CN114927871A - 一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法 - Google Patents

一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种角度不敏感宽带天线罩及其设计方法，天线罩包括高反射率内芯、紧贴内芯上下表面的介质抗反射超表面以及一个窄波束线极化馈源。抗反射超表面由参数各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据天线罩内芯的形状以及与馈源的位置关系确定超表面单元的排布方式。根据内芯的相对介电常数与电磁波入射角，内芯的上下表面被加载不同厚度以及介电常数的梯度介质超表面。入射电磁波在抗反射超表面当中多次的干涉相消，从而减小电磁波的反射。本发明实现了对任意入射角的天线罩透过率性能的提升，验证了其在指定频段内的宽带与角度不敏感特性，具有很高的应用价值。

Description

一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种角度不敏感宽带天线罩及其设计方法。
背景技术
传统天线罩的设计可以分为两种情况，分别是单层罩与三明治型夹层罩。单层天线罩具有结构简单，成本低等特点，但为了得到最佳传输效率，壁厚需为半波长的整数，并且随着厚度的增加，带宽减小，角度稳定性变差，这就对天线罩的几何设计有更高的要求。夹层天线罩是在单层天线罩的两面加载等厚度的介质匹配层来提高电磁透过率以及带宽。该介质匹配层仅仅对一定范围的入射角有效果，随着入射角的增大，匹配层的效果逐渐降低，反射能量逐渐增高。但随着天线技术的发展，天线的性能在不断提高，功能更加丰富，这就对了天线罩的性能有了更高的要求。如何解决天线罩的角度敏感性是天线罩设计面临的一个重要问题。
超表面是由亚波长平面结构按照一定规律周期排列的二维超材料，由于对电磁波振幅和相位的灵活调控近年来受到广泛的关注。通过对结构和尺寸的合理设计，超表面可以在一定范围内实现任意等效介电常数，这大大增加了天线罩抗反射层的设计自由度。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法，该方法能增加天线罩带宽和角度稳定性、设计简便、加工成本低、质量轻。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种角度不敏感宽带天线罩包括宽带的角度不敏感抗反射超表面、高反射率内芯和一个窄波束线极化馈源；其中，在高反射率内芯的上下两表面分别设置宽带的角度不敏感抗反射超表面，窄波束线极化馈源的极化方向与宽带的角度不敏感抗反射超表面的电磁波入射面垂直放置，使天线罩接收TE极化扫描波束；角度不敏感抗反射超表面由等效介电常数和厚度各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据本文推导的斜入射四分之一波长匹配公式，不同位置处透射式介质超表面单元的等效介电常数和厚度由该位置处的电磁波入射角确定，根据高反射率内芯的相对介电常数与电磁波入射角，高反射率内芯的上下表面被加载了不同厚度以及介电常数的宽带的角度不敏感抗反射超表面入射电磁波在该超表面当中多次的干涉相消，从而减小了电磁波的反射。
所述透射式介质超表面单元为亚波长尺寸的通孔介质结构，所用介质基板为常用微波高频介质基板。
所述高反射率内芯为均匀厚度陶瓷板，该陶瓷板厚度为陶瓷介质的半波长的整数以达到最大电磁波透过率。
所述的窄波束线极化馈源为半功率波束宽度角在8°以内的窄波束线极化馈源；馈源的极化方向与电磁波入射面垂直时，天线罩接收TE极化波扫描，将馈源沿主轴旋转90°，天线罩则接收TM极化波扫描。
所述的窄波束线极化馈源通过机械旋转馈源实现动态的波束扫描，扫描角为0-60°。
所述天线罩接受TE极化扫描波束，在波束扫描范围内，天线罩接收电磁波的入射角在某一区间变化；所需的透射式介质超表面单元的等效介电常数在ε1-ε2之间；等间隔选取8个不同等效介电常数值并确定介质超表面单元的尺寸；通过对这8种介质超表面单元的合理排布可实现宽带、宽角特性的抗反射超表面。
所述宽带的角度不敏感抗反射超表面的厚度随着入射角的增大而连续增大。
所述宽带的角度不敏感抗反射超表面根据天线罩的形状和与窄波束线极化馈源的位置关系进行调整；当天线罩为平板结构时，窄波束线极化馈源到天线罩的垂直距离为d，宽带的角度不敏感抗反射超表面随着扫描角的增大，等效介电常数随之减小、厚度随之增大；当天线罩为圆锥结构时，窄波束线极化馈源到天线罩中心位置的距离为D，宽带的角度不敏感抗反射超表面被加载在反射较大的半圆形区域；根据天线罩不同位置处的入射角，该半圆球形区域被分为第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第五圆环多个圆环，不同圆环处加载的宽带角度不敏感抗反射超表面的等效节点常数和厚度被分别确定。
所述角度不敏感宽带天线罩的设计方法包括以下步骤：
步骤1，根据天线罩形状以及与窄波束线极化馈源的位置关系确定不同位置处的电磁波入射角；
步骤2，通过入射角范围和高反射率内芯材料的等效介电常数确定宽带的角度不敏感抗反射超表面的介电常数范围；
步骤3，设计各向同性透射式介质抗反射超表面单元；确定单元的基板材料、打孔形状以及尺寸参数，单元等效介电常数根据所需介电常数的范围以及变化的剧烈程度被等间隔分为8种情况；
步骤4，根据既定的天线罩形状和窄波束线极化馈源选取并排布对应通孔尺寸的超表面单元结构；
步骤5，根据入射角和宽带的角度不敏感抗反射超表面的等效介电常数计算不同位置处的超表面单元厚度；宽带的角度不敏感抗反射超表面的整体被加载到天线罩内高反射率内芯的两侧或单侧，得到天线罩的整体结构；
步骤6，将窄波束线极化馈源放置到距离天线罩位置d处，通过对馈源机械旋转实现动态的波束扫描。
宽带的角度不敏感抗反射超表面参数确定的具体步骤为：
首先假设平板天线罩的尺寸为lx×lymm，波束扫描沿X方向，窄波束线极化馈源位于X＝0下方d处，位置X处的入射角为：θ＝arctan(x/d)；
对TE极化波，电场方向垂直于电磁波入射面，电磁波斜入射到三种相对介电常数分别为ε1、ε2和ε3的介质分界面的总反射系数为：
Figure BDA0003699643450000031
Figure BDA0003699643450000032
Figure BDA0003699643450000033
其中R12为总反射系数，R23为介质2与介质3分界面处的反射系数，K为计算的中间变量用来求解介质超表面单元的厚度，θin为n区域的电磁波入射角，Zn为n区域的波阻抗，kn为n区域的波数。令总反射系数为零，可以得到超表面单元介电常数与厚度随入射角的变化关系：
Figure BDA0003699643450000034
Figure BDA0003699643450000041
其中d为透射式介质超表面单元的厚度，ε2为该超表面单元的等效介电常数，λ0和λg为别代表自由空间波长与介质波长，n为正整数；
对TM极化波，透射式介质超表面单元的介电常数随入射角的变化关系：
Figure BDA0003699643450000042
有益效果：本发明与现有技术相比，具有以下优点：
(1).结构简单，成本低廉：本发明对精度的要求不高，抗反射超表面可以通过CNC工艺实现，介质基板的选择可以根据使用频段灵活选择。
(2).适用范围广：本发明适用与微波段任意频段范围天线罩的设计，对大多数形状的天线罩均适配。
(3).工作频带宽：本发明与传统的单层天线罩相比，大大提高了高电磁波透过率频带的带宽。
(4).角度不敏感：本发明的宽带的角度不敏感天线罩尤其适用于宽角扫描天线，可以实现在宽角范围内的超高电磁波透过率。
附图说明
图1是双面加载抗反射超表面的平板型宽带的角度不敏感天线罩的结构示意图；
图2是各向同性透射式抗反射超表面的单元示意图；
图3是单元通孔边长L与等效介电常数的关系曲线；
图4是平板型天线罩的抗反射超表面结构示意图；
图5是平板型天线罩的抗反射超表面在位置X处的厚度与通孔尺寸的关系曲线；
图6(a)是单面加载抗反射超表面的平板型宽带的角度不敏感天线罩的结构示意图；图6(b)是单面加载抗反射超表面的圆锥型宽带的角度不敏感天线罩的结构示意图；
图7是双面加载抗反射超表面的平板天线罩与未加载抗反射超表面的天线罩分别在TE极化波18、20、22GHz频点处的辐射对比图，扫描角度分别为10、20、30、 40、50和60°；其中a为工作频点在18GHz的辐射对比图，b为工作频点在20GHz 的辐射对比图，c为工作频点在22GHz的辐射对比图。
图8是双面加载抗反射超表面的平板天线罩与未加载抗反射超表面的天线罩在TM极化波入射下的20GHz频点处各扫描角的辐射对比图；
图9是单面加载抗反射超表面的平板天线罩与未加载抗反射超表面的天线罩在TE极化波入射下20GHz频点处各扫描角的辐射对比图，其中图9(a)的天线罩内芯厚度为14mm，图9(b)的天线罩内芯厚度为15mm，图9(c)的天线罩内芯厚度为 16.77mm。
图10是单层加载抗反射超表面的圆锥天线罩与未加载抗反射超表面的天线罩在TE极化波入射下20GHz频点处0、5、15、20、25和30°扫描角的辐射对比图。
图中有：宽带的角度不敏感抗反射超表面1、高反射率内芯2、窄波束线极化馈源3、圆锥结构4、第一圆环5、第二圆环6、第三圆环7、第四圆环8、第五圆环9。
具体实施方式
下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。以下三个实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，如改变各向同性透射式抗反射超表面的形状尺寸、改变天线罩的适用频段及形状等。需要指出的是，凡是对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
如图1所示为本发明的实施例1，该图为一个双面加载抗反射超表面的平板天线罩，以及机械旋转馈源的扫描示意图。
所述角度不敏感宽的天线罩是由高反射率内芯2以及加载在两面的抗反射超表面1组合而成。按照天线罩的既定形状以及与馈源3的位置关系对超表面单元进行合理排布，实现任意入射角下电磁波透过率的提升。
所述抗反射超表面单元是亚波长尺寸的打孔介质结构如图2所示，单元的周期p为2.5mm(六分之一个波长)中心是不同边长尺寸L的方形通孔，通过改变通孔的边长尺寸L可以连续的改变单元的等效介电常数。这里采用的介质基板是相对介电常数为2的RogersRT5880LZ。本发明的天线罩均工作在K波段，高反射率内芯是相对介电常数3.2的均匀厚度陶瓷平板，厚度为16.77mm(约为半波长的4倍)。一个半功率波束宽度角为8°的高增益天线被放置在平板天线罩的下方距离天线罩d(80mm) 处，通过机械旋转馈源实现波束扫描。该天线罩设计灵活、结构简单、成本低廉，经仿真验证，其工作频段宽、电磁波透射率高、角度适应性好。
角度不敏感宽的天线罩的抗反射超表面的设计原理如下，分别对TE、TM极化电磁波斜入射到三种不同介质分界面进行分析。以TE极化波为例，电场方向垂直于入射面。根据电磁波的传播方向不同，三个区域内的电矢量与磁矢量可以表示成如下形式：
Figure BDA0003699643450000061
Figure BDA0003699643450000062
Figure BDA0003699643450000063
Figure BDA0003699643450000064
Figure BDA0003699643450000065
Figure BDA0003699643450000066
Figure BDA0003699643450000067
Figure BDA0003699643450000068
Figure BDA0003699643450000069
Figure BDA00036996434500000610
其中上标‘+’与‘－’分别表示电磁波沿正向与反向传播，下标数字代表处于三个不同区域，Zn表示n区域的波阻抗，θin表示电磁波在n区域分界面上的入射角。根据两处介质分界面上的边界条件：
Figure BDA00036996434500000611
其中下标t表示电场与磁场的切向分量。将式(1)与(2)联合并简化可以得到三层介质斜入射的总反射系数R12表达式：
Figure BDA00036996434500000612
其中R23为2与3区域分界面的反射系数表达式。观察式(3),若想使得三层介质的反射系数为0，K值必须为实数，由此可以得到匹配层的厚度表达式为：
Figure BDA0003699643450000071
其中λ0和λg分别为自由空间波长与区域2的介质波长。结合式(3)与(4)使R12＝0可以得到TE极化抗反射超表面的介电常数表达式：
Figure BDA0003699643450000072
根据式(4)和(5)TE波任意入射角的抗反射超表面的厚度以及介电常数可以被精确的预测。
同理TM极化电磁波的抗反射超表面的等效介电常数表达式为：
Figure BDA0003699643450000073
等式(6)的一元二次方程组的解中，小于1的值被剔除，由此可以得到TM极化波任意入射角的抗反射超表面的介电常数值。
加载抗反射超表面的平板型宽带角度不敏感天线罩的设计步骤说明如下：
1、平板天线罩的面积为540×300mm，天线罩的内芯为相对介电常数3.2，厚度 Hm为16.77mm的均匀厚度陶瓷平板。波束宽度为8°的高增益线极化天线被放置在位于平板下方80mm处，通过机械旋转实现动态的波束扫描，扫描角在0-60°之间。对于介质天线罩，TE极化波的电磁波透过率会随着入射角的增大而减小而TM极化波则会随着入射角的增大而增大，因此本发明以TE极化波的电磁波透过率提升为优化目标。经过计算抗反射超表面的等效介电常数应在1.1-1.9之间，图3展示了抗反射超表面单元的等效介电常数与通孔尺寸L的仿真结果。为简化设计，抗反射超表面单元的等效介电常数在1.15-1.85之间每隔0.1被分为8种情况。
根据几何分析，平板天线罩位置X处的电磁波入射角为，根据等式(4)和(5)抗反射超表面单元的厚度Hp与排布方式被确定。平板型天线罩的抗反射超表面的结构与细节展示如图4所示。图5为抗反射超表面位置X处的单元厚度Hp与通孔大小L的关系曲线。
实施例1：双面加载抗反射超表面的平板型角度不敏感宽的天线罩
采用全波仿真软件CST进行仿真验证，双面加载抗反射超表面的平板型宽带的角度不敏感天线罩与单层陶瓷平板分别在18、20、22GHz频点处对比了不同扫描角的辐射图，如图7所示。陶瓷平板被设计为16.77mm厚，在20GHz处0度入射的电磁波透过率最优，随着入射角的增大，扫描波束增益随之降低，反射波束增大。在18- 22GHz频带内单层陶瓷平板的天线罩在0-60度扫描范围内的电磁波透过率变化剧烈，波束增益下降可达3.2dBi。仿真结果表明抗反射超表面在18-22GHz频带内均有效果，天线罩的电磁波透过率在0-60°扫描范围内最大下降0.7dBi。经过对比宽带的角度不敏感型天线罩相比传统的单层天线罩，在18-22GHz频段内0-60°扫描角范围内可以有效提高电磁波透过率，增益最大可提升2.88dBi。图8是TM极化波在20GHz频点处的辐射图，证实了根据TE极化波所设计的抗反射超表面并不会使TM极化的透过率恶化。
实施例2：单面加载抗反射超表面的角度不敏感宽带天线罩
图6(a)为单面加载抗反射超表面的宽带角度不敏感天线罩的结构示意图，天线罩内芯2厚度为14、15、16.77mm的三种情况被分别仿真，仿真频点为20GHz，扫描角度在0-60°以内。图9结果表明，即使单边加载抗反射超表面1的天线罩其电磁透过率在各扫描角依旧有良好的提高，增益在0-60°角内趋于一致。内芯厚度的变化对增益的影响有了显著的下降，极大地减小了反射波能量。由此可以得出，本发明提出的宽带角度不敏感天线罩的设计方法不仅能够拓宽频带，提高电磁波透过率以及天线罩的角度稳定性，同时增加了天线罩厚度的鲁棒性，这意味着天线罩有更大的设计自由度。
实施例3：圆锥型复杂结构的角度不敏感宽带天线罩
一个圆锥型的复杂结构天线罩被提出用来验证本发明对复杂天线罩的适用性，天线罩的内部被加载了渐变的抗反射超表面如图6(b)所示。通过CST进行全波仿真， 20GHz频点处0-60°扫描角内的辐射对比图如图10所示。结果表明，该天线罩在0- 60°扫描角内的电磁波透过率均有所提升。在0-30°扫描角内，10°扫描角的增益最低，这主要是由于10°扫描角在透过天线罩时电磁波波前发生突变导致波形的畸变，如图中实线所示。虚线为加载抗反射超表面的天线罩辐射曲线，10度扫描角的波形明显变好。
本发明在传统四分之一波长匹配理论的基础上考虑入射角的影响推导出了新的抗反射层参数的计算公式，该公式可以根据不同入射角预测最优的匹配层介电常数及厚度。新型人工电磁材料可以实现任意的等效介电常数，这使得天线罩可以根据接收电磁波的入射角情况进行灵活的设计。通过本发明方法设计的天线罩可以在很宽的频段内实现各扫描角度上的高电磁波透过率，使用的介质材料可以根据频带和使用场景灵活选择，结构简单、成本低廉，可以取代传统天线罩，在卫星通信、雷达等领域具有重要的应用价值。

Claims (10)

1.一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，包括宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)、高反射率内芯(2)和一个窄波束线极化馈源(3)；其中，在高反射率内芯(2)的上下两表面分别设置宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)，窄波束线极化馈源(3)的极化方向与宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的电磁波入射面垂直放置，使天线罩接收TE极化扫描波束；角度不敏感抗反射超表面(1)由等效介电常数和厚度各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据本文推导的斜入射四分之一波长匹配公式，不同位置处透射式介质超表面单元的等效介电常数和厚度由该位置处的电磁波入射角确定，根据高反射率内芯(2)的相对介电常数与电磁波入射角，高反射率内芯(2)的上下表面被加载了不同厚度以及介电常数的宽带的角度不敏感抗反射超表面，入射电磁波在该超表面当中多次的干涉相消，从而减小了电磁波的反射。
2.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述透射式介质超表面单元为亚波长尺寸的通孔介质结构，所用介质基板为常用微波高频介质基板。
3.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述高反射率内芯(2)为均匀厚度陶瓷板，该陶瓷板厚度为陶瓷介质的半波长的整数以达到最大电磁波透过率。
4.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述的窄波束线极化馈源(3)为半功率波束宽度角在8°以内的窄波束线极化馈源；馈源的极化方向与电磁波入射面垂直时，天线罩接收TE极化波扫描，将馈源沿主轴旋转90°，天线罩则接收TM极化波扫描。
5.根据权利要求4所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述的窄波束线极化馈源(3)通过机械旋转馈源实现动态的波束扫描，扫描角为0-60°。
6.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述天线罩接受TE极化扫描波束，在波束扫描范围内，天线罩接收电磁波的入射角在某一区间变化；所需的透射式介质超表面单元的等效介电常数在ε1-ε2之间；等间隔选取8个不同等效介电常数值并确定介质超表面单元的尺寸；通过对这8种介质超表面单元的合理排布可实现宽带、宽角特性的抗反射超表面。
7.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的厚度随着入射角的增大而连续增大。
8.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)根据天线罩的形状和与窄波束线极化馈源(3)的位置关系进行调整；当天线罩为平板结构时，窄波束线极化馈源(3)到天线罩的垂直距离为d，宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)随着扫描角的增大，等效介电常数随之减小、厚度随之增大；当天线罩为圆锥结构(4)时，窄波束线极化馈源(3)到天线罩中心位置的距离为D，宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)被加载在反射较大的半圆球形区域；根据天线罩不同位置处的入射角，该半圆球形区域被分为第一圆环(5)、第二圆环(6)、第三圆环(7)、第四圆环(8)、第五圆环(9)多个圆环，不同圆环处加载的宽带角度不敏感抗反射超表面(1)的等效节点常数和厚度被分别确定。
9.一种如权利要求1-8任一项所述角度不敏感宽带天线罩的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，根据天线罩形状以及与窄波束线极化馈源(3)的位置关系确定不同位置处的电磁波入射角；
步骤2，通过入射角范围和高反射率内芯(2)材料的等效介电常数确定宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的介电常数范围；
步骤3，设计各向同性透射式介质抗反射超表面单元；确定单元的基板材料、打孔形状以及尺寸参数，单元等效介电常数根据所需介电常数的范围以及变化的剧烈程度被等间隔分为8种情况；
步骤4，根据既定的天线罩形状和窄波束线极化馈源(3)选取并排布对应通孔尺寸的超表面单元结构；
步骤5，根据入射角和宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的等效介电常数计算不同位置处的超表面单元厚度；宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的整体被加载到天线罩内高反射率内芯(2)的两侧或单侧，得到天线罩的整体结构；
步骤6，将窄波束线极化馈源(3)放置到距离天线罩位置d处，通过对馈源机械旋转实现动态的波束扫描。
10.根据权利要求9所述一种角度不敏感宽带天线罩的设计方法，其特征在于，宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)参数确定的具体步骤为：
首先假设平板天线罩的尺寸为lx×lymm，波束扫描沿X方向，窄波束线极化馈源(3)位于X＝0下方d处，位置X处的入射角为：θ＝arctan(x/d)；
对TE极化波，电场方向垂直于电磁波入射面，电磁波斜入射到三种相对介电常数分别为ε1、ε2和ε3的介质分界面的总反射系数为：
Figure FDA0003699643440000031
Figure FDA0003699643440000032
Figure FDA0003699643440000033
其中R12为总反射系数，R23为介质2与介质3分界面处的反射系数，K为计算的中间变量用来求解介质超表面单元的厚度，θin为n区域的电磁波入射角，Zn为n区域的波阻抗，kn为n区域的波数。令总反射系数为零，可以得到超表面单元介电常数与厚度随入射角的变化关系：
Figure FDA0003699643440000034
Figure FDA0003699643440000035
其中d为透射式介质超表面单元的厚度，ε2为该超表面单元的等效介电常数，λ0和λg为别代表自由空间波长与介质波长，n为正整数；
对TM极化波，透射式介质超表面单元的介电常数随入射角的变化关系：
Figure FDA0003699643440000036
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