CN111916909A - 基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线 - Google Patents

基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，用于解决现有技术中存在的不能实现辐射波束极化转换且天线剖面体积较大的技术问题，包括主透射镜、副反射镜、支撑结构和馈源；所述的主透射镜采用由第一超表面单元组成平面阵结构，该第一超表面单元包括第一圆形金属贴片、第一介质基板、蚀刻有漏波缝隙的金属贴片、第二介质基板和第二圆形金属贴片，每个第一圆形金属贴片与第二圆形金属贴片金属化过孔连接；所述副反射镜采用中心镂空的由第二超表面单元组成平面阵结构，该第二超表面单元包括第三介质基板、印制在第一介质基板上表面的双开口环形金属贴片和下表面的金属地板。

Description

基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种折叠天线，具体涉及一种基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，可用于无线通信和雷达等领域。
技术背景
透射阵天线由馈源和具有大量透射型单元的平面阵构成，具有高增益、重量轻和易于加工制造等优点，被广泛应用于天线基站和雷达通信系统中。透射阵天线能够通过调节每个透射型单元的相位，将从馈源发射的球面入射波转换成平面波,同时辐射出去在指定方向上形成笔形射束，与反射阵天线相比，透射阵天线的馈源位于辐射口径的后方，能有完美的避免反射阵天线所产生馈源遮挡辐射口径的技术问题，具有高口径效率和低副瓣电平的优点。然而，对于透射阵天线来说，其馈源位置与透射阵天线的焦距有关，而天线的焦距与口径成正比关系。所以，口径越大，透射阵天线相应的剖面高度也越大。
为了解决透射阵天线剖面高度较大的技术问题，现有研究提出了一种低剖面透射阵列天线，采用透射阵面与反射面结合的方式，利用光路折叠的方法有效的降低透射阵天线的剖面高度。如授权公告号CN 110233339 B，名称为“一种低剖面透射阵天线”的发明专利中，公开了一种基于超表面的低剖面透射阵天线，该发明包括透射阵面、反射阵面、馈源天线和尼龙柱，透射阵面和反射阵面之间通过四个尼龙柱支撑，使得透射阵面和反射阵面之间的距离保持为焦距的三分之一。上述现有技术的缺陷在于，该透射阵天线仅能将天线的剖面体积固定为焦距的三分之一，由于折叠光路的问题天线的剖面无法进一步降低，但这对于低频的透射阵天线来说，焦距的三分之一下其剖面体积仍然较大，因此期望能够实现对剖面高度的进一步降低；与此同时，该透射阵天线仅有能力实现简单的线极化辐射波束，对于某些特定的场合更多的是发射和接收圆极化辐射波束，因此也期望透射阵天线具有较好的极化转换能力。另外，与笔波束辐射相比，基于轨道角动量的涡旋波辐射作为一种新的通信方式，可以实现在同一频段内并行传输多路信息，能够大大提高频谱利用率，面对目前复杂的通信环境，仅能传输单一信息的笔波束辐射天线已经难以满足通信需求，因此期望天线能够产生涡旋波辐射。
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低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，旨在将馈源辐射的线极化波束转换为圆极化涡旋波束，同时实现天线的小型化。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括主透射镜1、副反射镜2、支撑结构3和馈源4，其中：
所述主透射镜1，包括M×N个周期性排布的第一超表面单元11，M≥8，N≥8；所述第一超表面单元11包括上下层叠的第一介质基板111和第二介质基板112；所述第一介质基板111的上表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第一圆形金属贴片1111，该第一圆形金属贴片1111的任意一条直径与圆周的两个交汇点位置各蚀刻一个矩形缺口，每个第一圆形金属贴片1111绕着其中心轴线旋转，旋转方向根据该第一圆形金属贴片1111所在位置的相位补偿值ΦM(x1,y1)确定，用于实现圆极化涡旋波特性；所述第二介质基板112的上表面印制有蚀刻漏波缝隙的金属贴片1121，下表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第二圆形金属贴片1122；所述第一介质基板111上表面印制的第一圆形金属贴片1111与其在第二介质基板112下表面对应位置印制的第二圆形金属贴片1122通过金属化过孔113连接；
所述副反射镜2，包括P×Q个周期性排布的第二超表面单元21，P≤M，Q≤N，且中心镂空；所述第二超表面单元21，包括第三介质基板211、印制在第三介质基板211上表面的双开口环形金属贴片212和下表面的金属地板213，所述双开口环形金属贴片212的开口尺寸通过其所在位置的相位补偿值ΦS(x2,y2)确定，ΦS(x2,y2)的计算公式为：
Figure BDA0002654318390000021
其中k为自由空间中的波数，x2和y2分别双开口环形金属贴片212的中心坐标，f1为主透射镜1的焦距，Φ0为任意常数相位值；
所述副反射镜2通过非金属材料的支撑结构3固定在主透射镜1的四分之一焦距位置；所述馈源4固定在副反射镜2的中心镂空位置，且该馈源4的相位中心位于副反射镜2的中心位置。
上述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，所述主透射镜1与副反射镜2的中心法线重合。
上述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，所述第一圆形金属贴片1111中心蚀刻的C型缝隙，与第二圆形金属贴片1122中心蚀刻的C型缝隙的结构相同，且C型缝隙中心位于其所在的圆形金属贴片的中心法线上。
上述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，所述双开口环形金属贴片212，包括第一方形环金属贴片2122和嵌套在其内的第二方形环金属贴片2121，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2123连接。
上述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，所述馈源4，采用矩形喇叭天线结构。
上述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，所述第一圆形金属贴片1111所在位置的相位补偿值ΦM(x1,y1)的计算公式为：
Figure BDA0002654318390000031
其中k为自由空间中的波数，x1和y1分别为第一圆形金属贴片1111的中心坐标，f1为主透射镜1的焦距，l为涡旋波的模式，Φ0为任意常数相位值。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1.本发明第一介质基板上表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第一圆形金属贴片，该第一圆形金属贴片的任意一条直径与圆周的两个交汇点位置各蚀刻一个矩形缺口，每个第一圆形金属贴片绕着其中心轴线旋转，旋转方向根据该第一圆形金属贴片所在位置的相位补偿值确定，能够将馈源辐射的线极化电磁波转换为圆极化涡旋波束，与现有仅能实现单纯的高增益辐射的技术相比，同时兼顾了线圆极化转换和高增益辐射特性。
2.本发明通过对副反射镜上每个第二超表面单元的双开口环形金属贴片进行相位补偿，使主透射镜和副反射镜之间的距离降低为主透射镜焦距的四分之一，与现有仅能实现三分之一焦距的技术相比，进一步降低了天线的高度，实现了天线的小型化。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明第一超表面单元的结构示意图，其中图2(a)是第一超表面单元的侧视图，图2(b)是第一圆形金属贴片、金属贴片和第二圆形金属贴片的正视图；
图3是本发明第二超表面单元的结构示意图；
图4是本发明具体实施例的电压驻波比曲线图；
图5是本发明具体实施例在15.0GHz频率上的E面辐射方向图；
图6是本发明具体实施例在15.0GHz频率上的H面辐射方向图；
图7是本发明具体实施例在15.0GHz频率上左旋圆极化的轴比。
图8是本发明具体实施例在15.0GHz频率上的电场的幅度(a)和相位图(b)。
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。
参照图1，本发明包括主透射镜1、副反射镜2、支撑结构3和馈源4，其中：
所述主透射镜1，包括26×26个周期性排布的第一超表面单元11。
所述副反射镜2，包括26×26个周期性排布的第二超表面单元21，且中心镂空。
所述副反射镜2通过非金属材料的支撑结构3固定在主透射镜1的四分之一焦距位置；所述馈源4固定在副反射镜2的中心镂空位置，且该馈源4的相位中心位于副反射镜2的中心位置。
所述主透射镜1与副反射镜2的中心法线重合。
所述馈源4，采用矩形喇叭天线结构。
参照图2，所述第一超表面单元11包括上下层叠的第一介质基板111和第二介质基板112；所述第一介质基板111的上表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第一圆形金属贴片1111，该第一圆形金属贴片1111的任意一条直径与圆周的两个交汇点位置各蚀刻一个矩形缺口，每个第一圆形金属贴片1111绕着其中心轴线旋转，旋转方向根据该第一圆形金属贴片1111所在位置的相位补偿值ΦM(x1,y1)确定，用于实现圆极化涡旋波特性；所述第二介质基板112的上表面印制有蚀刻圆形漏波缝隙的金属贴片1121，下表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第二圆形金属贴片1122；所述第一介质基板111上表面印制的第一圆形金属贴片1111与其在第二介质基板112下表面对应位置印制的第二圆形金属贴片1122通过金属化过孔113连接，且该金属化过孔的直径为0.4mm；所述第一圆形金属贴片1111中心蚀刻的C型缝隙，与第二圆形金属贴片1122中心蚀刻的C型缝隙的结构相同，且C型缝隙中心位于其所在的圆形金属贴片的中心法线上；该第一超表面单元11的尺寸如下：a＝6mm,w＝0.2mm,r1＝2.5mm,r2＝1.3mm,d1＝1.9mm,d2＝0.61mm,r3＝0.8mm,t＝1mm,εr＝3.5；所述第一圆形金属贴片1111所在位置的相位补偿值ΦM(x1,y1)的计算公式为：
Figure BDA0002654318390000051
其中k为自由空间中的波数，x1和y1分别为第一圆形金属贴片1111的中心坐标，f1为主透射镜1的焦距且f1＝135mm，l为涡旋波的模式且l＝1，Φ0为任意常数相位值。
参照图3，所述第二超表面单元21，包括第三介质基板211、印制在第三介质基板211上表面的双开口环形金属贴片212和下表面的金属地板213，所述双开口环形金属贴片212，包括第一方形环金属贴片2122和嵌套在其内的第二方形环金属贴片2121，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2123连接；该第二超表面单元21的尺寸如下：a1＝4mm,t1＝3mm,
Figure BDA0002654318390000052
w1＝0.2mm,εr＝2.2；所述双开口环形金属贴片212的开口尺寸d通过其所在位置的相位补偿值ΦS(x2,y2)确定，ΦS(x2,y2)的计算公式为：
Figure BDA0002654318390000053
其中k为自由空间中的波数，x2和y2分别双开口环形金属贴片212的中心坐标，f1为主透射镜1的焦距且f1＝135mm，Φ0为任意常数相位值；
本发明的工作原理为：
1、首先对主透射镜1的功能进行描述：当主透射镜1上第一圆形金属贴片1111根据其透射相位补偿值进行梯度排列时，第一圆形金属贴片1122所接收到的线极化电磁波通过金属化过孔113耦合至第一圆形金属贴片1111后，实现了涡旋波辐射和线极化到圆极化的转换功能；与此同时，该主透射镜1还可以完美的反射其正交线极化电磁波。
2、其次对副反射镜2的功能进行描述：副反射镜2上双开口环形金属贴片212可以将来自于馈源4的线极化电磁波转换为其交叉线极化电磁波，同时提供合适的相位补偿使主透射镜1和副反射镜2之间的距离降为主透射镜1焦距的四分之一。
3、通过将上述主透射镜1与副反射镜2相结合时，来自于馈源的线极化波照射至主透射镜1时将会发生全反射而照射至副反射镜2，通过副反射镜2将该线极化波转换为其正交线极化波，并将天线的剖面高度降低为主透射镜1焦距的四分之一，最后该正交线极化波从主透射镜1透射出去实现圆极化涡旋波辐射，同时兼顾了极化转换和高增益辐射。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1.仿真条件和内容。
使用商业仿真软件CST Microwave Studio对上述实施例进行。
仿真1，对具体实施例在14.5GHz～15.7GHz的电压驻波比进行仿真，其结果如图4所示；
仿真2，对具体实施例在15.0GHz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真，其结果如图5和图6所示；
仿真3，对具体实施例在15.0GHz频率下的轴比曲线进行了仿真，其结果如图7所示；
仿真4，对具体实施例在15.0GHz频率下的电场的幅度和相位进行了仿真，其结果如图8所示；
2.仿真结果分析：
参照图4，展示了该折叠透射阵天线的电压驻波比，仿真结果说明，电压驻波比在14.7～15.7GHz的频带范围内低于2，说明在该频带范围内天线能够实现良好的匹配；
参照图5和图6，展示了该折叠透射阵天线的远场方向图，仿真结果说明，左旋圆极化实现了较好的涡旋波辐射，而右旋圆极化波则完全被抑制，E面的最大增益在-5°为18.0dBic且在6°为18.1dBic，H面的最大增益在-6°为18.1dBic且在6°为18.7dBic；
参照图7，展示了该折叠透射阵天线的左旋圆极化波束相应的轴比，仿真结果说明，E面的轴比在-5°为0.3dBic且在6°为0.4dBic，H面的轴比在-6°为0.2dBic且在6°为0.7dBic，说明了该折叠天线实现了完美的圆极化涡旋波辐射；
参照图8，展示了该折叠透射阵天线的左旋圆极化波束相应的电场幅度方向图和相位方向图，仿真结果说明，电场的幅度方向图为中间带有奇点的圆环形结构，同时相位方向图展示了模态为1的涡旋波形状，说明了该折叠天线完美的实现了涡旋波辐射。
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 (6)

1.一种基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，其特征在于：包括主透射镜(1)、副反射镜(2)、支撑结构(3)和馈源(4)，其中：
所述主透射镜(1)，包括M×N个周期性排布的第一超表面单元(11)，M≥8，N≥8；所述第一超表面单元(11)包括上下层叠的第一介质基板(111)和第二介质基板(112)；所述第一介质基板(111)的上表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第一圆形金属贴片(1111)，该第一圆形金属贴片(1111)的任意一条直径与圆周的两个交汇点位置各蚀刻一个矩形缺口，每个第一圆形金属贴片(1111)绕着其中心轴线旋转，旋转方向根据该第一圆形金属贴片(1111)所在位置的相位补偿值ΦM(x1,y1)确定，用于实现圆极化涡旋波特性；所述第二介质基板(112)的上表面印制有蚀刻漏波缝隙的金属贴片(1121)，下表面印制有中心蚀刻C型缝隙的第二圆形金属贴片(1122)；所述第一介质基板(111)上表面印制的第一圆形金属贴片(1111)与其在第二介质基板(112)下表面对应位置印制的第二圆形金属贴片(1122)通过金属化过孔(113)连接；
所述副反射镜(2)，包括P×Q个周期性排布的第二超表面单元(21)，P≤M，Q≤N，且中心镂空；所述第二超表面单元(21)，包括第三介质基板(211)、印制在第三介质基板(211)上表面的双开口环形金属贴片(212)和下表面的金属地板(213)，所述双开口环形金属贴片(212)的开口尺寸通过其所在位置的相位补偿值ΦS(x2,y2)确定，ΦS(x2,y2)的计算公式为：
Figure FDA0002654318380000011
其中k为自由空间中的波数，x2和y2分别双开口环形金属贴片(212)的中心坐标，f1为主透射镜(1)的焦距，Φ0为任意常数相位值；
所述副反射镜(2)通过非金属材料的支撑结构(3)固定在主透射镜(1)的四分之一焦距位置；所述馈源(4)固定在副反射镜(2)的中心镂空位置，且该馈源(4)的相位中心位于副反射镜(2)的中心位置。
2.根据权利要求1所述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，其特征在于：所述主透射镜(1)与副反射镜(2)的中心法线重合。
3.根据权利要求1所述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，其特征在于：所述第一圆形金属贴片(1111)中心蚀刻的C型缝隙，与第二圆形金属贴片(1122)中心蚀刻的C型缝隙的结构相同，且C型缝隙中心位于其所在的圆形金属贴片的中心法线上。
4.根据权利要求1所述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，其特征在于：所述双开口环形金属贴片(212)，包括第一方形环金属贴片(2122)和嵌套在其内的第二方形环金属贴片(2121)，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(2123)连接。
5.根据权利要求1所述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，其特征在于：所述馈源(4)，采用矩形喇叭天线结构。
6.根据权利要求1所述基于超表面的低剖面圆极化涡旋波折叠透射阵天线，其特征在于：所述第一圆形金属贴片(1111)所在位置的相位补偿值ΦM(x1,y1)的计算公式为：
Figure FDA0002654318380000021
其中k为自由空间中的波数，x1和y1分别为第一圆形金属贴片(1111)的中心坐标，f1为主透射镜(1)的焦距，l为涡旋波的模式，Φ0为任意常数相位值。
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