CN111969306A

CN111969306A - 一种圆极化折叠透射阵

Info

Publication number: CN111969306A
Application number: CN202010416856.2A
Authority: CN
Inventors: 程强; 杨进; 柯俊臣; 陈茂; 陈明正; 张琤; 杨瑞; 崔铁军
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2020-11-20

Abstract

本发明公开了一种圆极化折叠透射阵，包括底部超表面、顶部超表面、馈源；底部超表面与馈源集成，顶部超表面位于上方，且顶部超表面与底部超表面距离为透射阵焦距的三分之一，相对传统透射阵，该折叠透射阵的顶部和底部超表面间距离为焦距的三分之一，同时可以实现圆极化波。该折叠透射阵具有低剖面、设计简单、平面化等特点，在高增益低剖面天线方面具有重要的应用价值。

Description

一种圆极化折叠透射阵

技术领域

本发明属于高增益天线、无线通信、卫星通信、定位追踪领域，具体涉及一种圆极化折叠透射阵。

背景技术

反射阵天线作为一种高增益天线，在卫星、雷达、移动远距离通信领域得到广泛的应用。传统的反射阵天线由馈源和反射阵两部分构成，其中反射阵主要用于补偿阵面单元与馈源间传播路径不同引起的相位差异，馈源主要是用于激励整个阵面。传统的反射阵天线显得笨重、占用空间大，其中在厚度方向空间主要取决于馈源、馈源与主反射阵的距离、主反射阵的尺寸。过去，过抛物面结构反射阵使得***制备加工变得复杂、体积更臃肿，给天线调试安装带来很大的麻烦。基于超表面的反射阵天线可以通过平面化结构，大幅降低了加工难度和复杂度，超薄型单元结构可以降低反射阵天线厚度。此外，通过平面化的微带或者集成片波导天线可以降低馈源的厚度，缩减体积。然而由于馈源与反射阵之间距离过大，使天线剖面进一步降低面临巨大挑战。

为了解决馈源与反射阵之间距离过大问题，基于射线追踪法，发展了折叠阵。研究最多一类折叠阵，为折叠反射阵，该类折叠阵中反射波在底部超表面得到相位补偿。它通常有极化栅、反射阵、馈源构成。其中反射阵与极化栅的高度为传统反射阵焦距的一半。底部主反射阵单元主要提供极化转化、相位补偿，顶部的极化光栅能够对正交极化波选择性反射或者透过。由于折叠反射阵具有剖面低、结构紧凑，在目前已经开展了许多研究如：波束扫描、多波束产生、波形设计等等。然而由于极化栅的存在，导致无法对圆极化进行选择透过。可以通过在折叠反射阵上方，增加线圆极化转化器，能有效实现圆极化，然而却带来成本增加。

与反射阵相对应的另一种类型，透射阵在无线通信、卫星通信、定位追踪等领域引起了人们广泛关注。类似于折叠反射阵，折叠透射阵中透射阵能够充当极化光栅、同时对透射波相位进行补偿。然而同时实现极化和透射相位控制，特别在宽带范围内，依旧特别困难。与折叠反射阵不同，折叠透射阵的研究十分有限。

在过去二十多年，作为人工周期性媒介，超材料或超表面在波束传播控制方面具有独特优势。折叠透射阵设计过程中，由正交极化栅、透射移相结构组成的超表面极化栅，可以实现透射90°极化旋转和透射相位调整。然而与折叠反射阵类似，折叠透射阵依然面临圆极化实现困难。一种理想的方式，在透射折叠阵上方增加线圆极化转化装置，可以解决这一矛盾，但是不可避免带来剖面增加、损耗增加等等。据我们所知，圆极化折叠透射阵目前还未被公开报道过。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于针对传统的透射阵，馈源距离透射阵距离过高，导致体积笨重；同时大部分折叠阵，由于结构限制难以实现圆极化等问题，提供一种圆极化折叠透射阵，该折叠透射阵由底部超表面、馈源、顶部超表面构成。其中顶部超表面对x入射的极化波为全反射，对于y极化波超表面能够实现线转圆极化，同时对圆极化相位补偿。底部超表面主要实现反射交叉线极化转化。理论分析表明在底部、顶部超表面分别发生一次极化转化，导致上下两个超表面间距为焦距的三分之一。基于超表面结构首次实现了圆极化折叠透射阵，其具有低剖面、设计简单、平面化等特点。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种圆极化折叠透射阵，包括底部超表面、顶部超表面、馈源；底部超表面与馈源集成，顶部超表面位于上方，且顶部超表面与底部超表面距离为透射阵焦距的三分之一。

所述的圆极化折叠透射阵，所述底部超表面从上到下包括金属图案层、介质基体、金属背板，所述金属图案层为一个金属开口方环，开口位于方环的顶角处。

所述的圆极化折叠透射阵，所述顶部超表面从上到下包括金属辐射层、介质基体、金属背板、介质基体、金属接收层，所述金属背板中间开设一个孔使得金属辐射层与金属接收层通过金属过孔形式实现电磁能量耦合。

所述的圆极化折叠透射阵，所述顶部超表面的金属接收层为中间开设有U型槽的方形贴片。

所述的圆极化折叠透射阵，所述顶部超表面的金属辐射层为中间开设有U型槽且副对角处做切角处理的方形贴片。

所述的圆极化折叠透射阵，所述馈源为线极化贴片天线，从上到下依次包括V型槽图案金属贴片、介质基体，金属背板。

本发明的优点是：

本发明与现有技术相比：本发明的圆极化折叠透射阵不仅能够有效地产圆极化波；同时能够大幅降低现有透射阵天线馈源距离，使得现有透射阵馈源距离透射阵距离变为原来焦距的三分之一；所设计的折叠透射阵具有高增益，低剖面、设计简单、平面化、低成本、加工和安装简单等优点，低剖面在卫星通讯、雷达探测、具有极高的应用前景。

附图说明

图1(a)圆极化折叠透射阵设计原理图(b)顶部超表面对x极化波全反射(c)顶部超表面对y极化波透过，并将其转化为左旋圆极化波，同时对圆极化波进行相位补偿(d)线极化入射下，底部超表面实现线极化转交叉极化。

图2顶部超材料单元结构示意图。(a)透视图(b)上层金属图案(c)底层金属图案。

图3顶部超表面单元在x极化垂直入射时的结构示意图(a),反射和透视系数(c)；顶部超表面单元在y极化垂直入射时的结构示意图(b),反射和透视系数(d)。

图4(a)顶部超表面旋转示意图。在y极化波垂直入射下上层金属图案不同旋转角度对应的T_{lcp_y}的幅度和相位(b-c)。在x极化波垂直入射下上层金属图案不同旋转角度对应的R_{x_x}的幅度和相位(d-e)。

图5(a)底部超表面结构示意图。(b)线极化入射下仿真同极化R_{x_x}和交叉极化R_{y_x}反射系数。

图6(a)传输阵天线相位补偿示意图。(b)仿真圆极化折叠透射阵结构模型。(c)顶部超表面底层图案放大示意图。(d)贴片天线馈源示意图。

图7(a)仿真和实测圆极化折叠透射阵、贴片天线S11参数。(b)仿真和测试圆极化折叠透射阵天线轴比AR和增益Gain参数。

图8仿真和实测圆极化折叠透射阵在10.5GHz处E面(a)和H面(b)方向图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步地说明。

1设计机理

一种圆极化折叠透射阵，设计原理如图1(a)所示，该圆极化折叠透射阵由三部分组成：底部超表面、顶部超表面、馈源。顶部超表面在设计过程中满足三个条件,见图1(b，c)。首先，充当传统的极化栅，对y极化波透过，对x极化波反射。其次，当电磁波穿过顶部超表面时，它可以实现线极化转圆极化，圆极化的极化特性取决于单元结构类型，在本文中我们仅仅考虑左旋圆极化。最后，它能够为透射波提供相位补偿，满足波束取向条件。底部超表面能够实现线极化入射，交叉线极化反射，见图1(d)。

基于以上各个组成部分的功能假设，圆极化折叠透射阵传播轨迹如图3(a)-(d).从馈源发出的x极化波抵达顶部超表面时，由于顶部超表面的极化敏感性，电磁波会在顶部超表面发生镜像反弹。随后，反弹的x极化波传播到底部超表面，在底部超表面发生第二次镜像反弹，并反射波极化旋转90°，从而反射波由x极化转变为y极化(紫色箭头所示)。最终，y极化波有底部超表面反射进入无阻挡进入顶部超表面，并将y极化波转变为理想的左旋圆极化波。显然，根据射线传播的几何对称关系，折叠透射阵的虚拟镜像源O_i位于真实源O的正下方，虚拟源与顶部超表面的距离为焦距f。由于折叠透射阵对透射波相位补偿，而折叠反射阵对反射波相位补偿，折叠反射阵中虚拟镜像源位于实际源的正上方，这点二者有显著的区别。由于图3(a)-(d)中，折叠透射阵从馈源发出的波经历了2次镜像反射，传播线段关系满足：

O_iC＝OA+AB+BC＝3×OA。 (公式1)

其中OA＝AB＝BC，根据公式1可以推导出：顶部与底部超表面距离H为透射阵焦距的三分之一,即f/3。在折叠反射阵中，顶部与底部阵面距离为反射阵焦距的一半，即f/2。本节提出的折叠透射阵能显著将顶部与底部超表面的高度压缩到原来的33％。

y极化波穿过顶部超表面时，它将被转化为左旋圆极化波，同时不同位置的透射相位差异可以通过单元的几何形状和尺寸改变来补偿，进而将从虚拟镜像源发出的球面波变化为平面波。

实施例

这里我们给出了x波段圆极化折叠透射阵设计具体过程，而实际设计过程中可以根据应用的需求，将其拓展到特定工作频率范围。

1顶部超表面设计

顶部超表面单元结构如图2(a)所示，它从上到下包括金属辐射层、介质基体、金属背板、介质基体、金属接收层，所述金属背板中间开设一个孔使得金属辐射层与金属接收层通过金属过孔形式实现电磁能量耦合。其中金属辐射层、金属背板、金属接收层这三层的金属材质为良导体，如铜、银、金等；两层介质基体材质为低损耗的介电材质，比如树脂、玻璃纤维、聚四氟乙烯、泡沫等等；本实施例中两层介质基体厚度均为h＝2mm，材质为F4B350，介电为3.5，损耗正切为0.002。基体之间通过厚度为0.1mm厚的胶层粘接在一起，胶层介电为3.7，损耗正切为0.002。金属层的厚度为0.018mm。在U型槽贴片副对角线处对等切角处理后形成的上层金属图案如图2(b)所示，形成典型的圆极化辐射天线。下层为U型槽贴片天线(图2(c))，其极化类型为线极化。上下层贴片通过金属过孔穿过中间层金属地连接在一起，其中金属过孔直径为0.4mm，金属地上的开孔孔径为1mm。图2(a)中几何尺寸为p＝12.6， h＝2，d₀＝1，a₁＝b₁＝a₂＝b₂＝6，c₁＝d₁＝c₂＝d₂＝4，w₁＝w₂＝2，l₁＝l₂＝3.75，t＝1.5，单位mm。

电磁波从单元的正下方入射，如图2(a)所示。仿真得到单元的透射、反射幅度如图3 所示，其中反射系数标记为R_{x_x},R_{y_x},R_{x_y},R_{y_y}，下标位于下划线左、右两侧的字母分别代表反射和入射波的线极化形式；类似，透射系数标记为T_{lcp_x},T_{rcp_x},T_{lcp_y},T_{rcp_y},下标中lcp和rcp 代表不同旋向的圆极化波。图3(a)为x极化波入射的示意图，此时响应结果如他3(c): 入射波几乎全部被反射，在9GHz到12GHz的同极化反射率R_{x_x}高达97％，交叉极化反射系数R_{y_x}、转圆极化透射系数T_{lcp_x},T_{rcp_x}非常小。结果分析表明单元如同我们预期一样，对x极化波而言是完美的反射器。然而在y极化入射时(图3(b)),图3(d)中明显看出单元具有相当高的转圆极化透射系数T_{lcp_y。}

巧妙通过旋转上层圆极化U型槽天线实现相位调整。如图4(a)以45°的步进绕着金属过孔旋转金属图案，可以看到透射系数T_{lcp_y}(图4(b)-(c))幅度稳定不变，而相位随着转角Ψ₀增加而逐步以45°梯度递减，最终得到8种相位状态：0°，45°，90°，135°，180°， 225°，270°，315°。与此同时，如图4(d)-(e)同极化反射系数R_{x_x}的幅度、相位不受转角Ψ₀变化的影响。因此上层图案转动时，在x极化波入射时近乎完美同极化反射保证入射电磁波传播路径不会受到干扰。顶部超表面优异的极化选择反射、透射，极化转化、相位控制能力，使得它可以用于圆极化折叠透射阵天线设计。

这里给出了一种类型的顶部超表面结构，而这种类型超表面结构很多，实际应用不必局限与此，只要满足顶部超表面三个条件即可。

2底部超表面

底部超表面，作为主反射阵，主要用来实现极化旋转，将入射线极化波转化为交叉极化波。其单元结构如图5(a)所示。所述底部超表面从上到下包括金属图案层、介质基体、金属背板，所述金属图案层为一个金属开口方环，开口位于方环的顶角处。本实施例中基体为 F4B350，基体厚度为2mm，基体上部金属图为对角开口金属方环，基体底部为金属背板。由于方环对角开口，打破了原有单元在x，y方向的图案对称性，对于不同极化入射波表现相位不同，可以用来实现线极化转化。单元电磁性能仿真结果如5(b)所示，线极化波垂直入射时，单元表现了相当高的极化转化性能。在9GHz到12GHz范围内，单元交叉线极化转化率在0.95以上，同极化反射率小于0.3。总体而言，该单元满足圆极化折叠透射阵底层反射线极化转化功能，能够被用来设计该透射阵。

这里给出了一种类型的底部超表面结构，而这种类型超表面结构很多，实际应用不必局限与此，只要满足底部超表面功能即可。

3馈源设计

馈源为线极化贴片天线，从上到下依次包括V型槽图案金属贴片、介质基体，金属背板，其中贴片天线通过同轴形式馈电，与底部超表面介质基体厚度材质相同，因为可以与底部超表面集成在一起。其结构如图6(d)。V型槽图案金属贴片天线通过同轴探头馈电，V型槽图案金属贴片天线的口径幅面为12.6×25.2mm²。

这里给出了一种贴片天线作为馈源，而实际设计过程中也可以用已有成熟的线极化天线、波导天线替代，只要满足圆极化折叠透射阵工作带宽、主瓣沿着法向辐射，馈源具有高的线极化隔离度即可。

4阵面设计

这里我们实现沿着阵面法向传播的高增益笔状波束，而实际可以根据波束指向、成像需求，对相位表面进行设计。首先，由馈源发出的线极化波，抵达顶部超表面，被顶部超表面全反射；电磁波抵达到底部超表面，底部超表面抵达电磁波进行反射和极化扭转，实现交叉极化线极化波反射；反射后的交叉线极化抵达顶部超表面，通过顶部超表面并被转化具有特定相位的圆极化波。由于从馈源发出的电磁波抵达顶部超表面，超表面上不同位置处，传播路径不同导致积累的相位差异，为了实现波束高定向性，这里需要对顶部超表面进行相位补偿。在馈源辐射的x极化波照射下，如图6(a)，任意单元(m，n)所需的相位补偿满足方程：

公式中k_o代表自由空间的传播常数，

代表从坐标原点(O)抵达馈源相位中心(A)、单元(m，n)几何中心(B)的位置矢量，

代表波束偏折的单位方向矢量。顶部超表面由 17×17阵列单元组成，形成幅面大小为214.2×214.2mm²。为了获取补偿相位分布，这里坐标原点放置在顶部超表面的正中心。计算过程中，单元工作中心频率为10.3GHz，焦距为f＝105 mm，馈源相对坐标的位置矢量为

波束主瓣沿着z轴，对应的方向矢量为

贴片辐射天线的-3dB波束宽度为±45°，设计中焦径比为f/D＝0.49，使得大部分能量能够辐射到顶部超表面上。根据圆极化折叠透射阵原理，这里顶部超表面与底部超表面距离为焦距的三分之一，即35mm。

5圆极化折叠透射阵结果

测试和仿真得到圆极化折叠透射阵天线的反射系数如图7(a)，从9.6GHz到11.3GHz宽频范围内插损在-10dB以下。仿真与实测反射系数间存在一定的频移偏差，这主要是由于馈电探针位置偏差引起的。7(b)给出了圆极化折叠透射阵的轴比、增益曲线。总体而言，测试与仿真增益结果吻合度好。测试的最大增益在11.3GHz，大小为21.5dBi，略微低于仿真结果22dBi。测试圆极化透射阵天线的效率为21.8％，3dBi增益带宽为11.6％，3dB轴比带宽为 23.2％，与仿真相比略窄，主要由于测试误差引起的。

圆极化折叠透射阵在10.5GHz处E面、H面的仿真与实测方向图曲线如图8所示。从图中可以看出3dB波瓣宽度小于8°，在E、H面测试的归一化交叉极化副瓣能量低于-15dB。测试与仿真结果的良好匹配性，实测笔状主瓣波束沿着z轴方向.

以上所述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润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种圆极化折叠透射阵，其特征在于，包括底部超表面、顶部超表面、馈源；底部超表面与馈源集成，顶部超表面位于上方，且顶部超表面与底部超表面距离为透射阵焦距的三分之一。

2.根据权利要求1所述的圆极化折叠透射阵，其特征在于，所述底部超表面从上到下包括金属图案层、介质基体、金属背板，所述金属图案层为一个金属开口方环，开口位于方环的顶角处。

3.根据权利要求1或2所述的圆极化折叠透射阵，其特征在于，所述顶部超表面从上到下包括金属辐射层、介质基体、金属背板、介质基体、金属接收层，所述金属背板中间开设一个孔，使得金属辐射层与金属接收层通过金属过孔形式实现电磁能量耦合。

4.根据权利要求3所述的圆极化折叠透射阵，其特征在于，所述顶部超表面的金属接收层为中间开设有U型槽的方形贴片。

5.根据权利要求3所述的圆极化折叠透射阵，其特征在于，所述顶部超表面的金属辐射层为中间开设有U型槽且副对角处做切角处理的方形贴片。

6.根据权利要求1或2所述的圆极化折叠透射阵，其特征在于，所述馈源为线极化贴片天线，从上到下依次包括V型槽图案金属贴片、介质基体，金属背板。