CN112909484A - 隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隐身天线技术领域，具体一种隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线及其设计方法。本发明天线由作为主反射面的聚焦超表面、作为副反射面的旋向选择超材料和圆极化喇叭馈源组成；聚焦超表面由若干超表面单元组成，聚焦超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成；旋向选择超材料由2种方形超单元通过棋盘式排列组成；2种方形超单元分别由2种超材料单元在x、y方向周期重复r×r个构成；每种超材料单元由两个相同的带有顺时针螺旋缠绕金属条带的介质块相互垂直叠放组成；该天线在左旋圆极化喇叭馈源激发下，可以定向辐射高增益右旋圆极化平面波；并具有高增益，低RCS和剖面低等优势，具有优异的隐身功能。

Description

隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线及其设计方法

技术领域

本发明属于隐身天线技术领域，具体涉及能够实现低RCS的圆极化平面折叠卡塞格伦天 线及其设计方法。

背景技术

隐身技术是指通过有效控制目标自身的信号特征，使其难以被敌方雷达系统探测发现，从 而躲避跟踪、识别及攻击的一种技术。雷达横截面积是衡量目标电磁散射能力的重要参数。通 过低雷达散射横截面(Radar Cross Section，RCS)减缩技术可以有效降低目标散射，减小目标 被侦测概率，达到雷达隐身效果。

天线作为特殊的强散射源，它的基本功能是发射和接收电磁波，是飞行器和雷达不可或缺 的一部分。目前，隐身作战平台自身的RCS已经得到很好的控制，但加载平台天线系统的RCS 已成为整体RCS的突出来源。天线隐身性能的好坏是决定目标隐身能力的关键因素。已有电 磁超材料的相关研究成果表明，超材料与传统天线可结合应用，在改善天线的辐射性能和缩减 RCS的散射性能方面有着巨大的潜力和发展空间。

天线的电磁隐身在现代武器装备研究上具有重要的现实工程应用价值和迫切军事需求，同 时超材料独特的电磁特性及其在天线设计中的优异表现也为天线隐身提供了新的思路。因此， 将两者结合起来，探索超材料在天线电磁隐身中的应用是一项不仅具有创新性还具有重要军事 需求和工程应用前景的研究。

本发明基于聚焦超表面和旋向选择超材料提出了一种低RCS圆极化平面折叠卡塞格伦天 线及其设计方法。所述天线能够实现在左旋圆极化波激励下定向辐射右旋圆极化平面波，并具 有低RCS，高增益和剖面低等优势。

发明内容

本发明目的在于提出一种在左旋圆极化波激励下，能够实现高定向辐射右旋圆极化波且具 有低RCS的隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线及其设计方法。

本发明提供的隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线，其结构如图1所示，由聚焦超表面(主 反射面)、旋向选择超材料(副反射面)和圆极化喇叭馈源组成；所述圆极化喇叭馈源放置在 聚焦超表面中心，喇叭口径面和聚焦超表面的表面平齐；所述旋向选择超材料放置在聚焦超表 面上方，两者之间的距离是聚焦超表面焦距的二分之一，确保天线辐射的电磁波为高定向圆极 化平面波。

本发明中，所述聚焦超表面由m×n个超表面单元组成(m、n为超表面沿x、y方向的单 元数目)，用于实现左旋圆极化波的反射聚焦和旋向改变功能。所述聚焦超表面单元由两层方 形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两层介质板隔开；超表面单元周期为P， 中间层金属贴片边长为a，上层金属贴片边长是中间层金属贴片边长的s倍，为保证超表面单 元有足够的反射相位覆盖范围和工作带宽，这里设计s＝0.9，介质层厚度为h。通过改变金属 贴片边长a，可以在8～14GHz内实现360°相位调控。将具有不同反射相位的超表面单元按抛 物相位排布，可以实现聚焦功能。

本发明中，所述旋向选择超材料由q×k个(其中q、k为超材料沿x、y方向的超单元数目) 2种方形超单元通过棋盘式排列组成(这里‘棋盘排列’是指2种方形超单元沿x和y方向均 为相间排列，但沿45°和135°对角方向呈重复排列)，2种方形超单元分别由2种超材料单元 在x、y方向周期重复r×r个构成，用于实现左旋圆极化波的反射、右旋圆极化波的传输和左 旋圆极化波沿-z方向入射时的RCS减缩功能；每种超材料单元由两个相同的带有顺时针螺旋 缠绕金属条带的长方体介质块相互垂直叠放组成；其中，超材料单元1由缠绕金属条带的两个 长方体介质块上、下正直叠放组成。相对超材料单元1，超材料单元2上层缠绕金属条带的长 方体介质块顺时针旋转90°。两个长方体介质块上，其正面和背面金属条带相同，长度为b， 宽度为c；侧面金属条带和上下两面金属条带连接，宽度相同。螺旋缠绕的金属条带距长方体 介质块两边长度分别为d和e。

所述平面圆极化折叠卡塞格伦天线在左旋圆极化喇叭馈源激发下，可以定向辐射高增益右 旋圆极化平面波；并且具有高增益，低RCS和剖面低等优势。当受到左旋圆极化平面波照射 时，具有很低的RCS，具有隐身功能；而在右旋圆极化平面波照射下，根据天线互易定理， 右旋圆极化波绝大部分被透射，并最终汇聚于喇叭天线而无反射，同样具有低散射隐身特性。

根据优化设计，在聚焦超表面中，超表面单元数为15×15(m×n＝15×15)，超表面单元 周期为P＝14mm，介质层厚度h＝3mm；金属贴片边长a的取值范围为1～13mm；s＝0.9；

在旋向选择超材料，两种超材料单元按10×10排列组成两个相位差为180°的超单元， 超单元按3×3棋盘排布构成一个30×30的超材料；长方体介质块尺寸为6.5mm×6.5mm× 6mm；金属条b＝6mm，金属条宽度c＝0.5mm；d＝0.5mm，f＝0.25mm；所述圆极化喇叭馈源的 口径为20mm。

根据平面圆极化折叠卡塞格伦天线要求，本发明对结构进行优化设计，具体步骤如下。

第一步：聚焦超表面单元设计，并利用相位补偿法排布聚焦超表面的空间相位

根据圆极化平面折叠卡塞格伦天线的性能要求，聚焦超表面要实现左旋圆极化波聚焦和改 变旋向功能，如图2(a)所示。众所周知，当圆极化波入射到金属平面时，反射波旋向发生 改变。为同时实现聚焦功能，本发明设计了一款基于双层金属贴片的反射型超表面单元，如图 3(a)所示。所述超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两 层介质板隔开。超表面单元周期为P，中间层金属贴片边长为a，上层金属贴片边长是中间层 金属贴片边长的0.9倍。图3(b)给出了具有不同边长金属贴片的超表面单元在左旋圆极化波 垂直入射时的反射相位。从图中可以看出，改变超表面单元金属贴片边长可以在8～16GHz内 实现360°相位调控。

为实现聚焦功能，除了一个能实现360°相位调控的超表面单元外，还需要使用相位补偿 法确定不同位置处的补偿相位。首先确定聚焦超表面焦距L＝150mm和工作频率f₀＝13GHz， 然后根据公式(1)计算超表面不同位置处需要的补偿相位

这里，

表示实现电磁波聚焦所需要的补偿相位，(x,y)表示超表面单元所在的相对 位置，

为自由空间波矢，λ₀为工作频率f₀处的波长，L为焦距，上式中需要补偿的相 位

与工作频率f₀密切相关。

根据公式(1)计算得到的相位分布，我们在对应位置处排布带有相应反射相位的超表面 单元，最终设计了一个15×15的超表面，如图4所示。图5给出了聚焦超表面在平面左旋圆 极化波入射时xoz面的近场电场分布。从图中我们可以清楚的看到，所述超表面在左旋圆极化 波垂直入射时可以实现聚焦功能。

第二步：设计具有旋向选择功能的超材料单元，实现对不同旋向圆极化波的不同调控

在第一步中，聚焦超表面将入射的左旋圆极化波改变为右旋圆极化波。为保证天线正常的 辐射性能，旋向选择超材料必须具有旋向选择功能。当左旋圆极化波入射时，旋向选择超材料 能够实现旋向不变的全反射功能；当右旋圆极化波入射时，旋向选择超材料能够实现全透射功 能。

为实现高效的旋向选择功能，我们采用平面螺旋手性金属结构。当螺旋手性金属结构的金 属旋向与入射圆极化波的电场矢量旋转方向重合时，金属结构上会产生很强的感应电流，对入 射的圆极化波表现出反射作用。反之，当螺旋手性金属结构的金属旋向与入射圆极化波的电场 矢量旋转方向相反时，金属结构上会产生很弱的感应电流，对入射的圆极化波表现出透射作用。

如图6所示，所述平面螺旋手性金属结构是通过在一个长方体泡沫块上顺时针螺旋缠绕金 属条带构成的。顺时针螺旋缠绕的金属条带与入射的左旋圆极化波电场矢量旋转方向重合，与 入射的右旋圆极化波电场矢量旋转方向相反。图7描述了圆极化波沿-z方向入射时，单层平面 螺旋手性金属结构的电磁特性。图中t_LL表示左旋圆极化波的共极化传输系数，t_LR表示右旋圆 极化波的交叉极化传输系数，r_RR表示右旋圆极化波的共极化反射系数，r_RL表示左旋圆极化波 的交叉极化反射系数。从图7(b)中可以看出，在10.5GHz处，左旋圆极化波的传输系数(t_LL) 仅仅为0.2，右旋圆极化波的传输系数(t_RR)可以达到0.9。从图7(c)中可以看出，在10.5GHz 处，左旋圆极化波的反射系数(r_LL)可以达到0.9以上，右旋圆极化波的反射系数(r_RR)仅 仅为0.2。由此可知，该单层结构可以有效的传输右旋圆极化波，反射左旋圆极化波，并且旋 向保持不变。但是，从图中我们也可以看出该单层结构工作带宽很窄，它只能在10.5GHz左 右实现高效的旋向选择。

于是，将超材料单元设计为上、下相互垂直叠放置的双层结构。从图9中可以看出，该双 层超材料单元能够在一个8～14GHz内有效的实现右旋圆极化波的传输，在8.3～13.5GHz实现 左旋圆极化波的反射，而且传输系数保持在0.9以上，反射系数保持在0.8以上。

第三步：旋向选择超材料设计，利用相位相消原理，降低天线整体的RCS

当左旋圆极化波入射时，第二步所述的旋向选择超材料单元会有很强的后向散射。为了降 低后向散射，我们将原超材料单元(单元1)的上层单元顺时针旋转90°，构建另一种超材料 单元(单元2)。图9和图11表明，超材料单元2和超材料单元1具有相同旋向选择功能。 但是，当左旋圆极化波沿-z方向入射时，超材料单元2与超材料单元1在8～14GHz内的反射 相位相差180°左右；当左旋圆极化波沿+z方向入射时，超材料单元2与超材料单元1在8～14 GHz内的反射相位几乎相同，如图13所示。

如图14所示，我们将超材料单元1和超材料单元2按10×10组成两个相位差为180°超 单元，然后将超单元按3×3棋盘排布构成了一个30×30的超材料。棋盘结构可以将垂直入射 的电磁波打散到四个对角方向，能有效的减小单站的RCS。经仿真验证，所述旋向选择超材 料不仅可以实现左旋、右旋圆极化波的非对称传输，还可以实现左旋圆极化波沿-z方向入射时 的单站RCS减缩。

第四步：根据设计的聚焦超表面和旋向选择超材料，确定卡塞格伦天线的最终结构，实 现预定功能

为使设计的卡塞格伦天线能够辐射高定向平面波，将旋向选择超材料放置在聚焦超表面上 方，并且间隔设为L/2。口径20mm的圆极化喇叭馈源被放置在聚焦超表面中心，口径面和聚 焦超表面的表面平齐。图15为天线最终结构图。

因为聚焦超表面和旋向选择超材料间的距离为L/2，并且旋向选择超材料可以全反射沿-z 方向入射的左旋圆极化波，且不改变相位和旋向，所以放置在聚焦超表面中心的圆极化喇叭馈 源，相当于放置在聚焦超表面的焦点处。如图16所示，圆极化喇叭馈源发射的左旋圆极化波 经过旋向选择超材料和聚焦超表面两次反射，最终会沿+z方向辐射出高定向的右旋圆极化平 面波。

所述超表面单元结构参数如下：P＝14mm，h＝3mm，a为中间层金属贴片的边长，上层金 属贴片边长为0.9*a。为实现360°相位调控，a的取值是变化的，范围为1～13mm；所述超材 料单元结构参数如下：b＝6mm，c＝0.5mm，d＝0.5mm，f＝0.25mm，长方体介质尺寸为6.5mm ×6.5mm×6mm；所述圆极化喇叭馈源的口径为20mm；金属为铜，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m， 厚度为0.036mm。

附图说明

图1为所述卡塞格伦天线的功能示意图。

图2为聚焦超表面和旋向选择超材料的功能示意图。其中，(a)聚焦超表面对左旋入射 波的聚焦功能；(b)旋向选择超材料对入射右旋圆极化波的传输功能；(c)旋向选择超材料 对沿-z方向入射左旋圆极化波的散射功能；(d)旋向选择超材料对沿+z方向入射左旋圆极化 波的反射功能。

图3为(a)聚焦超表面单元示意图；(b)a＝1mm和13mm时的超表面单元反射相位图。

图4为采用聚焦相位排布的聚焦超表面示意图。

图5为13GHz的左旋圆极化波沿-z方向入射时的xoz面的电场分布图。

图6为旋向选择超材料单元示意图。其中，(a)单层结构的俯视图；(b)单层结构的侧 视图；(c)单层结构的仰视图；(d)单层结构示意图；(e)超材料单元1示意图；(f)超 材料单元2示意图。

图7为圆极化波沿-z方向入射时单层结构的电磁特性。其中，(a)结构示意图；(b)单 层结构的传输系数；(c)单层结构的反射系数。

图8为圆极化波沿-z方向入射时超材料单元电流分布图。其中，(a)右旋圆极化波入射； (b)左旋圆极化波入射。

图9为圆极化波沿-z方向入射时超材料单元1的电磁特性。其中，(a)超材料单元1示 意图；(b)超材料单元1的传输系数；(c)超材料单元1的反射系数。

图10为圆极化波沿-z方向入射时超材料单元1电流分布图。其中，(a)右旋圆极化波入 射；(b)左旋圆极化波入射。

图11为圆极化波沿-z方向入射时超材料单元2的电磁特性。其中，(a)超材料单元2示 意图；(b)超材料单元2的传输系数；(c)超材料单元2的反射系数。

图12为圆极化波沿-z方向入射时超材料单元2电流分布图。其中，(a)右旋圆极化波入 射；(b)左旋圆极化波入射。

图13为不同方向左旋圆极化波入射时超材料单元1和超材料单元2的相位差图。其中， (a)左旋圆极化波沿+z方向入射；(b)左旋圆极化波沿-z方向入射。

图14为左旋圆极化波沿-z方向入射旋向选择超材料的单站RCS减缩图。

图15为设计的卡塞格伦天线整体结构示意图。

图16为天线辐射电场分布图。其中，(a)卡塞格伦天线xoz面的电场分布图；(b)原天线xoz面的电场分布图。

图17为天线增益图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细说明：

1、聚焦超表面设计

首先，设计的聚焦超表面超材料结构在左旋圆极化波激励下具有聚焦和改变旋向功能，如 图2(a)所示。众所周知，当圆极化波入射到金属平面时，反射波旋向发生改变。为同时实 现聚焦功能，我们设计了一款基于双层金属贴片反射型超表面单元，如图3(a)所示。所述 超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两层介质板隔开。超 表面单元周期为P＝14mm，中间层方形金属贴片边长为a，上层方形金属贴片边长为0.9*a， 两层介质层厚度相同，均为h＝3mm。为了保证聚焦超表面能够实现聚焦功能，超表面单元必 须能够实现360°相位调控，并且采用聚焦相位排布。

首先，采用CST对超表面单元进行仿真计算，如图3(b)所示。从图中可以看出，通过在1～13mm范围内改变方形金属贴片边长，可以在8～14GHz内实现360°相位调控。

之后，确定聚焦超表面焦距为L＝150mm，中心工作频率为f₀＝13GHz。利用公式

计算聚焦相位分布。根据计算的不同位置处相位分布，我们最 终设计了一个具有聚焦功能的聚焦超表面，如图4所示。通过图5所示xoz面上的近场电场分 布可以看出，聚焦超表面可以在150mm处实现左旋圆极化波聚焦。根据圆极化波在金属面上 的反射特性，聚焦超表面同样可以将左旋圆极化波转化为右旋圆极化波。

2、旋向选择超材料设计

接下来讨论旋向选择超材料的旋向选择功能，如图2(b～d)所示。我们通过在长方体泡 沫上螺旋缠绕平面金属条带实现圆极化波旋向选择。图6(d)给出单层旋向选择结构的示意 图。采用CST对超材料单元进行仿真计算，图7结果表明，单层结构能够在10.5GHz处实现 左旋圆极化波的反射和右旋圆极化波的传输。图8给出了单层结构在左旋和右旋电磁波入射下 的表面电流分布图。从图中我们可以看出，当左旋圆极化波入射时，超材料单元上产生的感应 电流很强；当右旋圆极化波入射时，超材料单元上产生的感应电流很弱。这和我们的理论十分 的吻合。

为拓展带宽，我们设计了双层结构，记为超材料单元1，如图6(e)所示。从图9中可以 看出，左旋圆极化波的反射系数在8.3～13.5GHz内大于0.8，右旋圆极化波的传输系数在8～14 GHz内大于0.9，其他的交叉极化反射和传输系数均小于0.3。这说明超材料单元1可以下 8.3～13.5GHz内实现旋向选择。相对带宽达到47.7％。图10给出了超材料单元1在左旋和右 旋圆极化波入射时的表面电流分布图。从图中我们可以看出，当左旋圆极化波入射时感应电流 强，当右旋圆极化波入射时感应电流弱。这符合之前的分析结果。

将超材料单元1的上层结构顺时针旋转90°，构成超材料单元2，如图6(f)所示。仿真 发现，超材料单元2同样可以在8.3～13.5GHz内实现和超材料单元1相同的旋向选择功能，如 图11所示。但是，从图13可以看出，当左旋圆极化电磁波沿-z方向入射时，超材料单元2和 超材料单元1可以在9～14GHz内产生180°的相位差。当左旋圆极化电磁波沿+z方向入射时， 超材料单元2和超材料单元1可以在8～14GHz内的相位差接近0°。图12给出了在左旋和右 旋入射时超材料单元2的表面电流分布。它的电流分布情况和超材料单元1相似，证明了超材 料单元2和超材料单元1具有相同的旋向选择功能。

我们将超材料单元1和超材料单元2按10×10组成两个相位差180°的超单元，再将两个 超单元按3×3排布成30×30的棋盘结构。采用CST对棋盘结构进行仿真计算，仿真时左旋圆 极化波沿-z方向入射。图14给出了旋向选择超材料的单站RCS减缩图。相对于相同大小的裸 金属板(PEC)，旋向选择超材料结构可以在9.2～14.5GHz内实现了超过-10dB的单站RCS减 缩，相对带宽达到44.7％。

3、平面圆极化折叠卡塞格伦天线的设计

图15为最终设计的平面圆极化折叠卡塞格伦天线结构。将旋向选择超材料放置在聚焦超 表面上方，并且间隔设为L/2＝75mm，并且在聚焦超表面中心放置一个口径20mm的左旋圆极 化喇叭馈源。因为聚焦超表面和旋向选择超材料间的距离为焦距的二分之一，并且旋向选择超 材料可以反射沿-z方向入射的左旋圆极化波，且相位、旋向不变，所以放置在聚焦超表面中心 的左旋圆极化喇叭天线，相当于放置在聚焦超表面的焦点处。左旋圆极化喇叭馈源发射的左旋 圆极化波经过旋向选择超材料和聚焦超表面两次反射，最终将沿+z方向辐射出高定向的右旋 圆极化平面波。

当受到左旋圆极化波照射时，由于旋向选择超材料结构可以在9.2～14.5GHz内实现了超过 -10dB的单站RCS减缩，所述天线具有很低的RCS，具有隐身功能。而右旋圆极化波照射下， 根据天线互易定理，右旋圆极化波绝大部分被透射，并最终汇聚于喇叭天线而无反射，同样具 有低散射隐身特性。

用CST对整个天线辐射性能进行仿真计算。仿真时，喇叭馈源采用波端口激励，设置两 个模式，相位相差90°，确保馈源能够发射左旋圆极化波。

图16(a)为卡塞格伦天线辐射时的电场分布图，图16(b)为圆极化天线辐射时的电场 分布图。通过对比可以明显看出，卡塞格伦天线可以在左旋圆极化波的激励下辐射一个高定向 的右旋圆极化平面波。图17表明，本发明在f₀处具有很好的辐射特性，增益达到23.6dB。

Claims (3)

1.一种隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线，其特征在于，由作为主反射面的聚焦超表面、作为副反射面的旋向选择超材料和圆极化喇叭馈源组成；所述圆极化喇叭馈源放置在聚焦超表面中心，喇叭口径面和聚焦超表面的表面平齐；所述旋向选择超材料放置在聚焦超表面上方，两者之间的距离是聚焦超表面焦距的二分之一，确保天线辐射的电磁波为高定向圆极化平面波；

所述聚焦超表面由m×n个超表面单元组成，用于实现左旋圆极化波的反射聚焦和旋向改变功能，m、n为超表面沿x、y方向的单元数目；所述聚焦超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两层介质板隔开；超表面单元周期为P，中间层金属贴片边长为a，上层金属贴片边长是中间层金属贴片边长的s倍，s＝0.9，介质层厚度为h；通过改变金属贴片边长a，可以在8～14GHz内实现360°相位调控；将具有不同反射相位的超表面单元按抛物相位排布，以实现聚焦功能；

所述旋向选择超材料由q×k个2种方形超单元通过棋盘式排列组成，2种方形超单元分别由2种超材料单元在x、y方向周期重复r×r个构成，用于实现左旋圆极化波的反射、右旋圆极化波的传输和左旋圆极化波沿-z方向入射时的RCS减缩功能，其中q、k为超材料沿x、y方向的超单元数目；每种超材料单元由两个相同的带有顺时针螺旋缠绕金属条带的长方体介质块相互垂直叠放组成；其中，一种超材料单元由缠绕金属条带的两个长方体介质块上、下正直叠放组成；相对于该超材料单元，另一种超材料单元上层缠绕金属条带的长方体介质块顺时针旋转90°；两个长方体介质块上，其正面和背面金属条带相同，长度为b，宽度为c；侧面金属条带和上下两面金属条带连接，宽度相同；螺旋缠绕的金属条带距长方体介质块两边长度分别为d和f；

所述平面圆极化折叠卡塞格伦天线在左旋圆极化喇叭馈源激发下，可以定向辐射高增益右旋圆极化平面波；当受到左旋圆极化平面波照射时，具有很低的RCS，具有隐身功能；而在右旋圆极化平面波照射下，根据天线互易定理，右旋圆极化波绝大部分被透射，并最终汇聚于喇叭天线而无反射，同样具有低散射隐身特性。

2.根据权利要求1所述的隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线，其特征在于，根据优化设计，在聚焦超表面中，超表面单元数为15×15，超表面单元周期为P＝14mm，介质层厚度h＝3mm；金属贴片边长a的取值范围为1～13mm；s＝0.9；

在旋向选择超材料中，两种超材料单元按10×10排列组成两个相位差为180°的超单元，超单元按3×3棋盘排布构成一个30×30的超材料；长方体介质块尺寸为6.5mm×6.5mm×6mm；金属条长度b＝6mm，金属条宽度c＝0.5mm；d＝0.5mm，f＝0.25mm；所述圆极化喇叭馈源的口径为20mm。

3.一种如权利要求1所述隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线的设计方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：设计聚焦超表面单元，并利用相位补偿法排布聚焦超表面的空间相位

根据圆极化平面折叠卡塞格伦天线的性能要求，聚焦超表面要实现左旋圆极化波聚焦和改变旋向功能，因此，聚焦超表面单元设计为基于双层金属贴片的反射型超表面单元，该超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两层介质板隔开；超表面单元周期为P，中间层金属贴片边长为a，上层金属贴片边长是中间层金属贴片边长的0.9倍；改变超表面单元金属贴片边长可以在8～16GHz内实现360°相位调控；

然后，使用相位补偿法确定不同位置处的补偿相位；首先确定聚焦超表面焦距L＝150mm和工作频率f₀＝13GHz，然后根据公式(1)计算超表面不同位置处需要的补偿相位

这里，

表示实现电磁波聚焦所需要的补偿相位，(x,y)表示超表面单元所在的相对位置，

为自由空间波矢，λ₀为工作频率f₀处的波长，L为焦距，上式中需要补偿的相位

与工作频率f₀密切相关；

根据公式(1)计算得到的相位分布，在对应位置处排布带有相应反射相位的超表面单元，最终设计为一个15×15的超表面；该超表面在左旋圆极化波垂直入射时可以实现聚焦功能；

第二步：设计具有旋向选择功能的超材料单元，实现对不同旋向圆极化波的不同调控

为保证天线正常的辐射性能，旋向选择超材料必须具有旋向选择功能；当左旋圆极化波入射时，旋向选择超材料能够实现旋向不变的全反射功能；当右旋圆极化波入射时，旋向选择超材料能够实现全透射功能；

为此，设计平面螺旋手性金属结构；当螺旋手性金属结构的金属旋向与入射圆极化波的电场矢量旋转方向重合时，金属结构上会产生很强的感应电流，对入射的圆极化波表现出反射作用；反之，当螺旋手性金属结构的金属旋向与入射圆极化波的电场矢量旋转方向相反时，金属结构上会产生很弱的感应电流，对入射的圆极化波表现出透射作用；

所述平面螺旋手性金属结构，具体由一个长方体泡沫块上顺时针螺旋缠绕金属条带构成；顺时针螺旋缠绕的金属条带与入射的左旋圆极化波电场矢量旋转方向重合，与入射的右旋圆极化波电场矢量旋转方向相反；该结构可以有效的传输右旋圆极化波，反射左旋圆极化波，并且旋向保持不变；

此外，超材料单元设计为上、下相互垂直叠放置的双层结构，能够在一个8～14GHz内有效的实现右旋圆极化波的传输，在8.3～13.5GHz实现左旋圆极化波的反射，而且传输系数保持在0.9以上，反射系数保持在0.8以上；

第三步：设计旋向选择超材料，利用相位相消原理，降低天线整体的RCS

当左旋圆极化波入射时，第二步所述的旋向选择超材料单元会有很强的后向散射；为了降低后向散射，超材料单元设计为上、下相互垂直叠放置的双层结构，并且将上层超材料单元相对于下层超材料单元顺时针旋转90°，两种超材料单元具有相同旋向选择功能；

并且，将两种超材料单元按10×10组成两个相位差为180°超单元，然后将超单元按3×3棋盘排布构成一个30×30的超材料；棋盘结构可以将垂直入射的电磁波打散到四个对角方向，能有效的减小单站的RCS；

第四步：根据设计的聚焦超表面和旋向选择超材料，确定卡塞格伦天线的最终结构，实现预定功能

为使设计的卡塞格伦天线能够辐射高定向平面波，将旋向选择超材料放置在聚焦超表面上方，并且间隔设为L/2；口径20mm的圆极化喇叭馈源被放置在聚焦超表面中心，口径面和聚焦超表面的表面平齐；

由于聚焦超表面和旋向选择超材料间的距离为L/2，并且旋向选择超材料可以全反射沿-z方向入射的左旋圆极化波，且不改变相位和旋向，所以放置在聚焦超表面中心的圆极化喇叭馈源，相当于放置在聚焦超表面的焦点处；圆极化喇叭馈源发射的左旋圆极化波经过旋向选择超材料和聚焦超表面两次反射，最终沿+z方向辐射出高定向的右旋圆极化平面波；

所述超表面单元结构参数如下：P＝14mm，h＝3mm，为实现360°相位调控，中间层金属贴片的边长a的取值是变化的，范围为1～13mm，上层金属贴片边长为0.9*a；所述超材料单元结构参数如下：b＝6mm，c＝0.5mm，d＝0.5mm，f＝0.25mm，长方体介质尺寸为6.5mm×6.5mm×6mm；所述圆极化喇叭馈源的口径为20mm；金属为铜，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m，厚度为0.036mm。

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