CN108923130B - 基于超表面的涡旋场反射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超表面的涡旋场反射面天线，主要解决现有涡旋场反射面天线焦距大，天线整体所占空间大，相位补偿误差大的问题。其包括载体(1)、主反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，其中，载体(1)采用凹面结构，主反射镜(2)为凹面结构，且与载体共形，主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于实现短焦效果，该主反射镜包括主介质层(21)、主反射层(22)和主相位调控层(23)，主相位调控层由多个均匀排布，并按螺旋状整体分布的主金属环微结构(231)组成，用于产生涡旋电磁波，支撑结构用于固定馈源。本发明能缩短涡旋场反射面天线的焦距，降低天线整体所占空间，同时降低相位补偿误差，可用于通信和雷达。

Description

基于超表面的涡旋场反射面天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种涡旋场反射面天线，可用于通信和成像。

技术背景

涡旋电磁波因其不同模态之间具有良好正交性，能形成大量同频复用通道，应用于通信领域时能极大提高频谱利用率和通信容量，可以满足日益增长的通信容量需求，因此成为人们研究的重点。另一方面，涡旋电磁波由于其自身携带连续变化的角度信息，一个涡旋场天线就能实现对目标的多角度照射，所以在SAR成像领域，能替代多个发射源对同一目标从不同角度进行探测，从而获得更高分辨率和更好信噪比的三维成像图，显著减少了***的成本和复杂度，因此涡旋电磁波在SAR成像领域具有很高的潜在应用价值。

然而抛物面主反射面的几何结构确定后，天线焦距也会随之确定，无法实现焦距的灵活可调，若要缩短焦距，则要增大抛物面主反射面的曲率，导致同口径面积下的主反射面高度增加，对天线加工提出了更高的要求。

现有研究如中国专利，申请公布号为CN 105552556 A，名称为“轨道角动量涡旋波束产生装置及方法”的发明，公开了一种轨道角动量天线，包括平面主反射面和馈源，所述平面主反射面采用超表面结构，由馈源产生的电磁波照射经主反射面超表面结构反射后产生涡旋电磁波。这种天线虽在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但由于其为平面结构，无法实现凹面镜缩短主反射面焦距的功能，且其超表面反射单元结构复杂，数量较少，无法实现涡旋电磁波更加精准的相位补偿。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的涡旋场反射面天线，以减小相位补偿误差，简化天线结构,降低天线焦距，节约天线整体所占空间。

为实现上述目的，本发明基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线包括：

载体1、主反射镜2、馈源3和支撑结构4，主反射镜2与载体1共形,馈源3采用角锥喇叭天线，支撑结构4由四根硬质塑料棍组成，用于固定馈源3；其特征在于：

所述载体1采用凹面结构；

所述主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，其焦距小于载体1的几何焦距，用于缩短整体天线的焦距，降低整体天线的高度，该主反射镜包括主介质层21、主反射层22和主相位调控层23，且主相位调控层23由m×n个均匀排布的主金属环微结构231组成，每个主金属环微231结构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。

进一步，所述载体1采用的凹面结构为凹状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向上弯曲，弯曲程度遵从开口向上的抛物面方程，中心厚度小于边缘厚度。

进一步，所述主介质层21为凹面结构，其上表面印制主相位调控层23，下表面印制主反射层22。

进一步，所述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_i和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定，其计算如下：

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

θ_i为入射电磁波相对于主反射镜2的入射角，θ_r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；

所有主金属环微结构231，从中心到边缘的相位梯度逐渐变小。

进一步，所述所述馈源3的角锥喇叭天线，分为波导部分和张角部分，且波导部分位于张角部分的上方，张角部分最下端开口面正对主反射镜2；馈源3的相位中心位于张角部分最下端开口面中心，该相位中心与主反射镜2的焦点重合。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明由于主反射面采用凹面镜，并通过在凹面主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，相比现有涡旋场天线，缩短了焦距，降低了天线高度。

2.本发明天线在主反射镜相位调控层上设置了足够多的主金属环微结构，且考虑了不同位置处主金属环微结构对应入射角的变化，能提高相位补偿的精度。

3.本发明由于主反射镜由介质层、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。

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是本发明实施例在20GHz频率上的二维辐射方向图；

图4是本发明实施例在19.0GHz～21.0GHz的S11仿真图；

图5是本发明实施例在20GHz频率时，电场分别在375mm，750mm，1500mm，3000mm时xoy平面的截面图。

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、馈源3和支撑结构4。载体1位于天线整体结构的最下方，主反射镜2共形镶嵌在载体1的上表面，载体1采用凹面结构，馈源3采用角锥喇叭天线，该锥喇叭天线分为波导部分和张角部分，该波导部分为标准WR51波导，波导部分位于张角部分的上方，张角部分最下端开口面正对主反射镜2，支撑结构4用于固定馈源3。

所述载体1采用的凹面结构为凹状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向上弯曲，为具体描述载体1凹型结构所遵循的抛物面方程，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，载体1沿x轴从中心到两侧边缘向上弯曲，弯曲程度遵从开口向上的抛物面方程：z＝(1/600)*x*x，中心厚度小于边缘厚度。

所述主反射镜2和馈源3设置为正馈方式，即主反射镜2和馈源3的中心点在同一条直线上。

所述馈源3的相位中心位于张角部分最下端开口面中心，该相位中心与主反射镜2的焦点重合，其坐标为(0，0，101.58mm)。根据标准WR51波导的尺寸数值，得到波导部分沿坐标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[139.68mm,149.68mm]。根据角锥喇叭天线的具体数值，得到张角部分沿坐标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[101.58mm，139.68mm]。

所述支撑结构4由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面2和馈源3张角部分最下端开口面的同侧端点，本实例设但不限于每根塑料棍的长度均为143.12mm。

参照图2，所述主反射镜2，采用凹面结构，其包括主介质层21、主反射层22和主相位调控层23，该主介质层21下表面印制主反射层22，主介质层21上表面印制主相位调控层23。

该主介质层21为凹状抛物面柱形结构，其采用厚度为0.5mm，相对介电常数为4.4，相对磁导率为1的介质材料，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的前提条件，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[-0.5mm,27.00mm]。

该主反射层22由凹状抛物面金属板组成，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，因而根据主介质层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[-0.5mm,27.00mm]。

根据主介质层21的尺寸和在主相位调控层23内排布更多主金属环微结构231的原则，本实例设但不限于主相位调控层23由3900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。主金属环微结构231为正方形金属环，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[0mm，27.00mm]，相邻主金属环微结构231的中心在x方向间距为3.75mm,在y方向间距为3.75mm。每个主金属环微结构231的边长L₁和线宽w₁由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜2的入射角θ_i和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定，其变化范围要符合亚波长的数值要求，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_i-sinθ_r)dr表示Φ(x,y,z)对r的导数，其中

θ_i为入射电磁波相对于主反射镜2的入射角，θ_r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＝101.58mm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)确定出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°，31.68°],相位补偿数值Φ(x,y,z)变化区间为[-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。

本实例设但不限于主反射镜2的焦距为f＝101.58mm，而载体1的几何焦距为150mm，主反射镜2的焦距比载体1的焦距缩短32.28％，说明能实现短焦效果。

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：

电磁仿真软件CST 2017。

2.仿真内容

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3(a)是本实施例在E面远场辐射方向图，图3(b)是本实施例在H面远场辐射方向图。

从图3(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-4°和4°，其中-4°主波束的增益为23.29dBi，4°主波束的增益为20.35dBi，说明本发明在E面能够得到较大的增益。

从图3(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4°，其中-4°主波束的增益为21.30dBi，4°主波束的增益为23.10dBi，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4所示。

从图4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5所示。

图5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5中可以看出，距离天线375mm和750mm时，观测面位于天线的近场区，电场分布初步呈现出螺旋状，当距离天线1500mm和3000mm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，可缩短涡旋场天线的焦距，节约天线整体所占空间，降低相位补偿误差，适用于通信、成像等领域。

Claims (5)

1.一种基于超表面的涡旋场反射面天线，包括载体(1)、主反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，主反射镜(2)与载体(1)共形,馈源(3)采用角锥喇叭天线，支撑结构(4)由四根硬质塑料棍组成，用于固定馈源(3)；其特征在于：

所述载体(1)采用凹面结构；

所述主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，其焦距小于载体(1)的几何焦距，用于缩短整体天线的焦距，降低整体天线的高度，该主反射镜包括主介质层(21)、主反射层(22)和主相位调控层(23)，且主相位调控层(23)由m×n个均匀排布的主金属环微结构(231)组成，每个主金属环微(231)结构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)采用的凹面结构为凹状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向上弯曲，弯曲程度遵从开口向上的抛物面方程，中心厚度小于边缘厚度。

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

4.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_i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，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轴柱面母线方向，z轴与x轴和y轴垂直；dΦ＝k(sinθ_i-sinθ_r)dr表示Φ(x,y,z)对r的导数，其中

θ_i为入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角，θ_r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)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；

所有主金属环微结构(231)，从中心到边缘的相位梯度逐渐变小。

5.根据权利要求1所述的天线，其特征在于：所述馈源(3)的角锥喇叭天线，分为波导部分和张角部分，且波导部分位于张角部分的上方，张角部分最下端开口面正对主反射镜(2)；馈源(3)的相位中心位于张角部分最下端开口面中心，该相位中心与主反射镜(2)的焦点重合。

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