CN111666682A - 超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于单层双箭头PB超表面的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，该方法包括基于琼斯矩阵从理论上推导高效反射PB单元在宽带范围内的高效实现条件，并建立宽带PB超表面工作方程；基于旋转对称性，在超宽带范围12GHz‑18GHz内制作出超表面单元；使得所述聚集超表面宽带透镜在13.5GHz‑18.5GHz范围内实现聚焦；采用阿基米德螺旋天线作为天线馈源，对所述聚集超表面宽带透镜进行馈电，得到所述圆极化平面反射阵天线。与相关技术相比，本发明的基于单层双箭头PB超表面的圆极化平面反射阵天线带宽大，厚度小，圆极化纯度高，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种基于单层双箭头型PB超表面的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法。
背景技术
微带反射阵天线由馈源天线和超表面两部分够成，它集成了反射面天线与阵列天线的优势，在卫星通信系统、雷达系统中应用十分广泛，其工作频段也由微波段拓展至太赫兹频段，同时，由于反射阵天线强大的波束控制特性，天线工程师已研制出了不同功能的反射阵天线，如双频高增益天线、双极化反射阵天线、圆极化反射阵天线、双线极化可调反射阵天线、X波段超宽带天线，波束扫描天线以及多波束高增益天线等。
圆极化反射阵天线的应用非常广泛，但现有技术中传统的圆极化反射阵天线采用多层技术实现带宽的展宽，这显著增加了圆极化天线的厚度，增加了加工成本，同时不利于工程应用中的实际加载。
因此，有必要提供一种新的基于单层PB(Pancharatnam–Berry)超表面的圆极化平面反射阵天线的设计方法解决上述问题。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，该方法设计出的超宽带圆极化平面反射阵天线的带宽大，厚度小(剖面低)，圆极化纯度高，成本低。
为解决上述技术问题，本发明提供了超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，该方法基于单层双箭头PB超表面进行设计，该方法包括如下步骤：
步骤S1、基于琼斯矩阵从理论上推导高效反射PB单元在宽带范围内的高效实现条件，并建立宽带PB超表面工作方程；
步骤S2、结合所述宽带PB超表面工作方程，基于旋转对称性和多模谐振特征，设计出单层双箭头PB超表面单元，实现超宽带特性，且在超宽带范围12GHz-18GHz内所述超表面单元的效率大于0.9，其单元尺寸为0.4λ0，其厚度为0.16λ0，其中λ0为中心频率的自由空间波长；
步骤S3、基于所述单层双箭头PB超表面单元设计聚集超表面宽带透镜，并使得所述聚集超表面宽带透镜在13.5GHz-18.5GHz范围内实现超宽带波束汇聚；
步骤S4、采用阿基米德螺旋天线作为天线馈源，对所述聚集超表面宽带透镜进行馈电，得到所述圆极化反射阵天线。
优选的，所述步骤S2中，所述单层双箭头PB超表面单元由上层双箭头谐振贴片、中间介质层以及下层金属地板构成。
优选的，所述中间介质层采用厚度为h＝3mm，介电常数为2.65的F4B基板构成。
优选的，所述单层双箭头PB超表面单元的周期尺寸px×py＝8mm×8mm，t＝0.55mm，b＝2.5mm。
优选的，所述步骤S3中，所述聚集超表面宽带透镜的中心频率设置为f0＝16GHz，焦距设置为L＝70mm。
优选的，所述聚集超表面宽带透镜由20×20个所述单层双箭头PB超表面单元构成，所述聚集超表面宽带透镜尺寸为160×160mm2。
与相关技术相比，本发明的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中，首先基于琼斯矩阵从理论上推导反射PB单元在宽带范围内的高效实现条件，在旋转对称条件下，需要实现不同频率交叉极化的完全转换并保持相位一致。为了拓宽工作带宽，采用多谐振的双箭头型单元，在12～18GHz范围内实现了高效转换，转换率大于0.9，且单元尺寸仅为0.4λ0，厚度仅为0.16λ0；基于所述单层双箭头PB超表面单元设计聚集超表面宽带透镜，在13.5-18.5GHz范围内具有良好的聚焦效果，采用阿基米德螺旋天线对聚集超表面宽带透镜馈电，设计出超宽带圆极化平面反射阵天线，且上述方法设计的该超宽带圆极化平面反射阵天线带宽大、圆极化纯度高、增益高、成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法的流程框图；
图2为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中单层双箭头PB超表面单元结构示意图，其中图2(a)为旋转前结构示意图，图2(b)为旋转后结构示意图；
图3为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中的宽带反射单元设计示意图，其中，图3(a)为PB单元俯视图以及具体尺寸；图3(b)为CST仿真时，PB单元电磁仿真设置；
图4为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中线极化波入射时单元的最终反射曲线图；
图5为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中圆极化波入射时单元的最终反射曲线图；
图6为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中不同入射角所对应的单元主极化反射相位；
图7为超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中圆极化透镜设计示意图，其中图7(a)为圆极化透镜所需的相位分布示意图；图7(b)为圆极化透镜版图示意图；
图8为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中CST仿真得到的xoz平面上不同频率的电场强度分布示意图；其中，(a)13.5GHz，(b)14.5GHz，(c)15.5GHz，(d)16.5GHz，(e)17.5GHz，(f)18.5GHz；
图9为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中圆极化聚焦超表面在不同频率处z轴上电场强度分布曲线图；
图10为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中仿真和测试的不同频率的二维方向图，其中，(a)13.5GHz，(b)14.5GHz，(c)15.5GHz，(d)16.5GHz，(e)17.5GHz，(f)18.5GHz；
图11为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中单层双箭头PB超表面的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中设计的圆极化反射阵天线与馈源增益对比曲线图；
图12为本发明超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中仿真和测试的圆极化反射阵天线轴比特性曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，该方法基于单层双箭头PB超表面进行设计，其中，需要说明的是，本实施方式中，PB超表面单元、PB单元、超表面单元、宽带单元，均指同一特征。
请结合图1所示，该方法包括如下步骤：
步骤S1、基于琼斯矩阵从理论上推导高效反射PB单元在宽带范围内的高效实现条件，并建立宽带PB超表面工作方程。
高效PB工作机理：
所谓的PB(Pancharatnam–Berry)超表面，又称几何超表面，是指通过旋转人工媒质单元，定量实现相位变化的技术。
如图2所示，假设由周期排列的超表面放置在xoy平面，超表面在x和y轴上具有镜像对称特性。
当一束右旋圆极化波沿-z方向垂直入射到超表面上，则根据电磁场理论，入射波的方程为：
其中，ω为角频率，k为传输波矢，
t表示变化时间，假设超表面沿逆时针方向旋转θ角度，则旋转后的琼斯矩阵可以表示为：
其中，rxx，rxy，ryx，ryy分别表征线极化状态下的反射系数，下标x和y表示入射波的极化方向。
因此可以得到圆极化波下的反射矩阵与线极化波下的反射矩阵的关系为：
其中，L，R分别为左旋或右旋波，X，Y分别为x极化或y极化电磁波。
将式(2)带入式(3)，可以得到圆极化波下的反射系数与线极化波下的反射系数的关系为：
从上式中可以得出，当|rxy|≈|ryx|≈1，且rxx≈ryy≈0时，交叉极化间不存在相位差，使得反射型单元实现高效的极化保持。在这种情况下，反射系数的琼斯矩阵可以表示为
反射波的极化与入射波极化相同，同时，相位的变化量为2θ，意味着在圆极化波入射的条件下相位变化量为高效反射PB单元旋转角度的2倍。
为了实现宽带工作，PB超表面在f1到f2频率范围内应满足
其中fi为f1到f2频率范围内的任一频率，φ(L,L)表征左旋圆极化波激励时左旋圆极化波的反射相位，也就是说PB超表面具有一致的相位变化率，式(5)即为所述宽带PB超表面工作方程。
步骤S2、结合所述宽带PB超表面工作方程，基于旋转对称性和多模谐振特征，设计出单层双箭头PB超表面单元，实现超宽带特性，且在超宽带范围12GHz-18GHz内所述超表面单元的效率大于0.9，其单元尺寸为0.4λ0，其厚度为0.16λ0，其中λ0为中心频率的自由空间波长。
本步骤中，在旋转对称条件下，需要实现不同频率交叉极化的完全转换并保持相位一致。
基于宽带PB超表面的设计机理，这里提出了基于双箭头型的单层PB单元，其结构示意图如图3所示，其中图3(a)为PB单元俯视图以及具体尺寸，图3(b)为CST仿真时，PB单元电磁仿真设置。
PB单元由上层双箭头谐振贴片，中间介质层以及下层金属地板构成。其中，优选中间介质层采用厚度为h＝3mm，介电常数为2.65的F4B基板构成，其损耗角正切为0.005。PB单元周期尺寸px×py＝8mm×8mm，t＝0.55mm，b＝2.5mm。图3(b)给出了单元在CST软件中的仿真设置，单元周围采用周期边界(unit cell)，用于模拟无限大的周期体系。
优化好单元参数后，采用线极化波对单元进行激励，最终PB单元的反射幅度曲线如图4所示，可以看出，单元反射特性满足式(4)中的条件，单元主极化反射系数均为0，而交叉极化反射系数相等，同时幅度接近于1，因此，单元满足高效宽带圆极化转化条件。图5给出了最终优化的圆极化波入射条件下单元的反射系数，可以看出，在很宽的带宽范围内，单元在圆极化条件下实现同极化转化，转化率高于0.9。其单元尺寸为0.4λ0，其厚度为0.16λ0；其中λ0为中心频率的自由空间波长。
由于本发明要进行圆极化反射阵的研制，部分单元相当于斜入射情形，因此，这里对单元斜入射时的电磁特性进行研究，结果如图6所示，为不同入射角所对应的单元主极化反射相位图。可以看出单元在斜入射情形下，反射相位变化幅度很小，尤其在β<45°时，反射相位几乎不变，同时，其反射幅度也几乎不变，因此，这种情况下，可以用垂直入射的情况代替斜入射的情况，入射角度对单元特性的影响可以忽略不计。
步骤S3、基于所述单层双箭头PB超表面单元设计聚集超表面宽带透镜，并使得所述聚集超表面宽带透镜在13.5GHz-18.5GHz范围内实现超宽带波束汇聚。
设计好宽带单元后，可以进行聚集超表面宽带透镜或聚集超表面的设计，中心频率设置在f0＝16GHz，焦距设置在L＝70mm。由此，可以计算出单元的相位分布满足：
其中λ0为中心频率的自由空间波长，
为原点位置的参考相位，可以任意取值，参图7所示，其中图7(a)为圆极化透镜所需的相位分布图，给出了不同位置的相位分布；图7(b)为圆极化透镜版图示意图。计算了聚焦表面的相位分布，我们需要求出反射单元的旋转角度，由于PB超表面相位偏移与旋转角度存在定量关系，因此旋转角度可以计算为：
根据该公式，将超表面响应位置的单元旋转相应的角度，就可以得到相关的超表面分布，得到的聚焦表面的结构示意图如图7(b)所示。超表面由20×20个基本单元构成，超表面尺寸为160×160mm2，即所述聚集超表面宽带透镜由20×20个所述单层双箭头PB超表面单元构成，所述聚集超表面宽带透镜尺寸为160×160mm2。
宽带聚焦超表面的性能：右旋圆极化平面波沿-z方向垂直入射到聚焦超表面，如图8所示，为CST仿真得到的xoz平面上不同频率的电场强度分布仿真效果图。图7给出了从13.5GHz到18.5GHz，以1GHz为步进的xoz平面上的电场强度分布。可以看出，超表面在很宽的频带范围内均实现了良好的聚焦效果，这里需要说明的是，设计的超表面实现的实际是三维的聚焦，这里只给出了xoz平面上的电场强度分布情况，yoz平面上聚焦也具有类似的聚集效果，每个频率处的电场强度均对该频率进行了归一化处理。入射的平面波经过超表面后，能量在一个点汇聚，说明了超表面设计的合理性和准确性。接下来，我们验证超表面的焦距特性，在13.5GHz到18.5GHz范围内，z轴上电场强度分布如图9所示，为圆极化聚焦超表面在不同频率处z轴上电场强度分布曲线图。z轴上电场强度的最大值我们定义为超表面的焦距，可以看出，不同频率超表面的焦距不同，这主要是由于工作频率差异，导致波长存在差异，进而造成不同频率需要相位的差异。由图可知，工作频率越大，焦距越大，超表面在中心频率时的焦距为68mm，这与设计值70mm即为接近，进一步验证了设计的准确性。在宽带范围内，超表面的焦距在50mm到82mm之间变化，在17.5GHz时，聚焦能量达到最大值。当工作频率小于13.5GHz时，超表面的聚焦效果遭到恶化，这主要是由于设计相位与需求值差别较大造成的。
步骤S4、采用阿基米德螺旋天线作为天线馈源，对所述聚集超表面宽带透镜进行馈电，得到所述圆极化反射阵天线。
将圆极化馈源放置在聚焦超表面的焦点处，可以设计出圆极化反射阵天线，本发明对圆极化聚焦超表面和阿基米德螺旋天线进行加工和组装，得到所述圆极化反射阵天线。
采用微波暗室对反射阵天线进行测试，13.5-18.5GHz范围内仿真和测试的天线方向图如图10所示。可以看出，在该频率范围内，天线仿真和测试结果吻合良好。天线在该频段范围内，实现了窄波束、高增益辐射。在该频率范围内，天线的旁瓣电平均低于15dB，后瓣电平均低于25dB，说明反射阵天线系统具有良好的辐射性能。
相对于馈源天线，超宽带平面反射阵天线增益实现了大幅度的增长，为了研究该特性，对空阿基米德螺旋天线和反射阵天线不同频率的增益分别进行测试，测试结果见图11。由图11可知，对于反射阵天线和阿基米德螺旋天线，两者仿真和测试结果一致性非常好，验证了天线设计的准确性。反射阵天线比馈源天线增益明显提升，在13.5-19GHz之间，圆极化反射阵天线比阿基米德螺旋天线的增益至少提高了17.5dB。天线阵最大测试增益出现在16.5GHz，增益达到了26.8dB，1dB测试增益带宽为15-18.5GHz。
圆极化天线一个很重要的指标是轴比特性，对设计的圆极化反射阵天线的轴比特性进行了仿真和测试，结果见图12所示。可以看出，仿真和测试结果吻合良好，证明了设计天线具有良好的圆极化特性。天线在13-19GHz范围内，仿真和测试轴比均优于3dB，测试天线轴比在16.5GHz时达到最小值1.2。
与相关技术相比，本发明的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法中，首先基于琼斯矩阵从理论上推导反射PB单元在宽带范围内的高效实现条件，在旋转对称条件下，需要实现不同频率交叉极化的完全转换并保持相位一致。为了拓宽工作带宽，采用多谐振的双箭头型单元，在12～18GHz范围内实现了高效转换，转换率大于0.9，且单元尺寸仅为0.4λ0，厚度仅为0.16λ0；基于所述单层双箭头PB超表面单元设计聚集超表面宽带透镜，在13.5-18.5GHz范围内具有良好的聚焦效果，采用阿基米德螺旋天线对聚集超表面宽带透镜馈电，设计出超宽带圆极化平面反射阵天线，且上述方法设计的该超宽带圆极化平面反射阵天线带宽大、圆极化纯度高、增益高、成本低。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，其特征在于，该方法基于单层双箭头PB超表面进行设计，该方法包括如下步骤：
步骤S1、基于琼斯矩阵从理论上推导高效反射PB单元在宽带范围内的高效实现条件，并建立宽带PB超表面工作方程；
步骤S2、结合所述宽带PB超表面工作方程，基于旋转对称性和多模谐振特征，设计出单层双箭头PB超表面单元，实现超宽带特性，且在超宽带范围12GHz-18GHz内所述超表面单元的效率大于0.9，其单元尺寸为0.4λ0，其厚度为0.16λ0，其中λ0为中心频率的自由空间波长；
步骤S3、基于所述单层双箭头PB超表面单元设计聚集超表面宽带透镜，并使得所述聚集超表面宽带透镜在13.5GHz-18.5GHz范围内实现超宽带波束汇聚；
步骤S4、采用阿基米德螺旋天线作为天线馈源，对所述聚集超表面宽带透镜进行馈电，得到所述圆极化反射阵天线。
2.根据权利要求1所述的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，所述单层双箭头PB超表面单元由上层双箭头谐振贴片、中间介质层以及下层金属地板构成。
3.根据权利要求2所述的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述中间介质层采用厚度为h＝3mm，介电常数为2.65的F4B基板构成。
4.根据权利要求3所述的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述单层双箭头PB超表面单元的周期尺寸px×py＝8mm×8mm，t＝0.55mm，b＝2.5mm。
5.根据权利要求1所述的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述聚集超表面宽带透镜的中心频率设置为f0＝16GHz，焦距设置为L＝70mm。
6.根据权利要求5所述的超宽带圆极化平面反射阵天线的设计方法，其特征在于，所述聚集超表面宽带透镜由20×20个所述单层双箭头PB超表面单元构成，所述聚集超表面宽带透镜尺寸为160×160mm2。
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2020
- 2020-06-04 CN CN202010501639.3A patent/CN111666682B/zh active Active
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