金属环微结构121组成，其中m＝n，m和n数量的设置要使反射镜1的口径足够大，使涡旋波束拥有足够的增益，本实施例中设m＝n＝40，用(m，n)表示金属环微结构121(m，n)在金属环阵列12中的相对位置，m表示金属环微结构121沿x轴正方向上的相对位置，n表示金属环微结构121沿y轴正方向上相对的位置，1≤m≤40，1≤n≤40，其中金属环微结构121(1，1)的中心坐标为(-72.43mm，-73.125mm，8.40mm)，金属环微结构121(40，40)的中心坐标为(72.43mm，73.125mm，8.40mm)。
参照图3(b)，将金属环阵列12划分为i×i个相同的区域，i的取值不同，天线产生涡旋波束的俯仰角不同，为使四个波束指向更加明显，本实施例取i＝5。
参照图3(c)，i×i个相同的区域中，每个区域均由2×2个子区域组成，每个子区域由4×4个周期性均匀排列的金属环微结构121组成，计算每个区域内主对角线上两个子区域内金属环微结构121(m，n)，即图3(c)中浅色区域内金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)时，令该区域内主对角线上两个子区域内所有金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)的初始相位Φ0(m,n)为0°，计算从对角线上两个子区域内金属环微结构121(m，n)，即图3(c)中深色区域内金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)时，令该区域内从对角线上两个子区域内所有的金属环微结构121(m，n)相位补偿数值Φ(m,n)的初始相位Φ0(m,n)为180°，每个金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)计算如下：
其中k＝24°/mm为20GHz时的电磁波传播常数，x表示金属环微结构121(m,n)中心的x坐标值，y表示金属环微结构121(m,n)中心的y坐标值，z表示金属环微结构121(m,n)中心的z坐标值,f＝110mm为反射镜1的焦距，M表示涡旋波束的模态值,本实施例中取M＝1，表示金属环微结构121(m,n)的涡旋角度。
根据上述相位补偿数值Φ(m,n)的计算公式计算出不同位置处金属环微结构121(m,n)的相位补偿数值Φ(m,n)，再结合入射波相对于金属环微结构121(m,n)的入射角θi选择满足相位补偿数值Φ(m,n)的不同结构尺寸的金属环微结构121(m,n)，入射角θi的变化区间为[0°，42°]，金属环微结构121(m,n)的结构尺寸L1和w1如图4所示，金属环微结构121(m,n)边长L1的变化区间为[1.12mm，3.5mm],线宽w1的变化区间为[0.1mm,0.55mm]。
本实施例通过馈源2发出的球面波向反射镜1馈电，入射波照射到金属环阵列12后，不同入射角度的入射波在相应位置处的金属环微结构121(m,n)得到相应的相位补偿数值Φ(m,n)后，根据超表面的相位补偿原理和阵列天线差方向图原理，反射波可以在phi＝45°，theta＝44.6°、phi＝135°,theta＝44.4°、phi＝225°,theta＝45.1°、phi＝315°,theta＝45.1°的方向上产生四个涡旋电磁波束，其中phi为俯仰角，theta为方位角。
实施例2
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2，本发明包括反射镜1和馈源2；
所述反射镜1采用超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板11，采用厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1的介质材料，其法线正方向背离口径面的一侧印制有金属环阵列12，另一侧印制有金属底板13；所述金属环阵列12由多个均匀周期性排列结构尺寸不同的金属环微结构121组成，其中金属环阵列12被划分为多个区域，每个区域由2×2个子区域组成，图2中A表示一个区域，金属环微结构121的结构如图4所示。
所述馈源2采用角锥喇叭天线结构，包括波导部分和张角部分，根据本实施例20GHz的仿真条件，波导部分采用长14.99mm、宽8.51mm、高10mm的标准WR51波导；张角部分的底面与波导部分连接，其长为14.99mm、宽为8.51mm，张角部分的开口面尺寸设置要保证馈源2的相位中心位于开口面中心，所以设开口面长为22.86mm，宽为17.78mm，张角部分开口面与底面平行，且相距38.1mm。
所述反射镜1和馈源2设置方式为正馈方式，即反射镜1的上表面中心与馈源2的相位中心位于同一条直线上，馈源2张角部分的开口面正对反射镜1的金属环阵列12，馈源2的相位中心位于张角部分的开口面中心，且与反射镜1的焦点重合。
为具体描述本实施例中各个部分的具体位置关系，以反射镜1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xoy平面垂直，x轴、y轴和z轴两两垂直。
所述介质基板11的抛物柱面可根据具体应用场景来确定，本实施例介质基板11的抛物柱面沿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)*x2。
所述介质基板11沿x轴的长度为148.52mm，沿y轴的长度为150mm，介质基板11沿坐标x的变化区间为[-74.26mm，74.26mm]，沿坐标y的变化区间为[-75mm，75mm]，沿坐标z的变化区间为[-0.5mm,-9.32mm]。
所述金属底板13由形状为抛物柱面的金属板组成，本实例设但不限于金属底板13的中心坐标为(0mm，0mm，-0.5mm)，沿坐标x的变化区间为[-74.26mm，74.26mm]，沿坐标y的变化区间为[-75mm，75mm]，沿坐标z的变化区间为[-0.5mm,-9.32mm]。
所述馈源2的相位中心与反射镜1的焦点重合，其坐标为(0mm，0mm，110mm)。馈源2波导部分坐标沿x轴的变化区间为[-7.495mm,7.495mm]，沿y轴的变化区间为[-4.255mm,4.255mm]，沿坐标z的变化区间为[158.1mm,168.1mm]。张角部分坐标沿x轴的变化区间为[-11.43mm,11.43mm]，沿y轴的变化区间为[-8.89mm,8.89mm]，沿z轴的变化区间为[110mm，148.1mm]。
参照图3，对金属环阵列进行区域划分及子区域划分，其中参照图3(a)为金属环阵列12中金属环微结构121整体排列示意图，所述金属环阵列12由m×n个周期性均匀排布在介质基板11上表面的金属环微结构121组成，其中m＝n，m和n数量的设置要使反射镜1的口径足够大，使涡旋波束拥有足够的增益，本实施例中设m＝n＝40，用(m，n)表示金属环微结构121(m，n)在金属环阵列12中的相对位置，m表示金属环微结构121沿x轴正方向上的相对位置，n表示金属环微结构121沿y轴正方向上相对的位置，1≤m≤40，1≤n≤40，其中金属环微结构121(1，1)的中心坐标为(-72.43mm，-73.125mm，-8.90mm)，金属环微结构121(40，40)的中心坐标为(72.43mm，73.125mm，-8.90mm)。
参照图3(b)，将金属环阵列12划分为i×i个相同的区域，i的取值不同，天线产生涡旋波束的俯仰角不同，为使四个波束指向更加明显，本实施例取i＝5。
参照图3(c)，i×i个相同的区域中，每个区域均由2×2个子区域组成，每个子区域由4×4个周期性均匀排列的金属环微结构121组成，计算每个区域内主对角线上两个子区域内金属环微结构121(m，n)，即图3(c)中浅色区域内金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)时，令该区域内主对角线上两个子区域内所有金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)的初始相位Φ0(m,n)为0°，计算从对角线上两个子区域内金属环微结构121(m，n)，即图3(c)中深色区域内金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)时，令该区域内从对角线上两个子区域内所有的金属环微结构121(m，n)相位补偿数值Φ(m,n)的初始相位Φ0(m,n)为180°，每个金属环微结构121(m，n)的相位补偿数值Φ(m,n)计算如下：
其中k＝24°/mm为20GHz时的电磁波传播常数，x表示金属环微结构121(m,n)中心的x坐标值，y表示金属环微结构121(m,n)中心的y坐标值，z表示金属环微结构121(m,n)中心的z坐标值,f＝110mm为反射镜1的焦距，M表示涡旋波束的模态值,本实施例中取M＝1，表示金属环微结构121(m,n)的涡旋角度。
根据上述相位补偿数值Φ(m,n)的计算公式计算出不同位置处金属环微结构121(m,n)的相位补偿数值Φ(m,n)，再结合入射波相对于金属环微结构121(m,n)的入射角θi选择满足相位补偿数值Φ(m,n)的不同结构尺寸的金属环微结构121(m,n)，入射角θi的变化区间为[0°，32°]，金属环微结构121(m,n)的结构尺寸L1和w1如图4所示，金属环微结构121(m,n)边长L1的变化区间为[1.12mm，3.5mm],线宽w1的变化区间为[0.1mm,0.55mm]。
本实施例通过馈源2发出的球面波向反射镜1馈电，入射波照射到金属环阵列12后，不同入射角度的入射波在相应位置处的金属环微结构121(m,n)得到相应的相位补偿数值Φ(m,n)后，根据超表面的相位补偿原理和阵列天线差方向图原理，反射波可以在phi＝45°，theta＝44.6°、phi＝135°,theta＝46.9°、phi＝225°,theta＝44.1°、phi＝315°,theta＝45.8°的方向上产生四个涡旋电磁波束，其中phi为俯仰角，theta为方位角。
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：
电磁仿真软件CST 2017。
2.仿真内容
仿真1，对本发明实施例1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5和图6所示，其中：图5是实施例1的远场三维辐射方向图，图6(a)、图6(b)、图6(c)和图6(d)分别为四个涡旋波束的E面远场辐射方向图。
从图5可见，本发明实施例1可在四个方向上产生涡旋电磁波束。
从图6(a)可见，本发明实施例1的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝45°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝44.6°，波束张角为11.6°，最大增益为11.2dBi。
从图6(b)可见，本发明实施例1的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝135°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝44.4°，波束张角为11.9°，最大增益为13.62dBi。
从图6(c)可见，本发明实施例1的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝225°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝45.1°波束张角为11.9°，最大增益为13.83dBi。
从图6(d)可见，本发明实施例1的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝315°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝45.1°波束张角为11.3°，最大增益为13.78dBi。
仿真2，对本发明实施例1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7所示。
图7展示了距离天线为1500mm时，边长为500mm，与涡旋波束辐射方向垂直的正方形观测面内的电场分布，从图7中可以看出，电场分布呈现出明显得螺旋状，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。
仿真3，对本发明实施例2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8和图9所示，其中：图8是本实施例2的远场三维辐射方向图，图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)分别为四个涡旋波束的E面远场辐射方向图。
从图8可见，本发明实施例2可在四个方向上产生涡旋电磁波束。
从图9(a)可见，本发明实施例2的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝45°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝44.6°，波束张角为12.9°，最大增益为13.14dBi。
从图9(b)可见，本发明实施例2的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝135°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝46.9°，波束张角为13.3°，最大增益为14.1dBi。
从图9(c)可见，本发明实施例2的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝225°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝44.1°波束张角为12°，最大增益为15.29dBi。
从图9(d)可见，本发明实施例2的E面远场辐射方向图在与X轴夹角phi＝315°时的涡旋波束与Z轴夹角theta＝45.8°波束张角为11.8°，最大增益为14.2dBi。
仿真4，对本发明实施例2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10所示。
图10展示了距离天线为1500mm时，边长为500mm，与涡旋波束辐射方向垂直的正方形观测面内的电场分布，从图10中可以看出，电场分布呈现出明显得螺旋状，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，本发明能够产生四个涡旋电磁波束，增加了通信容量，进而扩大了天线的辐射范围，并且凹形反射面天线可增加传播距离并在凹形载体上共形加载，凸形反射面可在临近飞行器表面的凹型载体上共形加载。

Claims (6)

1.一种基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，其特征在于，包括反射镜(1)和馈源(2)；所述反射镜(1)采用超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板(11)，其法线正方向指向口径面的一侧印制有金属环阵列(12)，另一侧印制有金属底板(13),所述金属环阵列(12)包括周期性均匀排列的多个金属环微结构(121)，该金属环阵列(12)被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域包含的金属环微结构(121)的数量为j×j个，2≤i，2≤j≤8，且每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构(121)和从对角线上两个子区域内的金属环微结构(121)相位补偿数值的初始相位相差180°；所述馈源(2)采用点源结构，其相位中心位于反射镜(1)的焦点位置。
2.根据权利要求1所述的基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，其特征在于：所述金属环微结构(121)，其在金属环阵列(12)中所处位置的入射电磁波相对于反射镜(1)的相位补偿数值Φ(m,n)，计算公式为：
其中k电磁波传播常数,x、y和z分别为金属环微结构中心的x轴、y轴和z轴的坐标值，f为反射镜的焦距，M表示涡旋波束的模态值,θ为涡旋角度，Φ0(m,n)表示金属环微结构相位补偿数值的初始相位，(m，n)表示金属环微结构在金属环阵列中的相对位置。
3.根据权利要求1所述的基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，其特征在于：所述馈源(2)，采用角锥喇叭天线结构，其相位中心位于张角部分开口面的中心。
4.一种基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，其特征在于，包括反射镜(1)和馈源(2)；所述反射镜(1)采用超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板(11)，其法线正方向背离口径面的一侧印制有金属环阵列(12)，另一侧印制有金属底板(13),所述金属环阵列(12)包括周期性均匀排列的多个金属环微结构(121)，该金属环阵列(12)被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域包含的金属环微结构(121)的数量为j×j个，2≤i，2≤j≤8，且每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构(121)和从对角线上两个子区域内的金属环微结构(121)相位补偿数值的初始相位相差180°；所述馈源(2)采用点源结构，其相位中心位于反射镜(1)的焦点位置。
5.根据权利要求4所述的基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，其特征在于：所述金属环微结构(121)，其在金属环阵列(12)中所处位置的入射电磁波相对于反射镜(1)的相位补偿数值Φ(m,n)，计算公式为：
其中k电磁波传播常数,x、y和z分别为金属环微结构中心的x轴、y轴和z轴的坐标值，f为反射镜的焦距，M表示涡旋波束的模态值,θ为涡旋角度，Φ0(m,n)表示金属环微结构相位补偿数值的初始相位，(m，n)表示金属环微结构在金属环阵列中的相对位置。
6.根据权利要求4所述的基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，其特征在于：所述馈源(2)，采用角锥喇叭天线结构，其相位中心位于张角部分开口面的中心。
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