CN111600132B - 一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，目的是解决高功率微波天线不具备模式转换功能，轴向结构冗长问题。本发明由喇叭天线、极化转换超透镜、定位法兰盘和模式转换超透镜构成；极化转换超透镜由多个极化转换超透镜单元以蜂窝状排列组合而成，单元中心的通孔内部有2个弓形柱和2个支撑杆，两端分别开有2个匹配槽；极化转换超透镜单元横截面为正六边形，紧密排列成圆形；模式转换超透镜由多个模式转换超透镜单元以蜂窝状排列组合而成，单元中心的通孔内部有2个弓形柱和2个支撑杆；模式转换超透镜单元横截面为正六边形，紧密排列成圆形。本发明轴向紧凑，可实现模式转换，能改变波束的出射方向，轴向结构紧凑，损耗低。

Description

一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线

技术领域

发明涉及高功率微波技术领域的一种辐射天线，尤其是一种可以实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线。

背景技术

高功率微波作为一门新兴的学科，在军事领域和民用领域都有着广泛的应用前景。作为高功率微波系统的重要组成部分，高功率辐射天线决定着能否将高功率微波源产生的能量有效地辐射或集中作用到目标上。目前，多数高功率微波源(如虚阴极振荡器、相对论返波管、磁绝缘线振荡器等)产生的微波模式都为旋转轴对称模，如圆波导的TM₀₁模、TE₀₁模和同轴波导TEM模等。这些模式由于场分布在波导横截面上绕波导轴具有旋转对称性，若直接发射或激励传统喇叭天线，将产生轴向为零的环状远场方向图，其能量分散、增益低，不利于高功率微波的定向发射与传输。同时，大多数高功率微波辐射天线均为线极化天线，对于圆极化接收的电子设备，很难发挥作用效果，部分能量将由于极化不匹配而损失。不仅如此，现有的高功率微波辐射天线大多只能沿轴向输出，无法实现指定方向的微波辐射，应用场合有限。

为了实现微波的定向辐射，通常要应用高功率微波模式转换器将圆波导的TM₀₁模、TE₀₁模或同轴波导TEM模转换为易于定向发射的圆波导TE₁₁模，再由喇叭天线向外发射。为了增加高功率微波与目标的耦合概率，通常需要使用圆极化器将线极化圆波导TE₁₁模转换为圆极化圆波导TE₁₁模来激励喇叭天线。现有的高功率微波模式转换器和高功率微波圆极化器的长度通常均为3～7个波长，当与喇叭天线配合使用时，会造成整个高功率微波发射系统结构复杂、轴向长度过长等不足。为了实现系统在指定方向的微波辐射，通常需要引入弯曲波导或旋转关节等结构来改变喇叭天线的出射方位。上述结构的引入会大大增加系统的复杂程度，带来额外的传输损耗。

由于现有的喇叭天线与高功率微波模式转换器、圆极化器及弯曲波导配合使用时，结构复杂，轴向长度较长，传输损耗较大，不能满足某些特定场合(如空间尺寸有限的机载平台)的应用需求，如何设计一种轴向紧凑同时可实现波束偏转、极化转换和模式转换功能的高功率微波天线是本领域技术人员极为关注的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服目前大多数高功率微波天线不具备模式转换、极化转换和波束偏转功能，以及与模式转换器、圆极化器和弯曲波导配合使用时轴向结构冗长，传输损耗偏大等不足，提供一种可实现波束偏转的新型高功率模式转换超透镜天线，其结构紧凑，增益高，功率容量高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明由喇叭天线、极化转换超透镜、定位法兰盘和模式转换超透镜四部分构成，其中喇叭天线为圆锥喇叭天线，由第一法兰盘，圆锥喇叭和第二法兰盘组成。喇叭天线一端通过第一法兰盘与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘与极化转换超透镜的一面焊接，第一法兰盘和第二法兰盘分别与圆锥喇叭的两端相连；极化转换超透镜的另一面与定位法兰盘一端焊接。定位法兰盘一端与极化转换超透镜焊接，另一端与模式转换超透镜焊接；定义本发明靠近微波源的一端(即第一法兰盘所在的端)为输入端，定义本发明远离微波源的一端(即模式转换超透镜所在的一端)为输出端；喇叭天线、极化转换超透镜、定位法兰盘和模式转换超透镜共轴，中心轴线为OO’。

喇叭天线为金属材料制成，第一法兰盘焊接在圆锥喇叭输入端的外壁上，第二法兰盘焊接在圆锥喇叭输出端的外壁上；第一法兰盘呈圆环状，其外直径为D₁，内直径为D₂，圆环厚度即轴向长度为t₁；圆锥喇叭由圆波导和圆锥波导连接而成，其中圆波导形状为一个圆筒，内直径等于D₂，轴向长度为t₂，波导壁厚为s；圆锥波导与圆波导相连一端的内直径等于D₂，远离圆波导一端的内直径为D₃，轴向长度为l₁，波导壁厚等于s，D₃>D₂；第二法兰盘呈圆环状，其外直径为D₄，内直径等于D₃，第二法兰盘圆环厚度即轴向长度等于t₁。

极化转换超透镜由金属材料构成，整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₂。极化转换超透镜由多个极化转换超透镜单元以蜂窝状排列组合而成，令任意一个极化转换超透镜单元的中心轴线为O₁O₁’，O₁O₁’与OO’平行。极化转换超透镜单元中心钻有一个第一圆柱形通孔，第一圆柱形通孔半径为r，深度为l₂，第一圆柱形通孔的中心轴线与O₁O₁’共轴。第一圆柱形通孔内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第一弓形柱和第二弓形柱，第一弓形柱和第二弓形柱分别通过第一支撑杆和第二支撑杆与第一圆柱形通孔内壁连接，第一弓形柱和第二弓形柱关于O₁O₁’180°旋转对称；第一几何中心轴线O₂O₂’为经过第一弓形柱矩形底面几何中心的垂线，O₂O₂’与O₁O₁’垂直。第一支撑杆与第二支撑杆为两个结构相同的扇环形柱，第一支撑杆与第二支撑杆关于O₁O₁’180°旋转对称；第一支撑杆一个弧面与第一圆柱形通孔内壁连接，另一个弧面与第一弓形柱的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔内部支撑第一弓形柱；第二支撑杆一个弧面与第一圆柱形通孔内壁连接，另一个弧面与第二弓形柱的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔内部支撑第二弓形柱；第一弓形柱与第一支撑杆长度均等于l₂。为了匹配出射阻抗，沿O₁O₁’方向，极化转换超透镜单元在远离微波源的一端开有两个匹配槽，分别为第一出射匹配槽及第二出射匹配槽；为了匹配入射阻抗，极化转换超透镜单元在靠近微波源的一端也开有两个匹配槽，分别为第一入射匹配槽及第二入射匹配槽；四个匹配槽结构相同，第一出射匹配槽与第二出射匹配槽关于O₁O₁’180°旋转对称，第一入射匹配槽与第二入射匹配槽关于O₁O₁’180°旋转对称，第一出射匹配槽与第一入射匹配槽关于O₂O₂’对称；第一出射匹配槽槽深为l₂₁，l₂₁<l₂/2。

极化转换超透镜单元BB’向(见图3(b))截面(即横截面)为正六边形，边长为a；第一弓形柱横截面为弓形，半径为r₀，弦长为d；第一支撑杆横截面为扇环形，内径为r₀，外径为r，宽度为b；第一出射匹配槽横截面为扇环形，内外环半径分别为r及r₁，槽宽为k。

从极化转换超透镜的横截面来看，极化转换超透镜单元的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，每个极化转换超透镜单元在极化转换超透镜中所处位置可用行数p₁和列数q₁表示。极化转换超透镜的中心轴线为OO’，定义极化转换超透镜中心O₅处极化转换超透镜单元在第0行第0列，极化转换超透镜中心O₅上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负。设极化转换超透镜的中心O₅处为坐标原点，建立x₁-y₁固定直角坐标系，则任意一个极化转换超透镜单元的第一圆柱形通孔的中心在x₁-y₁平面的投影可用坐标Q₁(x₁,y₁)表示，极化转换超透镜单元横截面正六边形的边长a确定后，其中心投影坐标Q₁(x₁,y₁)也随之确定，且有

(q₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处列数，p₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令极化转换超透镜单元的第一几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为α₁，α₁由喇叭天线注入的具体模式确定。

定位法兰盘由金属材料构成，中心轴线为OO’。定位法兰盘整体呈圆环状，其外直径等于D₄，内直径等于D₃，圆环厚度即轴向长度为l₃。定位法兰盘一端与极化转换超透镜焊接，另一端与模式转换超透镜焊接。

模式转换超透镜由金属材料构成，整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₄。模式转换超透镜由多个模式转换超透镜单元以蜂窝状排列组合而成，令任意一个模式转换超透镜单元的中心轴线为O₃O₃’，O₃O₃’与OO’平行。模式转换超透镜单元中心钻有一个第二圆柱形通孔，第二圆柱形通孔半径为r₂，深度为l₄，第二圆柱形通孔的中心轴线与O₃O₃’共轴。第二圆柱形通孔内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第三弓形柱和第四弓形柱，第三弓形柱和第四弓形柱分别通过第三支撑杆和第四支撑杆与第二圆柱形通孔内壁连接，第三弓形柱和第四弓形柱关于O₃O₃’180°旋转对称；第二几何中心轴线O₄O₄’为经过第三弓形柱矩形底面几何中心的垂线，O₄O₄’与O₃O₃’垂直。第三支撑杆与第四支撑杆为两个结构相同的扇环形柱，第三支撑杆与第四支撑杆关于O₃O₃’180°旋转对称；第三支撑杆一个弧面与第二圆柱形通孔内壁连接，另一个弧面与第三弓形柱的弧面连接，从而在第二圆柱形通孔内部支撑第三弓形柱；第四支撑杆一个弧面与第二圆柱形通孔内壁连接，另一个弧面与第四弓形柱的弧面连接，从而在第二圆柱形通孔内部支撑第四弓形柱；第三弓形柱与第三支撑杆长度均等于l₄。

模式转换超透镜单元CC’向(见图7(b))截面(即横截面)为正六边形，边长为a₁；第三弓形柱横截面为弓形，半径为r₃，弦长为d₁；第三支撑杆横截面为扇环形，内径为r₃，外径为r₂，宽度为b₁。

从模式转换超透镜的横截面来看，模式转换超透镜单元的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，每个模式转换超透镜单元在模式转换超透镜中所处位置可用行数p₂和列数q₂表示。模式转换超透镜的中心轴线为OO’，定义模式转换超透镜中心O₆处模式转换超透镜单元在第0行第0列，模式转换超透镜中心O₆上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负。设模式转换超透镜的中心O₆处为坐标原点，建立x₂-y₂固定直角坐标系，则任意一个模式转换超透镜单元的第二圆柱形通孔的中心在x₂-y₂平面的投影可用坐标Q₂(x₂,y₂)表示，模式转换超透镜单元横截面正六边形的边长a₁确定后，其中心投影坐标Q₂(x₂,y₂)也随之确定，且有

(q₂表示模式转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处列数，p₂表示模式转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处行数)。令模式转换超透镜单元的第二几何中心轴线O₄O₄’与x₂轴正向的顺时针夹角为α₂。

为了叙述方便，这里统一介绍以上设计的结构参数所满足的条件：

1、定义喇叭天线出射微波的中心频率为f，真空中光速为c，则极化转换超透镜单元第一圆柱形通孔半径r<c/2f，深度l₂<3c/2f，极化转换超透镜单元横截面正六边形的边长

第一弓形柱半径r₀<r，弦长d<2r₀；扇环形匹配槽外径r₁满足c/2f>r₁>r，槽深l₂₁<l₂/2，槽宽k<d；第一支撑杆宽b<r₀。微波在自由空间传输至极化转换超透镜后，经过极化转换超透镜单元可以实现线极化模式到圆极化模式的转换，而r、r₀、l₂、d和b的取值决定了此转换过程能否实现，因此r、r₀、l₂、d和b是仿真优化的关键参数。同时，在此过程中需要保证微波无耗传输，而参数r₁、l₂₁和k的取值决定了微波能否完全通过而没有反射，因此r₁、l₂₁和k也是仿真优化的关键参数。具体应用时，给定微波频率f后，可以大致确定a、r、r₀、l₂、d和b的取值范围，在各个部件实现上述功能的前提下，可以由电磁仿真软件CSTStudio Suite优化进而得到a、r、r₀、r₁、l₂、l₂₁、d、b和k的一组具体值。

2、坐标为Q₁(x₁,y₁)的极化转换超透镜单元的第一几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的夹角α₁由喇叭天线注入的具体模式确定，定义O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为正，与x₁轴正向的逆时针夹角为负。当喇叭天线注入线极化TM₀₁模式时，x₁轴正向与O₂O₂’的夹角

当喇叭天线注入线极化TE₀₁模式时，x₁轴正向与O₂O₂’的夹角

其中，x₁为不同位置处极化转换超透镜单元第一圆柱形通孔中心所对应的投影坐标Q₁(x₁,y₁)的横坐标，y₁为Q₁(x₁,y₁)的纵坐标，且有

a为极化转换超透镜单元横截面正六边形的边长，p₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处行数，q₁表示极化转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处列数。α₁只与第一圆柱形通孔中心的投影坐标及喇叭天线出射模式有关，与微波的频率无关。具体应用时，当确定极化转换超透镜单元横截面正六边形的边长a以及喇叭天线出射微波模式后，根据a可确定Q₁(x₁,y₁)，α₁则可通过上述公式计算得到。

3、喇叭天线为公知的圆锥喇叭天线，其主要结构参数为D₂、D₃、t₂和l₁，且有D₃>D₂>0，t₂>0，l₁>0，这些参数应使得喇叭天线的辐射效率超过99％，并且微波在喇叭内以近似球面波传播，具体应用时，给定微波频率后，可由电磁仿真软件CST Studio Suite优化设计得到D₂、D₃、t₂和l₁的具体值。第一法兰盘的结构参数D₁、t₁，第二法兰盘的结构参数D₄、t₁不影响发明的整体实施效果，在满足D₄>D₁>0，t₁>0的前提下，根据具体需要选择合适值即可。

4、为了抵消反射，同时保证系统的紧凑性，定位法兰盘的轴向长度设定为l₃＝3c/4f，即3/4个自由空间波长。

5、模式转换超透镜单元第二圆柱形通孔半径r₂<c/4f，深度l₄<c/2f，模式转换超透镜单元横截面正六边形的边长

第三弓形柱半径r₃<r₂，弦长d₁<2r₃；第三支撑杆宽b₁<r₃。微波在自由空间传输至模式转换超透镜后，经过模式转换超透镜单元可以实现圆极化模式旋向的反转(即左右旋圆极化的相互转换)，而r₂、r₃、l₄、d₁和b₁的取值决定了此转换过程能否实现，因此r₂、r₃、l₄、d₁和b₁是仿真优化的关键参数。具体应用时，给定微波频率f后，可以大致确定a₁、r₂、r₃、l₄、d₁和b₁的取值范围，在各个部件实现上述功能的前提下，可以由电磁仿真软件CST Studio Suite优化进而得到a₁、r₂、r₃、l₄、d₁和b₁的一组具体值。

6、坐标为Q₂(x₂,y₂)的模式转换超透镜单元的第二几何中心轴线O₄O₄’与x₂轴正向的夹角α₂由喇叭天线注入模式、最终出射模式及出射方向确定，定义O₄O₄’与x₂轴正向的顺时针夹角为正，与x₂轴正向的逆时针夹角为负。当喇叭天线注入线极化TM₀₁模，最终出射圆极化TE₁₁模时，设定系统最终出射波束的俯仰角为θ(与OO’的夹角为θ)，则x₂轴正向与O₄O₄’的夹角α₂由下式确定

当喇叭天线注入线极化TE₀₁模，最终出射圆极化TE₁₁模时，则x₂轴正向与O₄O₄’的夹角α₂由下式确定

其中，l₁为喇叭天线圆锥波导轴向长度，x₂为不同位置处模式转换超透镜单元第二圆柱形通孔中心所对应的投影坐标Q₂(x₂,y₂)的横坐标，y₂为Q₂(x₂,y₂)的纵坐标，且有

a₁为模式转换超透镜单元横截面正六边形的边长，p₂表示模式转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处行数，q₂表示模式转换超透镜单元在蜂窝状阵列中所处列数。α₂既与第二圆柱形通孔中心的投影坐标及喇叭天线圆锥波导轴向长度有关，又与微波频率、喇叭天线注入模式、最终出射模式及出射方向有关。

通过电磁仿真软件CST Studio Suite，在满足0<r₀<r<r₁<c/2f，0<r₃<r₂<c/4f，0<2l₂₁<l₂<3c/2f，0<l₄<c/2f，

0<d<2r₀，0<b<r₀，k<d，0<d₁<2r₃，0<b₁<r₃，D₃>D₂>0，l₁>0，D₄>D₁>0，t₁>0，t₂>0，s>0的条件下，设定天线辐射效率大于99％，可以获得参数a、a₁、r、r₀、r₁、r₂、r₃、l₁、l₂、l₂₁、l₄、d、d₁、b、b₁、k、D₁、D₂、D₃、D₄、t₁和t₂的精确值，s一般取3-5mm。且这样设计出来的极化转换超透镜的总长度l₂在一个自由空间波长左右，模式转换超透镜的总长度l₄在半个自由空间波长左右。

本发明的工作过程为：圆波导从高功率微波源接收线极化旋转对称模式输入到圆锥波导，经圆锥波导传输后，该线极化旋转对称模式以球面波形式辐射到极化转换超透镜上。极化转换超透镜内部有许多极化转换超透镜单元，每个极化转换超透镜单元将线极化旋转对称模式转换为圆极化旋转对称模式，并将圆极化旋转对称模式辐射到模式转换超透镜上。通过模式转换超透镜单元的合理布局，模式转换超透镜将圆极化旋转对称模式转换为反旋向圆极化TE₁₁模，并沿设计方向(波束出射俯仰角θ)将圆极化TE₁₁模以平面波形式辐射到自由空间中。

设计的极化转换超透镜的总长度l₂在一个自由空间波长左右，模式转换超透镜的总长度l₄在半个自由空间波长左右，相比传统的波导圆极化器、模式转换器及弯曲波导在轴向上更加紧凑。同时，整个辐射系统还实现了球面波到平面波的转换，不仅具有高增益高效率，还具备较高的功率容量，可以满足高功率微波领域中的应用需求。

与现有技术相比，采用本发明可以达到以下技术效果：

1.本发明通过极化转换超透镜单元及模式转换超透镜单元的优化设计，可以保证入射微波极化方式高效地转换为圆极化微波模式，入射旋转对称模式高效地转换为TE₁₁模式，使得整个超透镜天线具有较高的辐射效率及较低的副瓣电平；

2.本发明能够实现微波辐射方向的偏转，克服了传统高功率辐射天线只能轴向输出的不足(只能沿中心轴线OO’方向辐射微波)，避免了弯曲波导等结构的引入，提高了辐射系统的紧凑性，拓宽了高功率微波天线的应用范围；

3.模式转换超透镜能够实现球面波到平面波的转换，可以起到一定的聚束作用，从而提高了天线的增益和口径效率；

4.极化转换超透镜的厚度在一个自由空间波长左右，模式转换超透镜的厚度在半个自由空间波长左右，与现有的极化转换及模式转换技术相比，长度大大减小，从而使得整个辐射系统在轴向上更加紧凑；

5.极化转换超透镜及模式转换超透镜加工简单，具有较高的功率容量，可以满足高功率微波应用的需求。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图，其中图1(a)为本发明的三维视图，图1(b)为图1(a)AA’断面剖视图。

图2是本发明喇叭天线1的示意图，其中图2(a)为喇叭天线1的三维视图，图2(b)为图2(a)AA’断面剖视图。

图3是本发明极化转换超透镜2及其极化转换超透镜单元21的示意图，其中图3(a)为极化转换超透镜2的三维视图，图3(b)为图3(a)中圆心处极化转换超透镜单元21的放大三维视图。

图4是本发明极化转换超透镜单元21的横截面正视图。

图5是本发明极化转换超透镜2中极化转换超透镜单元21的排布规律示意图，其中图5(a)为极化转换超透镜2的组成结构示意图，图5(b)为图5(a)中Q₁(x₁,y₁)处极化转换超透镜单元21的放大图。

图6是本发明定位法兰盘3的示意图。

图7是本发明模式转换超透镜4及模式转换超透镜单元41的示意图，其中图7(a)为模式转换超透镜4的三维视图，图7(b)为图7(a)中圆心处模式转换超透镜单元41的放大三维视图。

图8是本发明模式转换超透镜单元41的正视图。

图9是本发明模式转换超透镜4中模式转换超透镜单元41的排布规律示意图，其中图9(a)为模式转换超透镜4的组成结构示意图，图9(b)为图9(a)Q₂(x₂,y₂)处模式转换超透镜单元41的放大图。

图10是本发明一个实施例出射波束的二维CST仿真方向图。

图11是本发明一个实施例出射波束的二维CST仿真轴比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步描述。

图1是本发明一种可实现波束偏转的高功率模式转换透镜的总体结构示意图。如图1(a)和图1(b)所示，本发明由喇叭天线1、极化转换超透镜2、定位法兰盘3和模式转换超透镜4四部分构成，其中喇叭天线1由第一法兰盘11，圆锥喇叭12和第二法兰盘13组成。喇叭天线1一端通过第一法兰盘11与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘13与极化转换超透镜2的一面焊接，第一法兰盘11和第二法兰盘13分别与圆锥喇叭12的两端相连；极化转换超透镜2的另一面与定位法兰盘3一端焊接。定位法兰盘3一端与极化转换超透镜2焊接，另一端与模式转换超透镜4焊接；定义本发明靠近微波源的一端(即第一法兰盘11所在的端)为输入端，定义本发明远离微波源的一端(即模式转换超透镜4所在的一端)为输出端；喇叭天线1、极化转换超透镜2、定位法兰盘3和模式转换超透镜4共轴，中心轴线为OO’。

图2是本发明喇叭天线1的示意图。如图2(a)所示，喇叭天线1由第一法兰盘11，圆锥喇叭12和第二法兰盘13组成，均为金属材料制成，第一法兰盘11焊接在圆锥喇叭12输入端的外壁上，第二法兰盘13焊接在圆锥喇叭12输出端的外壁上；如图2(b)所示，第一法兰盘11呈圆环状，其外直径为D₁，内直径为D₂，圆环厚度即轴向长度为t₁；圆锥喇叭12由圆波导121和圆锥波导122连接而成，其中圆波导121形状为一个圆筒，内直径等于D₂，轴向长度为t₂，波导壁厚为s；圆锥波导122与圆波导121相连一端的内直径等于D₂，远离圆波导121一端的内直径为D₃，轴向长度为l₁，波导壁厚等于s，D₃>D₂；第二法兰盘13呈圆环状，其外直径为D₄，内直径等于D₃，第二法兰盘13圆环厚度即轴向长度等于t₁。

图3是本发明极化转换超透镜2的示意图。如图3(a)所示，极化转换超透镜2由金属材料构成，整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₂。极化转换超透镜2由多个如图3(b)所示的极化转换超透镜单元21以蜂窝状排列组合而成，令任意一个极化转换超透镜单元21的中心轴线为O₁O₁’，O₁O₁’与OO’平行。如图3(b)所示，极化转换超透镜单元21中心钻有一个第一圆柱形通孔211，第一圆柱形通孔211半径为r，深度为l₂，第一圆柱形通孔211的中心轴线与O₁O₁’共轴。第一圆柱形通孔211内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第一弓形柱212和第二弓形柱213，第一弓形柱212和第二弓形柱213分别通过第一支撑杆214和第二支撑杆215与第一圆柱形通孔211内壁连接，第一弓形柱212和第二弓形柱213关于O₁O₁’180°旋转对称；第一几何中心轴线O₂O₂’为经过第一弓形柱212矩形底面几何中心的垂线，O₂O₂’与O₁O₁’垂直。第一支撑杆214与第二支撑杆215为两个结构相同的扇环形柱，第一支撑杆214与第二支撑杆215关于O₁O₁’180°旋转对称；第一支撑杆214一个弧面与第一圆柱形通孔211内壁连接，另一个弧面与第一弓形柱212的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔211内部支撑第一弓形柱212；第二支撑杆215一个弧面与第一圆柱形通孔211内壁连接，另一个弧面与第二弓形柱213的弧面连接，从而在第一圆柱形通孔211内部支撑第二弓形柱213；第一弓形柱212与第一支撑杆214长度均等于l₂。为了匹配出射阻抗，沿O₁O₁’方向，极化转换超透镜单元21在远离微波源的一端开有两个匹配槽，分别为第一出射匹配槽216及第二出射匹配槽218；为了匹配入射阻抗，极化转换超透镜单元21在靠近微波源的一端也开有两个匹配槽，分别为第一入射匹配槽217及第二入射匹配槽219；四个匹配槽结构相同，第一出射匹配槽216与第二出射匹配槽218关于O₁O₁’180°旋转对称，第一入射匹配槽217与第二入射匹配槽219关于O₁O₁’180°旋转对称，第一出射匹配槽216与第一入射匹配槽217关于O₂O₂’对称；第一出射匹配槽216槽深为l₂₁，l₂₁<l₂/2。

图4是本发明极化转换超透镜单元21的正视图。如图4所示，极化转换超透镜单元21在图3(b)中的BB’向截面(即横截面)为正六边形，边长为a；第一弓形柱212横截面为弓形，半径为r₀，弦长为d；第一支撑杆214横截面为扇环形，内径为r₀，外径为r，宽度为b；第一出射匹配槽216横截面为扇环形，内外环半径分别为r及r₁，槽宽为k。

图5是本发明极化转换超透镜2中极化转换超透镜单元21的排布规律示意图。如图5(a)所示，从极化转换超透镜2的横截面来看，极化转换超透镜单元21的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，每个极化转换超透镜单元21在极化转换超透镜2中所处位置可用行数p₁和列数q₁表示。极化转换超透镜2的中心轴线为OO’，定义极化转换超透镜2中心O₅处极化转换超透镜单元21在第0行第0列，极化转换超透镜2中心O₅上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负。设极化转换超透镜2的中心O₅处为坐标原点，建立x₁-y₁固定直角坐标系，则任意一个极化转换超透镜单元21的第一圆柱形通孔211的中心在x₁-y₁平面的投影可用坐标Q₁(x₁,y₁)表示，极化转换超透镜单元21横截面正六边形的边长a确定后，其中心投影坐标Q₁(x₁,y₁)也随之确定，且有

(q₁表示极化转换超透镜单元21在蜂窝状阵列中所处列数，p₁表示极化转换超透镜单元21在蜂窝状阵列中所处行数)。如图5(b)所示，令极化转换超透镜单元21的第一几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为α₁，α₁与喇叭天线1的出射微波模式相关。

图6是本发明定位法兰盘3的示意图。定位法兰盘3由金属材料构成，中心轴线为OO’。定位法兰盘3整体呈圆环状，其外直径等于D₄，内直径等于D₃，圆环厚度即轴向长度为l₃。定位法兰盘3一端与极化转换超透镜2焊接，另一端与模式转换超透镜4焊接。

图7是本发明模式转换超透镜4的示意图。如图7(a)所示，模式转换超透镜4由金属材料构成，整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₄。模式转换超透镜4由多个如图7(b)所示的模式转换超透镜单元41以蜂窝状排列组合而成，令任意一个模式转换超透镜单元41的中心轴线为O₃O₃’，O₃O₃’与OO’平行。如图7(b)所示，模式转换超透镜单元41中心钻有一个第二圆柱形通孔411，第二圆柱形通孔411半径为r₂，深度为l₄，第二圆柱形通孔411的中心轴线与O₃O₃’共轴。第二圆柱形通孔411内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第三弓形柱412和第四弓形柱413，第三弓形柱412和第四弓形柱413分别通过第三支撑杆414和第四支撑杆415与第二圆柱形通孔411内壁连接，第三弓形柱412和第四弓形柱413关于O₃O₃’180°旋转对称；第二几何中心轴线O₄O₄’为经过第三弓形柱412矩形底面几何中心的垂线，O₄O₄’与O₃O₃’垂直。第三支撑杆414与第四支撑杆415为两个结构相同的扇环形柱，第三支撑杆414与第四支撑杆415关于O₃O₃’180°旋转对称；第三支撑杆414一个弧面与第二圆柱形通孔411内壁连接，另一个弧面与第三弓形柱412的弧面连接，从而在第二圆柱形通孔411内部支撑第三弓形柱412；第四支撑杆415一个弧面与第二圆柱形通孔411内壁连接，另一个弧面与第四弓形柱413的弧面连接，从而在第二圆柱形通孔411内部支撑第四弓形柱413；第三弓形柱412与第三支撑杆414长度均等于l₄。

图8是本发明模式转换超透镜单元41的正视图。模式转换超透镜单元41在图7(b)中的CC’向截面(即横截面)为正六边形，边长为a₁；第三弓形柱412横截面为弓形，半径为r₃，弦长为d₁；第三支撑杆414横截面为扇环形，内径为r₃，外径为r₂，宽度为b₁。

图9是本发明模式转换超透镜4中模式转换超透镜单元41的排布规律示意图。如图9(a)所示，从模式转换超透镜4的横截面来看，模式转换超透镜单元41的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，每个模式转换超透镜单元41在模式转换超透镜4中所处位置可用行数p₂和列数q₂表示。模式转换超透镜4的中心轴线为OO’，定义模式转换超透镜4中心O₆处模式转换超透镜单元41在第0行第0列，模式转换超透镜4中心O₆上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负。设模式转换超透镜4的中心O₆处为坐标原点，建立x₂-y₂固定直角坐标系，则任意一个模式转换超透镜单元41的第二圆柱形通孔411的中心在x₂-y₂平面的投影可用坐标Q₂(x₂,y₂)表示，模式转换超透镜单元41横截面正六边形的边长a₁确定后，其中心投影坐标Q₂(x₂,y₂)也随之确定，且有

(q₂表示模式转换超透镜单元41在蜂窝状阵列中所处列数，p₂表示模式转换超透镜单元41在蜂窝状阵列中所处行数)。如图9(b)所示，令模式转换超透镜单元41的第二几何中心轴线O₄O₄’与x₂轴正向的顺时针夹角为α₂。

实施例一：

设计的中心频率f＝4.3GHz(即输入微波源的频率为4.3GHz，对应微波波长为69.77mm)的高功率微波模式转换超透镜天线的实施例具体设计尺寸：

喇叭天线1采用圆锥喇叭天线，其中圆锥喇叭12中圆波导121及圆锥波导122靠近微波源端的内直径D₂＝62mm，圆波导121长度t₂＝30mm，圆锥波导122远离微波源端内直径D₃＝380mm，轴向长度l₁＝517.4mm；第一法兰盘11外直径D₁＝92mm，第二法兰盘13外直径D₄＝410mm，第一法兰盘11与第二法兰盘13的厚度均为t₁＝10mm，波导壁厚s＝5mm；极化转换透镜2及模式转换透镜4的直径与第二法兰盘13外直径相等，均为D₄＝410mm。在该频率下，极化转换超透镜单元21横截面正六边形的边长a＝27.41mm，第一圆柱形孔211半径r＝19.8mm，厚度l₂＝74.14mm；第一弓形柱212半径r₀＝13.1mm，弦长d＝22.68mm，高度l₂＝74.14mm；第一支撑杆214内径r₀＝13.1mm，外径r＝19.8mm，宽度b＝6.54mm；第一出射匹配槽216内环半径r＝19.8mm，外环半径r₁＝21.6mm，槽宽为k＝13.95mm。定位法兰盘3内直径D₃＝380mm，外直径D₄＝410mm，厚度l₃＝52.33mm。模式转换超透镜单元41横截面正六边形的边长a₁＝22.27mm，第二圆柱形孔411半径r₂＝15.59mm，厚度l₄＝38mm；第三弓形柱412半径r₃＝12.45mm，弦长d₁＝24.05mm，高度l₄＝38mm；第三支撑杆414内径r₃＝12.45mm，外径r₂＝15.59mm，宽度b₁＝3.96mm。设定最终出射模式为TE₁₁模，出射波束方向俯仰角为θ＝25°。

根据上述参数所设计的中心频率f＝4.3GHz的高功率微波极化转换超透镜天线的辐射效果分别如图10与图11所示。图10为本发明实施例一出射波束的二维CST仿真方向图，其中横坐标为出射俯仰角θ，纵坐标为天线的增益，虚线为馈源喇叭天线的辐射二维仿真方向图，实线为喇叭天线与极化转换超透镜及模式转换超透镜配合后的辐射二维仿真方向图。如图10中虚线所示，喇叭天线的注入模式为TM₀₁模，其出射波束的二维远场方向图满足TM₀₁模特征，即主瓣中心为0(横坐标θ为0°，纵坐标小于-30dBi)，两侧最大(横坐标θ为±8°，纵坐标为17.5dBi)，与三维空心波束对应。由于喇叭天线的注入模式为TM₀₁模，则任意一个极化转换超透镜单元的几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的夹角

(可由极化转换超透镜单元中心投影坐标Q₁(x₁,y₁)及边长a求得，此处不一一列出)，任意一个模式转换超透镜单元的几何中心轴线O₄O₄’与x₂轴正向的夹角

(可由模式转换超透镜单元中心投影坐标Q₂(x₂,y₂)及边长a₁求得，此处不一一列出)，即极化转换超透镜及模式转换超透镜的单元排布已完全确定。如图10中实线所示，喇叭天线配合极化转换超透镜及模式转换超透镜后，出射波转换为实心波束(主瓣横坐标θ为25°，纵坐标为21dBi)，二维远场方向图满足TE₁₁模特征，说明模式转换超透镜实现了TM₀₁模到TE₁₁模的转换。同时，主瓣波束指向与设计一致，俯仰角为θ＝25°，说明模式转换超透镜能够实现指定方向的微波辐射(主瓣横坐标θ为25°，与设计方向一致，不再沿着OO’方向)；高功率模式转换超透镜天线的主瓣增益明显提高(主瓣增益由17.5dBi提高至21dBi)，说明加载极化转换超透镜及模式转换超透镜后可以提高馈源的出射性能。

图11给出了本发明实施例一出射波束的二维CST仿真轴比图，横坐标为出射俯仰角θ，纵坐标为天线的出射波束轴比。从图11中可以看出，出射波主瓣轴比为0.5dB左右(横坐标θ为25°，纵坐标为0.49dB)，说明高功率模式转换超透镜天线能够实现线极化波到圆极化波的转换。

当喇叭天线注入模式为TE₀₁模时，依据

及

分别对极化转换超透镜单元和模式转换超透镜单元进行排布后，同样可以达到图10与图11所示的实施效果。

在其他中心频率f处，根据本发明设计的极化转换超透镜及模式转换超透镜与喇叭天线结合后均可以达到图10与图11所示的实施效果。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化及变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的保护范畴。

Claims (12)

1.一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于可实现波束偏转的高功率模式转换透镜由喇叭天线(1)、极化转换超透镜(2)、定位法兰盘(3)和模式转换超透镜(4)四部分构成，其中喇叭天线(1)为圆锥喇叭天线，由第一法兰盘(11)，圆锥喇叭(12)和第二法兰盘(13)组成；喇叭天线(1)一端通过第一法兰盘(11)与微波源相连作为输入端口，另一端通过第二法兰盘(13)与极化转换超透镜(2)的一面焊接，第一法兰盘(11)和第二法兰盘(13)分别与圆锥喇叭(12)的两端相连；极化转换超透镜(2)的另一面与定位法兰盘(3)一端焊接；定位法兰盘(3)一端与极化转换超透镜(2)焊接，另一端与模式转换超透镜(4)焊接；定义靠近微波源的一端即第一法兰盘(11)所在的端为输入端，定义远离微波源的一端即模式转换超透镜(4)所在的一端为输出端；喇叭天线(1)、极化转换超透镜(2)、定位法兰盘(3)和模式转换超透镜(4)共轴，中心轴线为OO’；

喇叭天线(1)的第一法兰盘(11)焊接在圆锥喇叭(12)输入端的外壁上，第二法兰盘(13)焊接在圆锥喇叭(12)输出端的外壁上；第一法兰盘(11)呈圆环状，其外直径为D₁，内直径为D₂，圆环厚度即轴向长度为t₁；圆锥喇叭(12)由圆波导(121)和圆锥波导(122)连接而成，其中圆波导(121)形状为一个圆筒，内直径等于D₂，轴向长度为t₂，波导壁厚为s；圆锥波导(122)与圆波导(121)相连一端的内直径等于D₂，远离圆波导(121)一端的内直径为D₃，轴向长度为l₁，波导壁厚等于s，D₃>D₂；第二法兰盘(13)呈圆环状，其外直径为D₄，内直径等于D₃，第二法兰盘(13)圆环厚度即轴向长度等于t₁；

极化转换超透镜(2)整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₂；极化转换超透镜(2)由多个极化转换超透镜单元(21)以蜂窝状排列组合而成，令任意一个极化转换超透镜单元(21)的中心轴线为O₁O₁’，O₁O₁’与OO’平行；极化转换超透镜单元(21)中心钻有一个第一圆柱形通孔(211)，第一圆柱形通孔(211)半径为r，深度为l₂，第一圆柱形通孔(211)的中心轴线与O₁O₁’共轴；第一圆柱形通孔(211)内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第一弓形柱(212)和第二弓形柱(213)，第一弓形柱(212)和第二弓形柱(213)分别通过第一支撑杆(214)和第二支撑杆(215)与第一圆柱形通孔(211)内壁连接，第一弓形柱(212)和第二弓形柱(213)关于O₁O₁’180°旋转对称；第一几何中心轴线O₂O₂’为经过第一弓形柱(212)矩形底面几何中心的垂线，O₂O₂’与O₁O₁’垂直；第一支撑杆(214)与第二支撑杆(215)为两个结构相同的扇环形柱，第一支撑杆(214)与第二支撑杆(215)关于O₁O₁’180°旋转对称；第一支撑杆(214)一个弧面与第一圆柱形通孔(211)内壁连接，另一个弧面与第一弓形柱(212)的弧面连接，在第一圆柱形通孔(211)内部支撑第一弓形柱(212)；第二支撑杆(215)一个弧面与第一圆柱形通孔(211)内壁连接，另一个弧面与第二弓形柱(213)的弧面连接，在第一圆柱形通孔(211)内部支撑第二弓形柱(213)；第一弓形柱(212)与第一支撑杆(214)长度均等于l₂；沿O₁O₁’方向，极化转换超透镜单元(21)在远离微波源的一端开有两个匹配槽，分别为第一出射匹配槽(216)及第二出射匹配槽(218)；极化转换超透镜单元(21)在靠近微波源的一端也开有两个匹配槽，分别为第一入射匹配槽(217)及第二入射匹配槽(219)；第一出射匹配槽(216)、第二出射匹配槽(218)、第一入射匹配槽(217)、第二入射匹配槽(219)结构相同，第一出射匹配槽(216)与第二出射匹配槽(218)关于O₁O₁’180°旋转对称，第一入射匹配槽(217)与第二入射匹配槽(219)关于O₁O₁’180°旋转对称，第一出射匹配槽(216)与第一入射匹配槽(217)关于O₂O₂’对称；

极化转换超透镜单元(21)的横截面为正六边形，边长为a；第一弓形柱(212)横截面为弓形，半径为r₀，弦长为d；第一支撑杆(214)横截面为扇环形，内径为r₀，外径为r，宽度为b；第一出射匹配槽(216)横截面为扇环形，内外环半径分别为r及r₁，槽宽为k；

极化转换超透镜单元(21)的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，定义极化转换超透镜(2)中心O₃处极化转换超透镜单元(21)在第0行第0列，极化转换超透镜(2)中心O₃上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负；以O₃为坐标原点建立x₁-y₁固定直角坐标系，x₁为坐标Q₁(x₁,y₁)的横坐标，y₁为Q₁(x₁,y₁)的纵坐标；定义O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角为正，与x₁轴正向的逆时针夹角为负；第一圆柱形通孔(211)中心所对应的投影坐标为Q₁(x₁,y₁)的极化转换超透镜单元(21)的第一几何中心轴线O₂O₂’与x₁轴正向的顺时针夹角α₁由喇叭天线(1)注入的具体模式确定；

定位法兰盘(3)的中心轴线为OO’；定位法兰盘(3)整体呈圆环状，其外直径等于D₄，内直径等于D₃，圆环厚度即轴向长度为l₃；定位法兰盘(3)一端与极化转换超透镜(2)焊接，另一端与模式转换超透镜(4)焊接；

模式转换超透镜(4)整体呈圆盘状，其直径等于D₄，厚度为l₄；模式转换超透镜(4)由多个模式转换超透镜单元(41)以蜂窝状排列组合而成，令任意一个模式转换超透镜单元(41)的中心轴线为O₃O₃’，O₃O₃’与OO’平行；模式转换超透镜单元(41)中心钻有一个第二圆柱形通孔(411)，第二圆柱形通孔(411)半径为r₂，深度为l₄，第二圆柱形通孔(411)的中心轴线与O₃O₃’共轴；第二圆柱形通孔(411)内部有两个结构相同的弓形柱，分别为第三弓形柱(412)和第四弓形柱(413)，第三弓形柱(412)和第四弓形柱(413)分别通过第三支撑杆(414)和第四支撑杆(415)与第二圆柱形通孔(411)内壁连接，第三弓形柱(412)和第四弓形柱(413)关于O₃O₃’180°旋转对称；第二几何中心轴线O₄O₄’为经过第三弓形柱(412)矩形底面几何中心的垂线，O₄O₄’与O₃O₃’垂直；第三支撑杆(414)与第四支撑杆(415)为两个结构相同的扇环形柱，第三支撑杆(414)与第四支撑杆(415)关于O₃O₃’180°旋转对称；第三支撑杆(414)一个弧面与第二圆柱形通孔(411)内壁连接，另一个弧面与第三弓形柱(412)的弧面连接，在第二圆柱形通孔(411)内部支撑第三弓形柱(412)；第四支撑杆(415)一个弧面与第二圆柱形通孔(411)内壁连接，另一个弧面与第四弓形柱(413)的弧面连接，在第二圆柱形通孔(411)内部支撑第四弓形柱(413)；第三弓形柱(412)与第三支撑杆(414)长度均等于l₄；

模式转换超透镜单元(41)的横截面为正六边形，边长为a₁；第三弓形柱(412)横截面为弓形，半径为r₃，弦长为d₁；第三支撑杆(414)横截面为扇环形，内径为r₃，外径为r₂，宽度为b₁；

模式转换超透镜单元(41)的横截面紧密排列成一个直径为D₄的圆形，定义模式转换超透镜中心O₆处模式转换超透镜单元在第0行第0列，模式转换超透镜中心O₆上侧单元所处行数为正、下侧为负，右侧单元所处列数为正、左侧为负；设模式转换超透镜的中心O₆处为坐标原点，建立x₂-y₂固定直角坐标系，则任意一个模式转换超透镜单元的第二圆柱形通孔的中心在x₂-y₂平面的投影可用坐标Q₂(x₂,y₂)表示，x₂为Q₂(x₂,y₂)的横坐标，y₂为Q₂(x₂,y₂)的纵坐标，定义O₄O₄’与x₂轴正向的顺时针夹角为正，与x₂轴正向的逆时针夹角为负；坐标为Q₂(x₂,y₂)的模式转换超透镜单元(41)的第二几何中心轴线O₄O₄’与x₂轴正向的顺时针夹角α₂由喇叭天线(1)注入模式、最终出射模式及出射方向确定。

2.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于所述喇叭天线(1)、极化转换超透镜(2)、定位法兰盘(3)和模式转换超透镜(4)为金属材料制成。

3.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于所述极化转换超透镜单元(21)第一圆柱形通孔(211)的半径r<c/2f，深度l₂<3c/2f，极化转换超透镜单元(21)横截面正六边形的边长

f为喇叭天线(1)出射微波的中心频率，c为真空中光速；第一弓形柱(212)半径r₀<r，弦长d<2r₀；第一出射匹配槽(216)、第二出射匹配槽(218)、第一入射匹配槽(217)、第二入射匹配槽(219)的外径r₁满足c/2f>r₁>r，槽深l₂₁<l₂/2，槽宽k<d；第一支撑杆(214)宽b<r₀。

4.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于当喇叭天线(1)注入线极化TM₀₁模式时，夹角

p₁表示极化转换超透镜单元(21)在蜂窝状阵列中所处行数，q₁表示极化转换超透镜单元(21)在蜂窝状阵列中所处列数。

5.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于当喇叭天线(1)注入线极化TE₀₁模式时，

p₁表示极化转换超透镜单元(21)在蜂窝状阵列中所处行数，q₁表示极化转换超透镜单元(21)在蜂窝状阵列中所处列数。

6.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于第一出射匹配槽(216)槽深l₂₁<l₂/2。

7.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于定位法兰盘(3)的轴向长度l₃＝3c/4f，f为喇叭天线(1)出射微波的中心频率，c为真空中光速。

8.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于模式转换超透镜单元(41)第二圆柱形通孔(411)半径r₂<c/4f，深度l₄<c/2f，模式转换超透镜单元(41)横截面正六边形的边长

第三弓形柱(412)半径r₃<r₂，弦长d₁<2r₃；第三支撑杆(414)宽b₁<r₃。

9.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于当喇叭天线(1)注入线极化TM₀₁模，最终出射圆极化TE₁₁模时，α₂由下式确定

其中，θ为出射波束的俯仰角，l₁为喇叭天线(1)圆锥波导轴向长度，

a₁为模式转换超透镜单元(41)横截面正六边形的边长，p₂表示模式转换超透镜单元(41)在蜂窝状阵列中所处行数，q₂表示模式转换超透镜单元(41)在蜂窝状阵列中所处列数。

10.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于当喇叭天线(1)注入线极化TE₀₁模，最终出射圆极化TE₁₁模时，α₂由下式确定

其中，θ为出射波束的俯仰角，l₁为喇叭天线(1)圆锥波导轴向长度，

a₁为模式转换超透镜单元(41)横截面正六边形的边长，p₂表示模式转换超透镜单元(41)在蜂窝状阵列中所处行数，q₂表示模式转换超透镜单元(41)在蜂窝状阵列中所处列数。

11.如权利要求1所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于通过电磁仿真软件CST Studio Suite，在满足0<r₀<r<r₁<c/2f，0<r₃<r₂<c/4f，0<2l₂₁<l₂<3c/2f，0<l₄<c/2f，

0<d<2r₀，0<b<r₀，k<d，0<d₁<2r₃，0<b₁<r₃，D₃>D₂>0，l₁>0，D₄>D₁>0，t₁>0，t₂>0，s>0的条件下，设定天线辐射效率大于99％，获得参数a、a₁、r、r₀、r₁、r₂、r₃、l₁、l₂、l₂₁、l₄、d、d₁、b、b₁、k、D₁、D₂、D₃、D₄、t₁和t₂的精确值。

12.如权利要求11所述的一种可实现波束偏转的高功率模式转换超透镜天线，其特征在于s取3-5mm，极化转换超透镜(2)的厚度l₂约为一个自由空间波长，模式转换超透镜(4)的厚度l₄约为半个自由空间波长。

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