CN114465013B - 基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线 - Google Patents

基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线 Download PDF

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CN114465013B CN202210156079.1A CN202210156079A CN114465013B CN 114465013 B CN114465013 B CN 114465013B CN 202210156079 A CN202210156079 A CN 202210156079A CN 114465013 B CN114465013 B CN 114465013B
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Abstract

本发明提出了一种基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，用于解决因较高的剖面高度导致的天线集成度较低的技术问题，包括辐射器和馈源，辐射器采用多个周期性排布的各向异性超表面单元组成的球面结构；各向异性超表面单元包括介质板、印制在介质板上表面蚀刻有H型缝隙的圆形金属贴片和下表面的金属地板，每个圆形金属贴片的半径R和其上蚀刻的H型缝隙的旋转角度θs均根据其等效标量阻抗Ze的最大值和长轴旋转角度θw变化设置；每个各向异性超表面单元的张量阻抗Z是基于全息原理的干涉图分布，馈源采用单极子天线结构，固定在辐射器顶点的镂空位置，本发明可用于具有球面结构载体平台的通讯系统。

Description

基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种双圆极化双波束超表面天线，具体涉及一种基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，可用于具有球面结构载体平台的通讯系统。
技术背景
随着空间技术的发展，由于卫星通信具有通信距离远、通信质量高、通信容量大、适用性强等优点，已成为人类社会生活中不可或缺的通讯手段之一，天线作为系统的传输媒介，在整个通信系统中占据重要位置，天线的极化形式、波束状态以及天线的物理结构都对整个收发系统的性能至关重要，而作为卫星通信的天线，通常要求天线的极化形式为圆极化，以达到高抗干扰性和高可靠性目的，为了达到小型化需求，通常要求天线共形于载体平台上。
为了达到卫星通信天线的多功能集成化，现有研究通过采用超表面对电磁波的调控，实现了双圆极化双波束天线的设计。例如，申请公布号为CN109818155A，名称为“一种波束独立可控的双圆极化毫米波反射阵天线”的专利申请，公开了一种采用四层结构组成的超表面反射阵天线，其超表面单元分布根据相位梯度的计算公式排列，在超表面反射阵焦平面处放置一个宽带圆极化的喇叭馈源，能够实现波束可调控的双圆极化波束辐射。但现代通讯系统中为了满足发射接收系统的小型化需求，通常要求天线在正常辐射的同时进行高集成度设计。利用超表面反射阵天线的馈源位置需满足焦径比，导致整个阵面的剖面较高，不利于高集成度设计。而由周期性排布的金属贴片单元按照既定阻抗分布排列的全息超表面天线，能够实现馈源与天线口径面的一体化集成，并对源场电磁波的阻抗调制形成所需要的目标场辐射。例如，申请公布号为CN104733850A，名称为“基于全息调制的人工张量阻抗表面天线及其实现方法”的专利申请，公开了一种采用方形斜缝金属贴片组成的全息超表面天线，其单元按照特定的阻抗分布排列，馈源放置在天线表面上，其产生的表面波被超表面天线调制成与天线口面法向辐射的单波束圆极化波。但现有全息超表面天线多基于平面结构，并不适用于共形设计。
综上所述，现有研究均实现了特定场景中的圆极化辐射天线的设计，由于各自的局限性，并不能解决在保证天线辐射性能的同时又满足天线的集成度设计。各向异性全息超表面天线作为一种新的人工电磁超材料，具有易于共形、剖面低和易于加工等特点，可以极大程度的提高天线馈源的集成一体化设计需求，进而提高系统的集成度。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，在保证双圆极化双波束天线辐射性能的前提下，解决现有天线的难以实现共形集成设计的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括辐射器1和馈源2，其中：
所述辐射器1，采用由m×n个周期性排布的各向异性超表面单元11共形且顶点镂空的球面结构，m≥50，n≥50，所述各向异性超表面单元11包括介质板111、印制在介质板111上表面蚀刻有H型缝隙的圆形金属贴片112和下表面的金属地板113；每个圆形金属贴片112的半径R通过其所属各向异性超表面单元11在辐射器1上分布位置的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax确定，且每个圆形金属贴片112上蚀刻的H型缝隙以其中心为原点所建立的平面直角坐标系x'o'y'的x'轴为旋转起点，以通过H型缝隙横向臂的中点且平行两条纵向臂的轴为旋转终点，以该圆形金属贴片112的中心法线为旋转轴旋转的角度θs，与以该圆形金属贴片112所属各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的中心所建立的平面直角坐标系uov的u轴为旋转起点，以等效标量阻抗Ze的长轴为旋转终点，以Ze的中心法线为旋转轴旋转的角度θw相等，实现m×n个各向异性超表面单元11的各向异性特性；每个各向异性超表面单元11的张量阻抗Z是基于全息原理的干涉图分布，其中：
Figure BDA0003512679160000021
Figure BDA0003512679160000022
Figure BDA0003512679160000023
Figure BDA0003512679160000024
Figure BDA0003512679160000025
其中，Zemax∈[250，330]，Zxx、Zxy、Zyy分别表示每个各向异性超表面单元11在以辐射器1的顶点为原点o，以辐射器1的中心法线为z轴，以通过原点o且垂直于z轴的平面为xoy面的空间直角坐标系o-xyz中张量阻抗Z的分量，X、M分别表示m×n个各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax的平均值、最大值的调制深度，θ1、θ2分别表示右旋圆极化波
Figure BDA0003512679160000031
左旋圆极化波/>
Figure BDA0003512679160000032
偏离辐射器(1)法线方向的角度，/>
Figure BDA0003512679160000033
分别表示/>
Figure BDA0003512679160000034
在与辐射器(1)中心法线垂直，以辐射器(1)的顶点为中心的平面上的方位角；
所述馈源2，采用表面场为Jsurf的单极子天线结构，固定在辐射器1顶点的镂空位置，并伸出辐射器1，伸出的长度为T，其中：
Figure BDA0003512679160000035
T＝c/4f
其中，j为虚数单位，
Figure BDA0003512679160000036
表示馈源2产生的表面电流沿辐射器1球面传播的横向波矢量，/>
Figure BDA0003512679160000037
表示馈源2与辐射器1球面上任意一点的矢量距离，/>
Figure BDA0003512679160000038
表示/>
Figure BDA0003512679160000039
的模值，c表示自由空间中的光速，f表示馈源2的工作频率；
所述辐射器1对馈源2产生的表面场Jsurf进行调制，形成由产生于同一个频点的辐射方向对称的右旋圆极化波
Figure BDA00035126791600000310
和左旋圆极化波/>
Figure BDA00035126791600000311
组成的双圆极化波束Erad：
Figure BDA00035126791600000312
Figure BDA00035126791600000313
Figure BDA00035126791600000314
其中，k0表示Erad的波数，ρ表示辐射器1的曲率半径。
上述基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，所述各向异性超表面单元11，采用与辐射器1的曲率半径相等且向下表面方向弯曲的曲面结构。
上述基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，所述各向异性超表面单元11，其在辐射器1上分布位置的等效标量阻抗Ze的表达式为：
Figure BDA0003512679160000041
Figure BDA0003512679160000042
其中，Z0表示辐射器1所在空间中的波阻抗，θp表示馈源2表面场Jsurf在各向异性超表面单元11上表面的圆形金属贴片112的传播方向，
Figure BDA0003512679160000043
分别表示各向异性超表面单元11在与其中心法线垂直平面的正交方向上的主从边界相位差。
上述基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，所述圆形金属贴片112，其中心位于该圆形金属贴片112所在介质板111的中心法线上，且圆形金属贴片112上蚀刻的H型缝隙的中心与该圆形金属贴片112的中心重合。
上述基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，所述馈源2，其柱体部分的中心轴线与辐射器1的中心法线重合。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
本发明中的所述馈源采用单极子天线结构，固定在辐射器顶点的镂空位置，各向异性超表面单元的张量阻抗基于全息原理的干涉图分布，实现对馈源产生表面波波前的调控，且多个各向异性超表面单元中圆形金属贴片的半径和其上蚀刻的H型缝隙的旋转角度均根据其等效标量阻抗的最大值和长轴旋转角度变化设置，实现将馈源产生的表面波转化为圆极化波，最终形成两个方向对称且旋向不同的圆极化双波束，与现有技术相比，在保证天线辐射性能的同时，减小了天线馈源集成后的剖面高度，可有效提高非平面平台上天线的集成度。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明中各向异性超表面单元的结构示意图；
图3为本发明实施例中各向异性超表面单元的等效标量阻抗Ze与其长轴旋转角度θw的关系曲线图；
图4为本发明中各向异性超表面单元的圆形金属贴片的半径R与等效标量阻抗值Ze的最大值Zem间关系曲线图；
图5为本发明实施例的S11仿真结果图；
图6为本发明实施例在工作频率为15GHz时，
Figure BDA0003512679160000051
平面上的二维远场增益仿真结果图；
图7为本发明实施例在工作频率为15GHz时，
Figure BDA0003512679160000052
平面上的轴比仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括辐射器1和馈源2，其中：
所述辐射器1，采用由m×n个周期性排布的各向异性超表面单元11共形且顶点镂空的球面结构，其曲率半径为ρ＝75mm，工作频率为15GHz，m＝51，n＝51。
所述各向异性超表面单元11，其结构如图2所示，包括介质板111、印制在介质板111上表面蚀刻有H型缝隙的圆形金属贴片112和下表面的金属地板113，所述介质板111的边长A为3mm，相对介电常数为3.5，磁导率为1，厚度B为1.8mm，圆形金属贴片112的中心位于该圆形金属贴片112所在介质板111的中心法线上，且圆形金属贴片112上蚀刻的H型缝隙的中心与该圆形金属贴片112的中心重合，各向异性超表面单元11采用与辐射器1的曲率半径相等且向下表面方向弯曲的曲面结构。
每个圆形金属贴片112的半径R通过其所属各向异性超表面单元11在辐射器1上分布位置的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax确定，且每个圆形金属贴片112上蚀刻的H型缝隙以其中心为原点所建立的平面直角坐标系x'o'y'的x'轴为旋转起点，以通过H型缝隙横向臂的中点且平行两条纵向臂的轴为旋转终点，以该圆形金属贴片112的中心法线为旋转轴旋转的角度θs，与以该圆形金属贴片112所属各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的中心所建立的平面直角坐标系uov的u轴为旋转起点，以等效标量阻抗Ze的长轴为旋转终点，以Ze的中心法线为旋转轴旋转的角度θw相等，实现m×n个各向异性超表面单元11的各向异性特性；所有印制在介质板111上表面蚀刻有H型缝隙的圆形金属贴片112形成的明暗相间的螺旋条纹，以馈源2所在辐射器1上的位置为螺旋起点，由中心向外旋转直到辐射器1的球形表面边缘，螺旋条纹中越亮的部分表示各向异性超表面单元11上表面的圆形金属贴片112的半径R越小，各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze值越小，反之其等效标量阻抗Ze值越大。
任一各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的计算公式为：
Figure BDA0003512679160000061
Figure BDA0003512679160000062
其中，Z0表示辐射器1所在空间中的波阻抗，Zxx、Zxy、Zyy分别表示每个各向异性超表面单元11在辐射器1上分布位置的张量阻抗Z的分量，θp表示馈源2表面场Jsurf在各向异性超表面单元11上表面的圆形金属贴片112的传播方向，
Figure BDA0003512679160000063
分别表示各向异性超表面单元11在与其中心法线垂直平面的正交方向上的主从边界相位差，由于相应的各向异性超表面单元11为张量单元，其等效标量阻抗Ze的大小受馈源2产生的表面场的传播方向θp的影响，因此，在本实施例中取θp＝60，/>
Figure BDA0003512679160000064
为了计算任一各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的长轴旋转角度θw，首先选取任意三个馈源2表面场Jsurf在各向异性超表面单元11上表面的圆形金属贴片112的传播方向θp＝30°,60°,90°，根据各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的计算公式，能够绘制出一个如图3所示的各向异性超表面单元的等效标量阻抗Ze与其长轴旋转角度θw的关系曲线图，其长轴对应的旋转角度为θw＝60°，长轴所对应的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax＝280。
参照图4，改变每个圆形金属贴片112所属的各向异性超表面单元11在辐射器1上分布位置的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax，相对应的圆形金属贴片112的半径R不同，通过曲线拟合得到圆形金属贴片112的半径R与其所属的各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax的关系式为：
Figure BDA0003512679160000065
其中，Zemax∈[250，330]。
每个各向异性超表面单元11的张量阻抗Z是基于全息原理的干涉图分布，其中：
Figure BDA0003512679160000071
Figure BDA0003512679160000072
Figure BDA0003512679160000073
Figure BDA0003512679160000074
其中，(x,y,z)表示以辐射器1上表面顶点为原点，以其中心法线为z轴，以其顶点为中心且与中心法线垂直的切面为xoy面建立的空间直角坐标系的坐标，Zxx、Zxy、Zyx、Zyy分别表示每个各向异性超表面单元11在辐射器1上分布位置的张量阻抗Z的分量，由于各向异性超表面单元11的张量阻抗Z矩阵的互易性准则，使得Zxy＝Zyx，X、M分别表示m×n个各向异性超表面单元11的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax的平均值、最大值的调制深度，θ1、θ2分别表示右旋圆极化波
Figure BDA0003512679160000075
左旋圆极化波/>
Figure BDA0003512679160000076
偏离辐射器1法线方向的角度，/>
Figure BDA0003512679160000077
分别表示
Figure BDA0003512679160000078
在与辐射器1中心法线垂直，以辐射器1的顶点为中心的平面上的方位角；
所述馈源2，采用表面场为Jsurf的单极子天线结构，固定在辐射器1顶点的镂空位置，其柱体部分的中心轴线与辐射器1的中心法线重合，并伸出辐射器1，馈源2采用同轴结构在辐射器1的底部馈电，馈源的工作频率f＝15GHz，其中：
Figure BDA0003512679160000079
T＝c/4f
其中，j为虚数单位，馈源伸出辐射器1的长度T等于5mm，
Figure BDA00035126791600000710
表示馈源2产生的表面电流沿辐射器1球面传播的横向波矢量，/>
Figure BDA00035126791600000711
表示馈源2与辐射器1球面上任意一点的矢量距离，/>
Figure BDA00035126791600000712
表示/>
Figure BDA00035126791600000713
的模值，c表示自由空间中的光速；
所述馈源2产生的表面场Jsurf，在辐射器上依次经过每个各向异性超表面单元11时被其缓慢调制，最终形成同时在θ1＝20°，
Figure BDA00035126791600000714
上辐射的右旋圆极化波/>
Figure BDA00035126791600000715
和在θ2＝20°，
Figure BDA00035126791600000716
上辐射的左旋圆极化波/>
Figure BDA00035126791600000717
其共同组成双圆极化波束Erad：
Figure BDA0003512679160000081
Figure BDA0003512679160000082
Figure BDA0003512679160000083
其中，k0表示Erad的波数。
以下结合仿真实验结果，对本发明的技术效果作进一步详细描述。
1、仿真条件和内容：
仿真实验采用电磁仿真软件CST 2017。
仿真1，对本发明实施例在工作频段从13GHz-17 GHz时的S11进行仿真，其结果如图5所示。
仿真2，对本发明实施例在工作频率为15GHz时，
Figure BDA0003512679160000084
上的二维远场增益进行仿真，其结果如图6所示。
仿真3，对本发明实施例在工作频率为15GHz时，
Figure BDA0003512679160000085
平面上的轴比进行仿真，其结果如图7所示。
2、仿真结果分析：
参照图5，本实施例天线在14-16GHz范围内的S11均小于-10dB，表明天线在工作频段内的阻抗匹配良好。
参照图6，本实施例在
Figure BDA0003512679160000086
平面上，在θ1＝-20°方向上实现了左旋圆极化波辐射，其增益为14.18dBi，在θ2＝20°方向上实现了右旋圆极化波辐射，其增益为14.38dBi。
参照图7，本实施例在
Figure BDA0003512679160000087
平面上，分别在θ1＝-20°和θ2＝20°的主波束范围内轴比小于3dB，从轴比的角度来说，在这两个主波束范围内均为圆极化波。
综上，本发明实现了一种基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，其中的各向异性超表面单元的张量阻抗基于全息原理的干涉图分布，实现对馈源产生表面波波前的调控，最终形成两个方向对称且旋向不同的圆极化双波束，在保证天线辐射性能的同时，将馈源放置在辐射器球面的正中心位置，减小了天线馈源集成后的剖面高度，有效地提高非平面平台上天线的集成度，其结构易于制作，整个天线系统可集成于诸多非平面的球面结构场景中。
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 (5)

1.一种基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，其特征在于，包括辐射器(1)和馈源(2)，其中：
所述辐射器(1)，采用由m×n个周期性排布的各向异性超表面单元(11)共形且顶点镂空的球面结构，m≥50，n≥50，所述各向异性超表面单元(11)包括介质板(111)、印制在介质板(111)上表面蚀刻有H型缝隙的圆形金属贴片(112)和下表面的金属地板(113)；每个圆形金属贴片(112)的半径R通过其所属各向异性超表面单元(11)在辐射器(1)上分布位置的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax确定，且每个圆形金属贴片(112)上蚀刻的H型缝隙以其中心为原点所建立的平面直角坐标系x'o'y'的x'轴为旋转起点，以通过H型缝隙横向臂的中点且平行两条纵向臂的轴为旋转终点，以该圆形金属贴片(112)的中心法线为旋转轴旋转的角度θs，与以该圆形金属贴片(112)所属各向异性超表面单元(11)的等效标量阻抗Ze的中心所建立的平面直角坐标系uov的u轴为旋转起点，以等效标量阻抗Ze的长轴为旋转终点，以Ze的中心法线为旋转轴旋转的角度θw相等，实现m×n个各向异性超表面单元(11)的各向异性特性；每个各向异性超表面单元(11)的张量阻抗Z是基于全息原理的干涉图分布，其中：
Figure FDA0003512679150000011
Figure FDA0003512679150000012
Figure FDA0003512679150000013
Figure FDA0003512679150000014
Figure FDA0003512679150000015
其中，Zemax∈[250，330]，Zxx、Zxy、Zyy分别表示每个各向异性超表面单元(11)在以辐射器(1)的顶点为原点o，以辐射器(1)的中心法线为z轴，以通过原点o且垂直于z轴的平面为xoy面的空间直角坐标系o-xyz中张量阻抗Z的分量，X、M分别表示m×n个各向异性超表面单元(11)的等效标量阻抗Ze的最大值Zemax的平均值、最大值的调制深度，θ1、θ2分别表示右旋圆极化波
Figure FDA0003512679150000021
左旋圆极化波/>
Figure FDA0003512679150000022
偏离辐射器(1)法线方向的角度，/>
Figure FDA0003512679150000023
分别表示/>
Figure FDA0003512679150000024
在与辐射器(1)中心法线垂直，以辐射器(1)的顶点为中心的平面上的方位角；
所述馈源(2)，采用表面场为Jsurf的单极子天线结构，固定在辐射器(1)顶点的镂空位置，并伸出辐射器(1)，伸出的长度为T，其中：
Figure FDA0003512679150000025
T＝c/4f
其中，j为虚数单位，
Figure FDA0003512679150000026
表示馈源(2)产生的表面电流沿辐射器(1)球面传播的横向波矢量，/>
Figure FDA0003512679150000027
表示馈源(2)与辐射器(1)球面上任意一点的矢量距离，/>
Figure FDA0003512679150000028
表示/>
Figure FDA0003512679150000029
的模值，c表示自由空间中的光速，f表示馈源(2)的工作频率；
所述辐射器(1)对馈源(2)产生的表面场Jsurf进行调制，形成由产生于同一个频点的辐射方向对称的右旋圆极化波
Figure FDA00035126791500000210
和左旋圆极化波/>
Figure FDA00035126791500000211
组成的双圆极化波束Erad：
Figure FDA00035126791500000212
Figure FDA00035126791500000213
Figure FDA00035126791500000214
其中，k0表示Erad的波数，ρ表示辐射器(1)的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，其特征在于：所述各向异性超表面单元(11)，采用与辐射器(1)的曲率半径相等且向下表面方向弯曲的曲面结构。
3.根据权利要求1所述的基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，其特征在于：所述各向异性超表面单元(11)，其在辐射器(1)上分布位置的等效标量阻抗Ze的表达式为：
Figure FDA0003512679150000031
Figure FDA0003512679150000032
其中，Z0表示辐射器(1)所在空间中的波阻抗，θp表示馈源(2)表面场Jsurf在各向异性超表面单元(11)上表面的圆形金属贴片(112)的传播方向，
Figure FDA0003512679150000033
Figure FDA0003512679150000034
分别表示各向异性超表面单元(11)在与其中心法线垂直平面的正交方向上的主从边界相位差。
4.根据权利要求1所述的基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，其特征在于：所述圆形金属贴片(112)，其中心位于该圆形金属贴片(112)所在介质板(111)的中心法线上，且圆形金属贴片(112)上蚀刻的H型缝隙的中心与该圆形金属贴片(112)的中心重合。
5.根据权利要求1所述的基于各向异性全息超表面的球面共形双圆极化双波束天线，其特征在于：所述馈源(2)，其柱体部分的中心轴线与辐射器(1)的中心法线重合。
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