基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线

摘要

本发明公开了一种基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有涡旋场天线相位补偿误差大，辐射增益低，结构复杂的问题。其包括主反射镜(1)、副反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，主、副反射镜和馈源采用正馈方式，副反射镜的虚焦点与主反射镜的焦点重合，实焦点与馈源的相位中心重合。副反射镜采用相位突变超表面结构，主反射镜为平面结构，该主反射镜包括主介质层(11)、主反射层(12)和主相位调控层(13)，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(131)组成，用于产生涡旋电磁波。本发明能高效激发涡旋电磁波，降低天线相位补偿误差，提高增益，简化结构，可用于通信和雷达。

说明书

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种平面卡塞格伦涡旋场天线，可用于通信和雷达。

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。涡旋电磁波通信中，如何高效地激发涡旋电磁波是其中的关键环节，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，降低损耗和系统噪声系数，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。然而卡塞格伦天线的抛物面主反射面为凹形抛物面，不仅剖面较大而且对天线加工提出更高的要求。通常设计卡塞格伦天线时需要尽可能降低天线高度，使结构更紧凑，有利于减轻重量，降低损耗。所以研究设计低剖面的卡塞格伦涡旋场天线，并高效地激发涡旋电磁波，具有很强的实际应用价值。

现有研究多采用微波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，包括抛物型反射面和螺旋天线馈源，当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈线馈电时，其辐射场经过抛物型反射面的反射即可得到轨道角动量电磁波。又如申请公布号为CN106887718A，名称为“一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置”的发明，利用超表面相控阵天线产生轨道角动量波束。但现有以单镜反射面为基础的天线辐射效率不高，增益过低，且存在馈源配置复杂，相位变化梯度过大导致不能精确调控相位等问题，难以激发出实现精准相位调控的高增益涡旋电磁波。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线，以提高天线辐射效率，简化馈源配置，减小相位误差。

本发明的技术思路为：通过在主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，实现涡旋场相位精准调控，使其能够高效激发涡旋电磁波，其结构如下：

本发明基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线，包括主反射镜1、副反射镜2、馈源3和支撑结构4，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，每根塑料棍分别连接主反射面1和副反射面2的同侧端点，其特征在于：

主反射镜1采用平面结构，该平面结构为基于广义斯涅尔定理构建的相位突变平面超表面结构；副反射镜2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1，包括主介质层11、主反射层12和主相位调控层13，该主相位调控层13由m×n个均匀排布的主金属环微结构131组成，所有主金属环微结构131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，其特征在于：主反射镜1为中心镂空结构，且镂空横截面大小与喇叭天线底部波导部分的截面大小相同，楼空位置安装馈源3。

作为优选，其特征在于：所述主反射镜1为平面正方形结构，包括主介质层11、主反射层12和主相位调控层13；主介质层11为平面正方形结构，主反射层12印制在主介质层11的下表面，主相位调控层13印制在主介质层11的上表面。

作为优选，其特征在于：所述主金属环微结构131按螺旋状整体分布，每个主金属环微结构131的尺寸由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜1的入射角θ_i1和相位补偿数值Φ₁(x,y)决定。

作为优选，其特征在于：所述副反射镜2为正方形结构，包括副介质层21、副反射层22和副相位调控层23；副反射层22印制在副介质层21上表面，副相位调控层23印制在副介质层21下表面，该相位调控层23由i×j个均匀刻蚀在介质基板上的副金属环微结构231组成，i≥4，j≥4；每个副金属环微结构231的尺寸由其所在位置的电磁波相对于副反射镜2的入射角θ_i2和相位补偿数值Φ₂(x,y)决定。

作为优选，其特征在于：所述馈源3采用角锥喇叭天线。

本发明与现有技术相比，具有以下优点；

1.本发明天线通过在平面主反射镜和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，实现电磁波的相位补偿，得到高定向性涡旋电磁波的辐射方向图，相比现有涡旋场天线，能够高效激发涡旋电磁波，具有较高增益。

2.本发明天线的平面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.本发明天线的平面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，其中5(a)是E面辐射方向图，5(b)是H面辐射方向图；

图6是本发明实施例在20GHz频率时，S11参数随频率分布图；

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，对本发明作进一步描述。

参照图1，本发明包括主反射镜1、副反射镜2、馈源3、支撑结构4。主反射镜1采用平面正方形结构，主反射镜1中心镂空，楼空位置安装馈源3，馈源3采用角锥喇叭天线，该角锥喇叭天线分为波导部分和张角部分，其中波导部分为标准WR51波导。镂空区域的数值通过量化确定，即以主反射镜1上表面中心为坐标原点建立笛卡尔坐标系，x轴与主反射镜1的一条边平行，y轴与其相邻的一条边平行，x轴与y轴垂直，z轴与x轴和y轴垂直；根据角锥喇叭天线的波导部分截面大小与镂空横截面大小相同的特点，取主反射镜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[-0.5mm,0mm]。

主反射镜1、副反射镜2和馈源3的设置采用正馈方式，即主反射镜1、副反射镜2和馈源3的中心点在同一条直线上。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1和副反射面2的同侧端点，每根塑料棍的长度根据主反射镜1和副反射镜2同侧端点间的距离设置，本实例设但不限于153.38mm。

参照图2，所述主反射镜1为平面正方形结构，其包括主介质层11、主反射层12和主相位调控层13；主反射层12印制在主介质层11的下表面，主相位调控层13印制在主介质层11的上表面。

该主介质层11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，主介质层11的尺寸按照在20GHz频率下要能获得较大增益的原则进行设置，本实例设包括但不限于主介质层11的边长为225mm，主介质层11沿坐标x的变化区间为[-112.5mm,112.5mm],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,0mm]。

该主反射层12由一块正方形金属板组成，镶嵌于主介质层11的下表面，其中心坐标为(0，0，-0.5mm),该主反射层12沿坐标x的变化区间为[-112.5mm，112.5mm],沿坐标坐标y的变化区间为[-112.5mm，112.5mm]，沿坐标z有固定的坐标值z＝-0.5mm。

该主相位调控层13由3576个均匀分布在主介质层11上表面的主金属环微结构131组成，用于产生涡旋电磁波。主金属环微结构131为正方形金属环，相邻主金属环微结构131的中心在x坐标和y坐标方向相距均为3.75mm，主金属环微结构131沿坐标x的变化区间为[-110.625mm,110.625mm],沿坐标y的变化区间为[-110.625mm,110.625mm]，沿坐标z有固定的坐标值z＝0mm。每个主金属环微结构(131)的尺寸由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜(1)的入射角θ_i1和相位补偿数值Φ₁(x,y)决定，每个主金属环微结构131的所在位置相位补偿数值Φ₁(x,y)计算如下：

其中Φ₁(x,y)表示主反射镜1在(x,y)坐标位置处主金属环微结构131的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθ_r1-sinθ_i1)dr表示Φ₁(x,y)对r的导数，k＝24°/mm为20GHz电磁波传播常数，θ_i1为入射电磁波相对于主反射镜1的入射角，θ_r1为反射电磁波相对于主反射镜1的反射角，f＝108.25mm为主反射镜1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。

根据入射角θ_i1以及相位补偿数值Φ₁(x,y)，通过调节边长L₁和线宽w₁这两个参数，确定每个主金属环微结构131的结构数值，具体结果如下：

本实施例的主金属环微结构131不限于3576个，这些主金属环微结构131的参数随其所在位置的坐标变化而变化，这些参数包括：入射角θ_i1的变化区间为[0°,45.72°],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131按螺旋状整体分布。

参照图3，所述副反射镜2为平面正方形结构，包括副介质层21、副反射层22和副相位调控层23；副反射层22印制在副介质层21的上表面，副相位调控层23印制在副介质层21的下表面。

该副介质层21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，副介质层21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22由一块平面正方形金属板组成，镶嵌于副介质层21的上表面，其中心坐标为(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23由多个均匀排布在副介质层21下表面的副金属环微结构231组成，副金属环微结构231的个数由副相位调控层23的尺寸决定，本实例取但不限于324个副金属环微结构231，每个副金属环微结构231为正方形金属环，相邻副金属环微结构231的中心在x坐标方向的间距为2.5mm,在y坐标方向的间距为2.5mm，副金属环微结构231沿x坐标变化区间为[-21.25mm，21.25mm],沿y坐标变化区间为[-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(231)的尺寸由其所在位置的电磁波相对于副反射镜(2)的入射角θ_i2和相位补偿数值Φ₂(x,y)决定，每个副金属环微结构231的所在位置相位补偿数值Φ₂(x,y)计算如下：

其中，Φ₂(x，y)表示副反射镜上(x,y)坐标位置处方形金属环的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθ_r2-sinθ_i2)dr表示Φ₂(x,y)对r的导数，k＝24°/mm为20GHz电磁波传播常数，θ_i2为入射电磁波相对于副反射镜2的入射角，θ_r2为反射电磁波相对于副反射镜2的反射角，f＝108.25mm为主反射镜1的焦距，l＝48mm为馈源3的相位中心与副相位调控层23之间的距离，L_h＝38.1mm为馈源3的相位中心与主相位调控层13之间的距离，馈源3的相位中心位于张角部分最前端的开口面中心，Φ₀为任意常数相位值，l+L_h＝86.1mm为副相位调控层23与主相位调控层13之间的距离，每个副金属环微结构231都有固定的z坐标数值，即z＝l+L_h＝86.1mm，且满足f>l+L_h。

根据计算不同位置坐标处副金属环微结构231所需满足的相位补偿数值Φ₂(x，y)，确定出每个副金属环微结构231的结构参数，这些参数包括入射角θ_i2、相位补偿数值Φ₂(x，y)、边长L₂、线宽w₂，即入射角θ_i2的变化区间为[0°,14.65°],相位补偿数值Φ₂(x，y)变化区间为[-178.58°,-25.49°],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(0，0，108.25)，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3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的比值相等。

由于馈源3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2的边长d由副反射镜2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＝108.25mm为主反射镜1的焦距，L_h＝38.1mm为馈源3的相位中心与主相位调控层13之间的距离。

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和反射系数S11进行全波仿真，其结果如图5(a)、图5(b)和图6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，图6是本实施例反射系数S11的变化情况。

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20.51dBi，4°主波束的增益为21.06dBi，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21.09dBi，3°主波束的增益为21.98dBi，说明本发明在H面能够得到较大的增益。

图6显示了天线反射系数S11的变化情况，从图6中可以看出，天线在20GHz的条件下反射系数为-20dB，天线在19～21GHz频段内反射系数小于-17dB，满足使用要求。

仿真2，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，适用于无线通信、雷达探测等领域。