CN112259969A - 一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，包括：矩形波导、多个超表面、矩‑方波导转换器、极化器、方‑圆波导转换器和馈源喇叭；矩形波导的第二端与矩‑方波导转换器的第一端连接，且矩形波导的第二端与矩‑方波导转换器的第一端连接处附着有超表面1；矩‑方波导转换器的第二端与极化器的第一端连接，且矩‑方波导转换器的第二端与极化器的第一端连接处附着有超表面2；极化器的第二端与方‑圆波导转换器的第一端连接，且极化器的第二端与方‑圆波导转换器的第一端连接处附着有超表面4，极化器内附着超表面3；方‑圆波导转换器的第二端与馈源喇叭的第一端连接。本发明实施例能够减小能量的泄露，提高天线的效率。

Description

一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线

技术领域

本发明涉及馈源天线技术领域，特别是涉及一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线。

背景技术

随着通信产业尤其是个人移动通信的高速发展，无线电频谱的低端频率已趋饱和，为实现高速、宽带的无线通信，势必需要向高频段开发新的频谱资源。通常毫米波频率范围为30～300GHz，带宽高达270GHz，超过从直流到微波全部带宽的10倍。因此，毫米波丰富的频谱资源在高速率的无线通信中有广泛的应用前景。

对于毫米波频段，自由空间路径损耗、降雨衰减和大气衰减大大增加，为了克服这些损耗，天线的高增益高效率特性显得尤为重要。喇叭天线具有增益高，反射小和频带宽等特点，在毫米波频段可以采用光壁赋形喇叭的形式，降低加工难度的同时实现宽带、低交叉极化等特性。由于圆极化波具有抗多径、无需发射接收对齐的优势，因此，圆极化喇叭天线被广泛研究和使用。

通常，现有典型的圆极化喇叭天线由馈电波导，极化器和喇叭辐射体三部分组成，各个部分之间分别通过螺钉或浸焊的方式相连。其中，极化器的结构能够直接决定圆极化喇叭天线的工作带宽和天线性能，根据外观形状，极化器结构可分为两类：一类是极化转换片，通常位于馈电波导或者喇叭天线的孔径处，这种结构的极化器使得喇叭天线工作带宽窄、插入损耗大。另一类是波导极化器，相较于极化转换片能够实现工作带宽宽，插入损耗低和物理强度高。波导极化器的工作机制是：通过轴向旋转入射角45°的矩形波导实现振幅条件，移相器结构实现90°相位条件。常用构建移相器的结构例如添加不连续结构(加脊或槽)，在方形或圆形波导上填充电介质平板，以构建椭圆或六角形波导等。

然而，添加不连续结构(加脊或槽)的波导极化器具有相对复杂的结构，这种极化器在毫米波频段很难用一块集成的金属加工出来，必须要分成两件来加工，为保证加工的毫米波器件具有良好的电接触，需要的加工成本较高，而如果采用常用的连接方法并考虑加工成本，又很难保证良好的电接触，且对于毫米波频段元件的连接，几十微米的空气间隙可能对性能造成很大的影响，从而导致能量的泄露和天线效率的降低。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，以减小能量的泄露，提高天线的效率。具体技术方案如下：

本发明实施例提供了一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，包括：矩形波导、多个超表面、矩-方波导转换器、极化器、方-圆波导转换器和馈源喇叭；所述超表面由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成；所述馈源喇叭为光壁喇叭；

所述矩形波导的第二端与所述矩-方波导转换器的第一端连接，且所述矩形波导的第二端与所述矩-方波导转换器的第一端连接处附着有超表面1；

所述矩-方波导转换器的第二端与所述极化器的第一端连接，且所述矩-方波导转换器的第二端与所述极化器的第一端连接处附着有超表面2；

所述极化器的第二端与所述方-圆波导转换器的第一端连接，且所述极化器的第二端与所述方-圆波导转换器的第一端连接处附着有超表面4，所述极化器内附着超表面3；

所述方-圆波导转换器的第二端与所述馈源喇叭的第一端连接。

可选地，所述超表面1、2和4的方向为E面，所述超表面3的方向为H面。

可选地，当所述超表面1附着于所述矩形波导第二端金属板上时，所述超表面1中附着于矩形波导短边两侧的金属柱尺寸大于其他位置金属柱的尺寸。

可选地，所述极化器为上下对称添加脊的结构，所述极化器上下两部分连接处附着有超表面3。

可选地，所述极化器的等效方波导结构在垂直方向的主模为TE₁₀模式，水平方向主模为TE₀₁模式。

可选地，所述矩-方波导转换器为三节八边形矩形-45°方波导转换器，所述方-圆波导转换器为三节八边形方-圆波导转换器。

可选地，在所述超表面2内边界与水平方向成45°附着于所述矩-方波导转换器第二端的金属板上时，等效为三节八边形矩形-45°方波导转换器。

可选地，所述馈源喇叭包括：圆柱形第一腔体、具有第一预设轮廓的喇叭形第二腔体和具有第二预设轮廓的喇叭形第三腔体；

所述第一腔体的第一端与所述方-圆波导转换器的第二端连接，所述第一腔体的第二端与所述第二腔体的小口径端连接，所述第二腔体的大口径端与所述第三腔体的顶端连接，所述第三腔体的底端为所述光壁喇叭的大口径端。

可选地，所述具有第一预设轮廓的喇叭形第二腔体的轮廓满足以下条件：

y＝sin^1.09(x)

其中，x为点X到所述第二腔体的轴线上的预设原点O的距离，所述点X为所述第二腔体的轴线上的任一点，y为所述第二腔体中，包含所述点X且与所述第二腔体的轴线垂直的截面的半径；

所述具有第二预设轮廓的喇叭形第三腔体的轮廓满足预设直线条件。

可选地，所述矩形波导的第一端为标准矩形波导WR-10端口。

本发明实施例有益效果：

本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，分别在矩形波导与矩-方波导转换器的连接处，矩-方波导转换器与极化器连接处，极化器上下两部分的连接处，以及极化器与方-圆波导转换器的连接处均附着有超表面，而超表面是由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成的，超表面的金属柱在有额外出现空气间隙的情况下，仍然可以保证天线的正常工作，进而能够减小各部件之间连接处由于加工、装配误差而产生的空气间隙对毫米波馈源天线性能的影响，并且能够减小能量的泄露，提高天线的效率。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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他的实施例。

图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种超表面1附着于矩形波导第二端的金属板上的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种超表面1的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种超表面2附着于矩-方波导转换器第二端的金属板上的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种超表面2的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种超表面3附着于极化器内的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种超表面4附着于方-圆波导转换器第一端的金属板上的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在工作频段内输入反射系数的变化示意图；

图9为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在工作频段内圆极化波的轴比和增益变化示意图；

图10a为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在一个工作频段圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图；

图10b为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在另一个工作频段圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图；

图10c为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在再一个工作频段圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图；

图中，1-矩形波导，2-超表面1，3-矩-方波导转换器，4-超表面2，5-极化器，6-超表面3，7-超表面4，8-方-圆波导转换器，9-馈源喇叭。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有添加不连续结构(加脊或槽)的波导极化器，在毫米波频段很难用一块集成的金属加工出来，必须要分成两件来加工，如果采用常用的连接方法并考虑加工成本，又很难保证良好的电接触，且对于毫米波频段元件的连接，几十微米的空气间隙可能对性能造成很大的影响，从而导致能量泄露和天线效率降低的问题，本发明实施例提供了一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，该馈源天线包括：

矩形波导、多个超表面、矩-方波导转换器、极化器、方-圆波导转换器和馈源喇叭；超表面由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成；馈源喇叭为光壁喇叭；

矩形波导的第二端与矩-方波导转换器的第一端连接，且矩形波导的第二端与矩-方波导转换器的第一端连接处附着有超表面1；

矩-方波导转换器的第二端与极化器的第一端连接，且矩-方波导转换器的第二端与极化器的第一端连接处附着有超表面2；

极化器的第二端与方-圆波导转换器的第一端连接，且极化器的第二端与方-圆波导转换器的第一端连接处附着有超表面4，极化器内附着超表面3；

方-圆波导转换器的第二端与馈源喇叭的第一端连接。

本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，分别在矩形波导与矩-方波导转换器的连接处，矩-方波导转换器与极化器连接处，极化器上下两部分的连接处，以及极化器与方-圆波导转换器的连接处均附着有超表面，而超表面是由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成的，超表面的金属柱在有额外出现空气间隙的情况下，仍然可以保证天线的正常工作，进而能够减小各部件之间连接处由于加工、装配误差而产生的空气间隙对毫米波馈源天线性能的影响，并且能够减小能量的泄露，提高天线的效率。

下面进行具体说明，如图1所示，图1为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，该馈源天线可以包括：矩形波导1、多个超表面、矩-方波导转换器3、极化器5、方-圆波导转换器8和馈源喇叭9。其中，超表面由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成；馈源喇叭9为光壁喇叭。

超表面是指一种厚度小于波长的人工层状材料，可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控。应用于天线中的超表面可以实现天线方向性的增强、互耦的抑制、天线的可重构等功能，进而可以辅助提高天线的性能。

本发明实施例中，超表面由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成，其阻带可以覆盖整个馈源天线的工作频带。可选地，本发明实施例中，馈源天线的工作频带范围可以包括75GHz-110GHz，即W频段。其中，预设尺寸根据实际需求进行设定，预设规则可以为按照周期性进行排列。

矩形波导1的第二端与矩-方波导转换器3的第一端连接，且矩形波导1的第二端与矩-方波导转换器3的第一端连接处附着有超表面1。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，矩形波导1的第一端可以为标准矩形波导WR-10端口。

实际应用中，矩形波导1的第一端可以是馈源天线接收(输入)线极化波的端口，也可以是馈源天线输出线极化波的端口。其中，矩形波导1的第一端尺寸可以根据实际需求进行设置。示例性的，矩形波导1的第一端尺寸可以为宽度2.54mm*高度1.27mm，工作频率范围可以设定为73.8GHz-112GHz，在矩形波导1的第一端为馈源天线接收极化波的端口时，可以接收主模TE₁₀模式的线极化波(垂直极化方向)。

本发明实施例中，矩形波导1的第二端与矩-方波导转换器3的第一端连接处附着有超表面1，该超表面1可以附着于矩形波导1的第二端的金属板上，也可以附着于矩-方波导转换器3的第一端的金属板上，超表面1的方向可以为E面，即平行于电场方向的平面。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，本发明实施例中，以超表面1附着于矩形波导1的第二端的金属板上为例进行说明，当超表面1附着于矩形波导1第二端金属板上时，超表面1中附着于矩形波导1短边两侧的金属柱尺寸大于其他位置金属柱的尺寸。

示例性的，如图2所示，超表面1的内边界与矩形波导1的第二端金属板相切，附着于矩形波导1第二端金属板上。如图3所示，超表面1中附着于矩形波导1短边两侧的金属柱尺寸(长*宽*高为：0.6mm*0.6mm*0.6mm)大于其他位置金属柱的尺寸(长*宽*高为：0.4mm*0.4mm*0.6mm)，可以获得宽带内良好的阻抗匹配，图中双向箭头表示两个金属柱之间的间距。

实际加工过程中由于加工、装配误差，连接处很难连接紧密，不可避免地会产生空气间隙，进而造成能量的泄露和天线辐射效率的降低。而超表面的金属柱在有空气间隙的情况下，其阻带依然可以覆盖75-110GHz，进而可以保证天线的正常工作，故而，超表面1可以显著改善图1中矩形波导1的第二端与矩-方波导转换器3的第一端连接处由于加工、装配误差而产生的空气间隙的影响。

矩-方波导转换器3的第二端与极化器5的第一端连接，且矩-方波导转换器3的第二端与极化器5的第一端连接处附着有超表面2。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，矩-方波导转换器3的第二端与极化器5的第一端连接处附着有超表面2，该超表面2可以附着于矩-方波导转换器3的第二端的金属板上，超表面2的方向可以为E面，即平行于电场方向的平面。

示例性的，如图4所示，超表面2的内边界与矩-方波导转换器3的第二端金属板相切，附着于矩-方波导转换器3第二端金属板上，可以获得宽带内良好的阻抗匹配。如图5所示，将该超表面2旋转45°附着于矩-方波导转换器3第二端金属板上，超表面2中各金属柱的尺寸可以相同，均为长*宽*高为：0.4mm*0.4mm*0.6mm，图中双向箭头表示两个金属柱之间的间距，图中b表示矩-方波导转换器3第二端金属板上方波导的边长。

实际加工过程中由于加工、装配误差，连接处很难连接紧密，不可避免地会产生空气间隙，进而造成能量的泄露和天线辐射效率的降低。而超表面的金属柱在有空气间隙的情况下，其阻带依然可以覆盖75-110GHz，进而可以保证天线的正常工作，故而，超表面2可以显著改善图1中矩-方波导转换器3的第二端与极化器5的第一端连接处由于加工、装配误差而产生的空气间隙的影响。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，矩-方波导转换器3可以为三节八边形矩形-45°方波导转换器。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，在超表面2内边界与水平方向成45°附着于矩-方波导转换器3第二端的金属板上时，可以等效为三节八边形矩形-45°方波导转换器。

具体的，超表面2附着于矩-方波导转换器3第二端的金属板上，等效为三节八边形矩形-45°方波导转换器，当输入波从三节八边形矩形-45°方波导转换器的矩形波导输入时，将产生两个正交的近似等幅同相的线极化波，极化方向垂直于方波导的侧壁，相对于输入矩形波导1的极化方向偏转了45°，因此，极化器5部分相对于输入矩形波导1旋转了45°。

极化器5的第二端与方-圆波导转换器8的第一端连接，且极化器5的第二端与方-圆波导转换器8的第一端连接处附着有超表面4，极化器5内附着超表面3。

方-圆波导转换器8的第二端与馈源喇叭9的第一端连接。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，极化器5可以为上下对称添加脊的结构，在极化器5的上下两部分连接处附着有超表面3。示例性的，如图6所示，可以在极化器5的下脊两侧分别附着超表面3，超表面3的方向可以为H面，即平行于磁场方向的平面。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，极化器5的等效方波导结构在垂直方向的主模为TE₁₀模式，水平方向主模为TE₀₁模式。

实际应用中，极化器5采用上下对称添加脊的结构，对于平行于脊的TE₁₀模式(垂直极化)相当于并联的电容，能够增大相位传播常数，在极化器5的上下两部分连接处，具体的可以在极化器5的下脊两侧分别附着超表面3形成虹膜偏振器，对于垂直于脊的TE₀₁模式(水平极化)相当于串联的电感，能够减小相位传播常数，优化脊的尺寸可以实现宽带内接近90°的相移，产生左旋圆极化波。

另外，极化器5的加工分为上下两部分，在H面加载了超表面3能够有效防止加工和装配误差引入的空气间隙造成的能量泄露。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，极化器5的第二端与方-圆波导转换器8的第一端连接处附着有超表面4，该超表面4可以附着于方-圆波导转换器8第一端的金属板上，超表面4的方向可以为E面，即平行于电场方向的平面。

示例性的，如图7所示，超表面4的内边界与方-圆波导转换器8的第一端金属板相切，附着于方-圆波导转换器8第一端的金属板上。超表面4的结构可以和超表面2相似。

本发明实施例中，超表面1、超表面2和超表面4可以是上下左右对称的结构，超表面3可以是左右对称的结构。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，方-圆波导转换器8可以为三节八边形方-圆波导转换器。

本发明实施例中，矩形波导1与极化器5之间采用三节八边形矩形-45°方波导转换器3，馈源喇叭9和极化器5之间采用三节八边形方-圆波导转换器8，大大减小了转换段长度，使得整个馈源天线整体结构紧凑，体积小。

在矩形波导1的第一端为馈源天线接收极化波的端口时，极化器5第二端作为输出端口为等效方波导，而采用的光壁喇叭为圆波导口径，为了使电磁波能够从方波导中传播到光壁喇叭的圆波导中，可以在超表面4与馈源喇叭9的圆波导段之间使用方-圆波导转换器8连接。

实际加工过程中由于加工、装配误差，连接处很难连接紧密，不可避免地会产生空气间隙，进而造成能量的泄露和天线辐射效率的降低。而超表面的金属柱在有空气间隙的情况下，其阻带依然可以覆盖75-110GHz，进而可以保证天线的正常工作，故而，超表面4可以显著改善图1中极化器5的第二端与方-圆波导转换器8的第一端连接处由于加工、装配误差而产生的空气间隙的影响。

实际应用中，馈源喇叭9的第二端可以是馈源天线接收圆极化波的端口，也可以是馈源天线输出圆极化波的端口。

本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，分别在矩形波导与矩-方波导转换器的连接处，矩-方波导转换器与极化器连接处，极化器上下两部分的连接处，以及极化器与方-圆波导转换器的连接处均附着有超表面，而超表面是由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成的，超表面的金属柱在有额外出现空气间隙的情况下，仍然可以保证天线的正常工作，进而能够减小各部件之间连接处由于加工、装配误差而产生的空气间隙对毫米波馈源天线性能的影响，并且能够减小能量的泄露，提高天线的效率。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，馈源喇叭可以包括：圆柱形第一腔体、具有第一预设轮廓的喇叭形第二腔体和具有第二预设轮廓的喇叭形第三腔体。

第一腔体的第一端与方-圆波导转换器的第二端连接，第一腔体的第二端与第二腔体的小口径端连接，第二腔体的大口径端与第三腔体的顶端连接，第三腔体的底端为光壁喇叭的大口径端。

作为本发明实施例一种可选的实施方式，具有第一预设轮廓的喇叭形第二腔体的轮廓满足以下条件：

y＝sin^1.09(x)

其中，x为点X到第二腔体的轴线上的预设原点O的距离，点X为第二腔体的轴线上的任一点，y为第二腔体中，包含点X且与第二腔体的轴线垂直的截面的半径。

具有第二预设轮廓的喇叭形第三腔体的轮廓满足预设直线条件。

具体的，预设原点O可以位于第二腔体的轴线上在第二腔体的左侧或右侧的位置。预设直线条件可以满足如下条件：y＝kx，k表示预设直线的斜率，其中，预设直线的斜率k可以根据实际需求以及第一预设轮廓的喇叭形第二腔体的轮廓确定。

本发明实施例中，圆柱形第一腔体的具体尺寸可以通过实际需要或经验确定。在实际设计过程中，可以根据对该馈源天线的增益和回波损耗的设计要求，确定光壁喇叭大口径端的直径。再根据光壁喇叭大口径端的直径，确定圆柱形第一腔体的尺寸。使用上述类型的光壁喇叭，能够获得宽频带、低交叉极化水平、辐射方向波对称的效果。

本发明实施例中，选取馈源天线的工作频带范围75GHz-110GHz，以矩形波导1的第一端作为馈源天线接收线极化波的端口，馈源喇叭9的第二端作为馈源天线输出圆极化波的端口为例。

矩形波导1的第一端(输入端)接收输入TE₁₀模式的线极化波，经过矩形波导1第二端的金属板上附着的超表面1，馈入矩-方波导转换器3的第一端，在矩-方波导转换器3的第二端(输出端)产生两个正交的线极化波，再经过矩-方波导转换器3第二端的金属板上附着的超表面2，馈入附着有超表面3的极化器5中，在极化器5的第二端产生左旋圆极化波，进而经过方-圆波导转换器8第一端的金属板上附着的超表面4，馈入方-圆波导转换器8的第一端中，然后，经过方-圆波导转换器8的第二端馈入馈源喇叭9的第一端，最后，从馈源喇叭9天线口(馈源喇叭9的第二端)辐射出去。

本发明实施例中，选取馈源天线的工作频带范围75GHz-110GHz，以矩形波导1的第一端作为馈源天线输出线极化波的端口，馈源喇叭9的第二端作为馈源天线接收圆极化波的端口为例。

馈源喇叭9天线口(输入端)接收左旋圆极化波，经过馈源喇叭9的第一端(输出端)，以及方-圆波导转换器8和方-圆波导转换器8第一端的金属板上附着的超表面4，馈入极化器5的第二端，在极化器5中转化为两个相位近似相等且正交的线极化波，再经过矩-方波导转换器3第二端的金属板上附着的超表面2，从矩-方波导转换器3第一端输出TE₁₀模式的线极化波，然后，经过矩形波导1第二端的金属板上附着的超表面1输出至矩形波导1第一端，进而从矩形波导1的第一端辐射出去。

本发明实施例中，通过对工作频带范围为75GHz-110GHz的馈源天线进行仿真，仿真结果如下：

参见图8，图8为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在工作频段内输入反射系数的变化示意图。其中，|S₁₁|表示输入反射系数的模值，是代表阻抗匹配性能的参数，一般|S₁₁|<-10dB可以认为阻抗匹配性能良好，|S₁₁|<-10dB的频率范围是阻抗带宽。可见，图8中馈源天线在工作频率(75GHz-110GHz)范围内|S₁₁|<-20dB，阻抗匹配良好且阻抗带宽较宽。

参见图9，图9为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在工作频段内圆极化波的轴比变化示意图。其中，任意极化波的瞬时电场矢量的端点轨迹为一椭圆，椭圆的长轴2A和短轴2B之比称之为轴比。轴比是圆极化天线的一个重要的性能指标，代表圆极化的纯度，轴比不大于3dB的带宽，定义为天线的圆极化带宽。本发明实施例中，馈源天线在75GHz-110GHz的宽带范围内轴比<2dB，圆极化程度高，圆极化带宽宽。馈源天线在75GHz-110GHz内增益较高且波动较小，适用于毫米波通信系统中对于天线高增益的要求。

参见图10a-10c，10a-10c分别为本发明实施例提供的一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线在不同工作频段圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图。图10a-10c分别代表本发明实施例中馈源天线分别在75GHz/90GHz/110GHz圆极化波的主极化方向图和交叉极化方向图，三个频率点分别是工作频率75GHz-110GHz的起始频率、中间频率以及终止频率，通过验证这三个频率点的方向图确定馈源天线能够正常工作。图10a-10c中标注的主极化为左旋圆极化幅度，交叉极化为右旋圆极化幅度，图10a-10c中坐标均依据主极化最大幅度(角度为0时取得)进行了归一化处理。由图10a-10c可以得到馈源天线在相位Phi＝0°和90°平面的主极化方向图近似相同，且副瓣幅度低，在辐射方向上交叉极化水平低，极化隔离度高。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于超表面的毫米波宽带圆极化馈源天线，其特征在于，所述馈源天线包括：

矩形波导、多个超表面、矩-方波导转换器、极化器、方-圆波导转换器和馈源喇叭；所述超表面由预设尺寸的金属柱按预设规则排列组成；所述馈源喇叭为光壁喇叭；

所述矩形波导的第二端与所述矩-方波导转换器的第一端连接，且所述矩形波导的第二端与所述矩-方波导转换器的第一端连接处附着有超表面1；

所述矩-方波导转换器的第二端与所述极化器的第一端连接，且所述矩-方波导转换器的第二端与所述极化器的第一端连接处附着有超表面2；

所述极化器的第二端与所述方-圆波导转换器的第一端连接，且所述极化器的第二端与所述方-圆波导转换器的第一端连接处附着有超表面4，所述极化器内附着超表面3；

所述方-圆波导转换器的第二端与所述馈源喇叭的第一端连接。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述超表面1、2和4的方向为E面，所述超表面3的方向为H面。

3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，当所述超表面1附着于所述矩形波导第二端金属板上时，所述超表面1中附着于矩形波导短边两侧的金属柱尺寸大于其他位置金属柱的尺寸。

4.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述极化器为上下对称添加脊的结构，所述极化器上下两部分连接处附着有超表面3。

5.根据权利要求4所述的天线，其特征在于，所述极化器的等效方波导结构在垂直方向的主模为TE₁₀模式，水平方向主模为TE₀₁模式。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述矩-方波导转换器为三节八边形矩形-45°方波导转换器，所述方-圆波导转换器为三节八边形方-圆波导转换器。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于，在所述超表面2内边界与水平方向成45°附着于所述矩-方波导转换器第二端的金属板上时，等效为三节八边形矩形-45°方波导转换器。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述馈源喇叭包括：圆柱形第一腔体、具有第一预设轮廓的喇叭形第二腔体和具有第二预设轮廓的喇叭形第三腔体；

所述第一腔体的第一端与所述方-圆波导转换器的第二端连接，所述第一腔体的第二端与所述第二腔体的小口径端连接，所述第二腔体的大口径端与所述第三腔体的顶端连接，所述第三腔体的底端为所述光壁喇叭的大口径端。

9.根据权利要求8所述的天线，其特征在于，所述具有第一预设轮廓的喇叭形第二腔体的轮廓满足以下条件：

y＝sin^1.09(x)

其中，x为点X到所述第二腔体的轴线上的预设原点O的距离，所述点X为所述第二腔体的轴线上的任一点，y为所述第二腔体中，包含所述点X且与所述第二腔体的轴线垂直的截面的半径；

所述具有第二预设轮廓的喇叭形第三腔体的轮廓满足预设直线条件。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述矩形波导的第一端为标准矩形波导WR-10端口。

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