CN108808248B - 基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有相位误差大，辐射增益低，难以实现凸面涡旋场天线波束校准的问题。其包括载体(1)、主反射镜(2)、副反射镜(3)、馈源(4)和支撑结构(5)，载体采用凸面结构，主反射镜与载体共形，主、副反射镜均采用相位突变超表面结构，主反射镜为凸面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，该主相位调控层由多个均匀排布，且按螺旋状整体分布的主金属环微结构组成，用于产生涡旋电磁波，支撑结构连接主反射镜和副反射镜。本发明能实现凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准,高效激发涡旋电磁波，同时降低天线相位补偿误差，结构简单，可用于通信和雷达。

Description

基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种卡塞格伦涡旋场天线，可用于通信和成像。

技术背景

近年来通信容量需求急剧增长，而涡旋电磁波通信由于其不同模态具有良好正交性，可形成大量同频复用通道，极大的提高频谱利用率和通信容量，因此成为人们研究的重点。另一方面，在SAR成像领域，为获得更高分辨率和更好信噪比的三维成像，需要多个发射源对同一目标从不同角度进行探测，显著增加了***的成本和复杂度，而涡旋电磁波自身携带连续变化的角度信息，即一个涡旋场天线就能实现多角度照射目标的功能，因此在SAR成像领域具有很高的潜在应用价值。

在涡旋电磁波的应用场景中，高效地激发涡旋电磁波是其中的关键环节。而具有良好定向性和高质量螺旋状相位分布的涡旋场天线可实现涡旋电磁波的远距离传输、识别和复用。微波反射面天线具有较大的增益，适合构建涡旋场天线，通常反射面天线主要为抛物面天线，利用抛物面反射面对电磁波的准直作用形成高增益的方向图，卡塞格伦天线是在抛物面天线基础上增加双曲面副反射面，电磁波经过副反射面和主反射面反射后得到高度定向性的辐射方向图。相比于普通抛物面天线，增加的副反射面更便于设计口面场分布，优化天线辐射性能，馈源放置在靠近主反射面顶点处，显著缩短馈线长度，降低损耗和***噪声系数，且在主副反射面上引入相位梯度变化小的超表面结构，可以实现涡旋场相位精准调控，能够高效地激发涡旋电磁波。

然而经典卡塞格伦天线的抛物面主反射面为凹形，难以在临近空间飞行器的凸表面上实现共形加载，并完成对地观测。若把卡塞格伦主反射面的抛物面替换为传统的凸面镜，则馈源发射出的所有波经副反射面和凸面镜反射后，反射波传播方向远离副反射面和凸面镜中心连线方向，无法在天线口径面上得到垂直于口径面传播的电磁波，因此传统凸面镜不适合构建用于发射涡旋电磁波的卡塞格伦涡旋场天线主反射面。

现有研究多采用传统反射面构建涡旋场天线，激发涡旋电磁波，如中国专利，申请公布号为CN 105322285A，名称为“一种轨道角动量天线”的发明，公开了一种轨道角动量天线，包括抛物面反射面和螺旋天线馈源，所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于抛物面反射面焦点处，螺旋天线馈源产生涡旋电磁波，经过抛物面反射后得到出射波。这种天线虽在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但其由于主反射面为凹面，无法在空间飞行器等凸型表面上加载，且涡旋电磁波为馈源产生，配置复杂，相位误差较大。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，以减小相位补偿误差，简化天线结构。

实现本发明目的的技术思路为:通过在与载体共形的凸面主反射面以及平面副反射面上引入超表面结构，同时考虑电磁波斜入射时入射角的变化，降低天线的相位补偿误差，以实现与载体共形的凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准，高效激发涡旋电磁波，并通过平移抛物线形成抛物柱面的主反射面来简化天线结构。其结构如下:

一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，包括载体1、主反射镜2、副反射镜3、馈源4和支撑结构5，主反射镜2与载体1共形,馈源4采用角锥喇叭天线，支撑结构5由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面2和副反射面3的同侧端点；其特征在于：

所述载体1采用凸面结构；主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构；副反射镜3采用基于广义斯涅尔定律构建的双曲特性相位突变超表面结构；

所述主反射镜2，包括主介质层21、主反射层22和主相位调控层23，该主相位调控层23由m×n个均匀排布的主金属环微结构231组成，且每个主金属环微结构231的散射参数相位不同，所有主金属环微结构231按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。

作为优选，载体1采用的凸面结构，该凸面结构为抛物线平移后形成的凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程，中心厚度大于边缘厚度。

作为优选，其特征在于：所述主反射镜2与载体1共形，为中心镂空结构，且镂空横截面大小与角锥喇叭天线波导部分的截面大小相同，镂空位置安装馈源4。

作为优选，其特征在于：所述主介质层21为凸面结构，其上表面印制主相位调控层23，其下表面印制主反射层22；

作为优选，其特征在于：所述每个主金属环微结构231的尺寸由其所在位置的电磁波相对于主反射镜(2)入射角θ_i1和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定。所有主金属环微结构231，从中心到边缘的相位梯度逐渐变大。

作为优选，其特征在于：所述副反射镜3为正方形结构，包括副介质层31、副反射层32和副相位调控层33；副反射层32印制在副介质层31上表面，副相位调控层33印制在副介质层31下表面，该相位调控层33由i×j个均匀刻蚀在副介质层31上表面的副金属环微结构331组成，i≥4，j≥4；每个副金属环微结构331的尺寸由其所在位置的电磁波相对于副反射镜(3)入射角θ_i2和相位补偿数值Φ(x,y)决定。

作为优选，其特征在于：所述馈源4采用的角锥喇叭天线。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明天线的主反射面采用凸面镜，并通过在凸面主反射镜和平面副反射镜上引入基于广义斯涅尔定律构建的相位突变超表面结构，实现了电磁波的相位补偿，可得到高定向性的辐射方向图，相比现有涡旋场天线，实现了与载体共形的凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准，高效激发涡旋电磁波。

2.本发明天线的主反射镜和副反射镜均由介质层、印制在介质层一个侧面的反射层和另一个侧面的相位调控层组成，具有结构简单，易于加工，成本低的特点。

3.本发明天线的主反射镜和副反射镜相位调控层上的金属环微结构尺寸大小考虑到了电磁波入射角的变化，具有更精准的相位补偿

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明中的主反射镜结构示意图；

图3是本发明中的副反射镜结构示意图；

图4是本发明的电磁波传播路径与馈源设计原理示意图；

图5是本发明实施例在20GHz频率上的二维辐射方向图；

图6是本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz的S11仿真图；

图7是本发明实施例在20GHz频率时，电场分别在375mm，750mm，1500mm，3000mm时的xoy平面截面图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明包括载体1、主反射镜2、副反射镜3、馈源4和支撑结构5。载体1位于天线整体结构的最下方，载体1采用凸面结构，主反射镜2共形镶嵌在载体1的上表面，且两者中心镂空，馈源4位于载体1和主反射镜2的中心镂空位置；副反射镜3位于主反射镜2和馈源4的正上方，通过支撑结构5与主反射镜2连接；馈源4采用角锥喇叭天线，其分为波导部分和张角部分，该波导部分为标准WR51波导。为量化镂空区域具体数值，以主反射镜2上表面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，x轴沿柱面弯曲方向，y轴沿柱面母线方向，z轴与x轴和y轴垂直。因为喇叭天线的波导部分截面大小与镂空横截面大小相同，所以根据标准WR51波导的具体尺寸，得到载体1镂空位置沿坐标x的变化区间为[-7.495mm，7.495mm]，沿坐标y的变化区间为[-4.255mm，4.255mm]，沿坐标z的变化区间为[-27mm，-0.5mm]。主反射镜2镂空位置沿坐标x的变化区间为[-7.495mm，7.495mm]，沿坐标y的变化区间为[-4.255mm，4.255mm]，沿坐标z的变化区间为[-0.5mm，0mm]。

所述载体1的凸面结构为抛物线平移后形成的凸状抛物面柱形结构，其沿x轴从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程：z＝-(1/600)*x*x，中心厚度大于边缘厚度。

所述主反射镜2、副反射镜3和馈源4设置为正馈方式，即主反射镜2、副反射镜3和馈源4的中心点在同一条直线上。支撑结构5由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面2和副反射面3的同侧端点，本实例设但不限于每根塑料棍的长度均为169.78mm。

参照图2，所述主反射镜2，为凸面结构，包括主介质层21、主反射层22和主相位调控层23，主介质层21的上表面印制主相位调控层23，主介质层21的下表面印制主反射层22。

该主介质层21为凸状抛物面柱形结构，介质的厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1，本实例设但不限于主介质层21沿x轴的长度为222.40mm，沿y轴的长度为225mm，这个尺寸的设置主要是考虑到整体主反射镜2在具有足够电尺寸时，才能在设计频率为20GHz下获得较好的波前校准效果。主介质层21沿坐标x的变化区间为[-111.2mm，111.2mm]，沿坐标y的变化区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z的变化区间为[-27.00mm，0mm]。

该主反射层22由凸状抛物面柱形金属板组成，镶嵌于主介质层21的下表面，由于主反射层22的尺寸数值不能大于主介质层21的尺寸，根据主介质层21的坐标数值变化区间，本实例设但不限于主反射层22的中心坐标为(0，0，-0.5mm)，沿坐标x的变化区间为[-111.2mm，111.2mm]，沿坐标y的变化区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z的变化区间为[-27.00mm，-0.5mm]。

本实例设但不限于主相位调控层23由3576个均匀排布在主介质层21上表面的主金属环微结构231组成，用于产生涡旋电磁波。每个主金属环微结构231均为正方形金属环，由于主金属环微结构231的坐标数值范围不能大于主介质层21的尺寸，故根据主介质层21的坐标数值变化区间，本实例设但不限于主金属环微结构231沿坐标x的变化区间为[-109.83mm，109.83mm]，沿坐标y的变化区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z的变化区间为[-27.00mm，0mm]，相邻主金属环微结构231的中心在x方向的间距为3.75mm,在y方向的间距为3.75mm。每个主金属环微结构231的边长L₁和线宽w₁由其所在位置的电磁波相对于主反射镜2的入射角θ_i1和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定，每个主金属环微结构231的所在位置相位补偿数值Φ(x,y,z)计算如下：

其中dΦ＝k(sinθ_i1-sinθ_r1)dr表示Φ(x,y,z)对r的导数，其中

θ_i1为入射电磁波相对于主反射镜2的入射角，θ_r1为反射电磁波相对于主反射镜2的反射角，k＝24°/mm为20GHz电磁波传播常数，f＝114.92mm为主反射镜2的焦距，M＝1表示电磁涡旋的模态值，θ为涡旋角度，Φ₀为任意常数相位值。

根据计算不同位置坐标处主金属环微结构231所需满足的相位补偿数值Φ(x,y,z)确定每个主金属环微结构231所满足的结构参数，这些参数包括：入射角θ_i的变化区间为[0°，72.10°],相位补偿数值区间[-180°,180°],边长L₁变化区间为[1.12mm，3.5mm],线宽w₁变化区间为[0.1mm,0.55mm]，所有主金属环微结构231按螺旋状整体分布，且从中心到边缘的相位梯度逐渐变大。

参照图3，所述副反射镜3，包括副介质层31、副反射层32和副相位调控层33，所述副介质层31为正方形，所述副反射层32印制在副介质层31的上表面，所述副相位调控层33印制在副介质层31的下表面。

本实例设但不限于副介质层31采用厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1的平面正方形结构，本实例设但不限于副介质层31沿坐标x的变化区间为[-22.5mm,22.5mm]，沿坐标y的变化区间为[-22.5mm,22.5mm]，沿坐标z的变化区间为[86.1mm，86.6mm]。

该副反射层32由一块正方形平面金属板组成，镶嵌于副介质层31的上表面，由于副反射层32的尺寸数值不能大于副介质层31的尺寸，根据副介质层31的坐标数值变化区间，本实例设但不限于副反射层32的中心坐标为(0，0，86.6mm)，沿坐标x的变化区间为[-22.5mm,22.5mm]，沿坐标y的变化区间为[-22.5mm,22.5mm]，沿坐标z有固定的坐标值z＝86.6mm。

该副相位调控层33由多个均匀排布在副介质层31下表面的副金属环微结构331组成，副金属环微结构331的个数由副相位调控层33的尺寸决定，本实例取但不限于324个副金属环微结构331，副金属环微结构331为正方形金属环，相邻副金属环微结构331的中心在x方向的间距为2.5mm,在y方向的间距为2.5mm，副金属环微结构331沿坐标x的变化区间为[-21.25mm,21.25mm]，沿坐标y的变化区间为[-21.25mm,21.25mm]，沿坐标z有固定的坐标值z＝86.1mm。每个副金属环微结构331的边长L₂和线宽w₂由其所在位置的电磁波相对于副反射镜3的入射角θ_i2和相位补偿数值Φ(x,y)决定，每个副金属环微结构331的所在位置的相位补偿数值Φ(x,y)计算如下：

其中dΦ＝k(sinθ_i2-sinθ_r2)dr表示Φ(x,y)对r的导数，其中

θ_i2为入射电磁波相对于副反射镜3的入射角，θ_r2为反射电磁波相对于副反射镜3的反射角，k＝24°/mm为20GHz电磁波传播常数，l＝48mm为馈源4的相位中心与副相位调控层33之间的距离，L_h＝38.1mm为馈源4的相位中心与主相位调控层23之间的距离，馈源4的相位中心位于张角部分最前端开口面中心；l+L_h＝86.1mm为副相位调控层33与主相位调控层23之间的距离，该距离与每个副金属环微结构331的z轴坐标值相等，即固定坐标数值z＝l+L_h＝86.1mm；f＝114.92mm为主反射镜2的焦距，且满足f>l+L_h，Φ₀为任意常数相位值。

根据计算不同位置坐标处副金属环微结构331所需满足的相位补偿数值Φ(x,y)，确定出每个副金属环微结构331的结构参数，这些参数包括入射角θ_i2、相位补偿数值Φ(x,y)、边长L₂、线宽w₂，即入射角θ_i2的变化区间为[0°，31.68°],相位补偿数值Φ(x,y)变化区间为[-171.35°，179.28°],边长L₂变化区间是[1.12mm，2.3mm],线宽w₂变化区间是[0.1mm,0.55mm]。

参考图4，馈源3的相位中心F1位于张角部分沿z方向的最前端开口面中心，坐标为(0，0，38.1mm)，副反射镜2的虚焦点F2与主反射镜1的焦点重合，坐标为(0，0，114.92)，副反射镜2的实焦点与馈源3的相位中心F1重合。该副反射镜2的虚焦距为f-l-L_h＝22.15mm，实焦距为l＝48mm，且满足f-l-L_h<l。馈源4波导部分为标准WR51波导，单模传输频率范围为14.5GHz～22.0GHz，波导部分沿坐标x的变化区间为[-7.495mm,7.495mm]，沿坐标y的变化区间为[-4.255mm,4.255mm]，沿坐标z的变化区间为[-10mm,0mm]，张角部分沿坐标x的变化区间为[-11.43mm,11.43mm]，沿坐标y的变化区间为[-8.89mm,8.89mm]，沿坐标z的变化区间为[0mm,38.1mm]；副反射镜2边长与副反射镜2虚焦距f-l-L_h的比值等于主反射面1边长与主反射面1焦距f的比值。

由于馈源4采用角锥喇叭天线，其张角部分的最前端开口沿x轴的长度A＝22.86mm，副反射镜3的边长d由副反射镜3位置坐标变化区间[-22.5mm，22.5mm]可得d＝45mm，A与d满足如下关系式：

其中，f＝114.92mm为主反射镜2的焦距，L_h＝38.1mm为馈源4的相位中心与主反射镜2的主相位调控层23中心之间的距离。

馈源4发射的电磁波被副反射镜3发散为以副反射镜3的虚焦点为相位中心的球面波，该球面波经过主反射镜2反射后形成涡旋电磁波。

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：

电磁仿真软件CST 2017。

仿真1，对本发明实施例在20.0GHz频率下的远场辐射方向图进行全波仿真，其结果如图5所示，其中：图5(a)是本实施例在E面远场辐射方向图，图5(b)是本实施例在H面远场辐射方向图。

从图5(a)可见，本发明实施例在E面的两个主波束辐射方向的角度为-3°和4°，其中-3°主波束的增益为21.02dBi，4°主波束的增益为22.64dBi，说明本发明在E面能够得到较大的增益。

从图5(b)可见，本发明实施例在H面两个主波束的辐射方向的角度为-4°和3°，其中-4°主波束的增益为21.22dBi，3°主波束的增益为20.75dBi，说明本发明在H面能够得到较大的增益。

仿真2，对本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz频率下的S11性能进行全波仿真，其结果如图6所示。

从图6可见，本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz频段上S11全部低于-10dB，说明本发明实施例具有良好的匹配特性。

仿真3，对本发明实施例在20GHz频率下电磁波传播方向切平面的电场分布进行全波仿真，其结果如图7所示。

图7展示了距离天线分别为375mm、750mm、1500mm、3000mm时，边长为375mm正方形观测面内的电场分布，从图7中可以看出，距离天线375mm和750mm时，观测面位于天线的近场区，电场分布相对紊乱，当距离天线100波长和200波长时，观测面位于天线的远场区，电场分布呈螺旋状，符合电场分布旋转一周相位数值变化360°，对角方向相位数值相反的结论。

综上，本发明用于发射涡旋电磁波，可降低天线的相位补偿误差，提高天线的增益，同时简化天线结构，适用于通信、成像等领域。

Claims (10)

1.一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，包括载体(1)、主反射镜(2)、副反射镜(3)、馈源(4)和支撑结构(5)，主反射镜(2)与载体(1)共形,馈源(4)采用角锥喇叭天线，支撑结构(5)由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面(2)和副反射面(3)的同侧端点，其特征在于：

载体(1)采用凸面结构；主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构；副反射镜(3)采用基于广义斯涅尔定律构建的双曲特性相位突变超表面结构；

所述主反射镜(2)，包括主介质层(21)、主反射层(22)和主相位调控层(23)，该主相位调控层(23)由m×n个均匀排布的主金属环微结构(231)组成，且每个主金属环微结构(231)的相位补偿数值不同，所有主金属环微结构(231)按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。

2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：载体(1)采用凸面结构，该凸面结构为抛物线平移后形成的凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程，中心厚度大于边缘厚度。

3.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：主反射镜(2)与载体(1)的共形，为中心镂空结构，且镂空横截面大小与角锥喇叭天线波导部分的截面大小相同，镂空位置安装馈源(4)。

4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述主介质层(21)为凸面结构，其上表面印制主相位调控层(23)，其下表面印制主反射层(22)。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：每个主金属环微结构(231)的尺寸由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角θ_i1和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定：

其中dΦ＝k(sinθ_i1-sinθ_r1)dr表示Φ(x,y,z)对r的导数，其中

θ_i1为入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角，θ_r1为反射电磁波相对于主反射镜(2)的反射角，k为电磁波传播常数，f为主反射镜(2)的焦距，M表示电磁涡旋的模态值，θ为涡旋角度，Φ₀为任意常数相位值；以主反射镜(2)上表面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，x轴沿柱面弯曲方向，y轴沿柱面母线方向，z轴与x轴和y轴垂直；

所有主金属环微结构(231)，从中心到边缘的相位梯度逐渐变大。

6.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述副反射镜(3)为正方形结构，包括副介质层(31)、副反射层(32)和副相位调控层(33)；该副介质层(31)上表面印制副反射层(32)，下表面印制副相位调控层(33)。

7.根据权利要求6所述的天线，其特征在于：所述副相位调控层(33)由i×j个均匀刻蚀在介质基板上的副金属环微结构(331)组成，i≥4，j≥4；每个副金属环微结构(331)的尺寸由其所在位置的电磁波相对于副反射镜(3)的入射角θ_i2和相位补偿数值Φ(x,y)决定：

每个副金属环微结构(331)所在位置相位补偿数值Φ(x,y)计算如下：

其中dΦ＝k(sinθ_i2-sinθ_r2)dr表示Φ(x,y)对r的导数，其中

θ_i2为入射电磁波相对于副反射镜(3)的入射角，θ_r2为反射电磁波相对于副反射镜(3)的反射角，k为电磁波传播常数，l为馈源(4)的相位中心与副相位调控层(33)之间的距离，L_h为馈源(4)的相位中心与主相位调控层(23)中心之间的距离；l+L_h为副相位调控层(33)与主相位调控层(23)之间的距离，该距离与每个副金属环微结构(331)的z轴坐标值相等，即固定坐标数值z＝l+L_h，且满足f>l+L_h，f为主反射镜(2)的焦距，Φ₀为任意常数相位值；以主反射镜(2)上表面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，x轴沿柱面弯曲方向，y轴沿柱面母线方向，z轴与x轴和y轴垂直。

8.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述副反射镜(3)，其虚焦点位于副反射镜(3)的上方，实焦点位于副反射镜(3)的下方，且该虚焦点与主反射镜(2)的焦点重合，该实焦点与馈源(4)的相位中心重合。

9.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述副反射镜(3)，其虚焦距为f-l-L_h，实焦距为l，且满足f-l-L_h<l，其中，L_h为馈源(4)的相位中心与主相位调控层(23)中心之间的距离，f为主反射镜(2)的焦距。

10.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈源(4)采用的角锥喇叭天线，其张角部分最前端开口长边的长度A与副反射镜(3)的边长d满足如下关系式：

其中，f为主反射镜(2)的焦距，L_h为馈源(4)的相位中心与主相位调控层(23)中心之间的距离。

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