频率触发方向图与极化同时重构的多波束超表面折叠天线
阅读说明：本技术 频率触发方向图与极化同时重构的多波束超表面折叠天线 (Multi-beam super-surface folded antenna with frequency triggering directional diagram and polarization simultaneously reconstructed ) 是由 杨锐 高鹏飞 于 2021-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种频率触发方向图与极化同时重构的多波束超表面折叠天线,主要解决现有技术中功能单一和天线剖面体积较大的问题。其包括主透射镜(1)、副反射镜(2)、支撑结构(3)和馈源(4),该主透射镜包括上下层叠的两个介质基板,每个介质基板外表面交错排布两种不同规格工字型金属贴片,其分别对应不同的工作频率,并通过基板上的过孔连接；每个基板内表面印制有蚀刻有漏波缝隙的金属贴片；该副反射镜由第三介质基板和分别印制在该介质基板上、下表面的双头箭头形金属片及金属板组成,且中心镂空；主透射镜通过支撑结构固定在副反射镜上。本发明减小了天线剖面体积,能实现收发链路的高度隔离和多目标通信,可用于无线通信和雷达。(The invention discloses a multi-beam super-surface folded antenna with a frequency trigger directional diagram and polarization simultaneously reconstructed, which mainly solves the problems of single function and larger antenna section volume in the prior art. The device comprises a main transmission mirror (1), an auxiliary reflection mirror (2), a supporting structure (3) and a feed source (4), wherein the main transmission mirror comprises two medium substrates which are stacked up and down, two I-shaped metal patches with different specifications are arranged on the outer surface of each medium substrate in a staggered mode, correspond to different working frequencies respectively and are connected through via holes in the substrates; a metal patch etched with a leaky wave gap is printed on the inner surface of each substrate; the secondary reflector consists of a third dielectric substrate, and a double-headed arrow-shaped metal sheet and a metal plate which are respectively printed on the upper surface and the lower surface of the dielectric substrate, and the center of the secondary reflector is hollowed; the main transmission mirror is fixed on the auxiliary reflection mirror through a supporting structure. The invention reduces the section volume of the antenna, can realize high isolation and multi-target communication of the receiving and transmitting link, and can be used for wireless communication and radar.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及一种多波束折叠透射阵天线，可用于无线通信和雷达。
技术背景
透射阵天线由馈源和具有大量透射型单元的平面阵构成，具有高增益、重量轻和易于加工制造等优点，被广泛应用于天线基站和雷达通信系统中。透射阵天线能够通过调节每个透射型单元的相位，将从馈源发射的球面入射波转换成平面波,同时辐射出去在指定方向上形成笔形射束。与反射阵天线相比，透射阵天线的馈源位于辐射口径的后方，能有完美的避免反射阵天线所产生馈源遮挡辐射口径的技术问题，具有高口径效率和低副瓣电平的优点。如授权公告号CN 110233339 B，名称为“一种低剖面透射阵天线”的发明专利中，公开了一种基于超表面的低剖面透射阵天线，该发明包括透射阵面、反射阵面、馈源天线和尼龙柱，透射阵面和反射阵面之间通过四个尼龙柱支撑，使得透射阵面和反射阵面之间的距离保持为焦距的三分之一。该天线由于只能在单一频点实现定向辐射波束，且仅能实现一种简单的线极化辐射波束，而对于某些特定的场合更多是在两个频点发射和接收两种正交的线极化辐射波束，其只能实现接收或者发送的单一功能，无法满足多功能通信系统的需求。
随着通信技术的发展，通信系统越来越小型化，并且频谱资源变得越来越紧张，为了减小在不同频带下工作的天线之间的相互干扰，天线的双频工作集成特性变得越来越重要。超材料天线一般通过共享口径技术实现双频段的设计，即将不同频率的谐振体集成在一起。如授权公告号CN 111129761 A，名称为“一种双频段透射型天线”的发明专利中所公开的双频透射天线，其包括透射阵面和馈源天线，馈源放置于透射阵面的焦点处。该天线的缺点为：
一是馈源位于透射阵面的焦点，天线的剖面高，不满足通信系统小型化的要求；
二是两个工作频率下的波束的极化都由馈源决定，两个通道间的隔离性能差，会降低通信系统的稳定性。
三是两个工作频率下辐射波束都为定向单波束，无法实现同一时间对多个目标进行传输信号。
发明内容
本发明的主要目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种频率触发的方向图和极化同时重构的多波束超表面折叠天线，以实现两个工作频率信号传输通道间的高度隔离和多目标通信，并降低天线剖面。
本发明的技术关键是：采用超表面透射阵和反射阵的级联结构，利用透射阵面上单元的极化滤波和频率选择的特性，实现在不同频点下方向图与极化同时重构。其实现如下：
一种频率触发的方向图和极化同时重构的多波束超表面折叠天线，包括主透射镜1、副反射镜2、支撑结构3和馈源4，其特征在于：
所述主透射镜1，包括M×N个周期性排布的第一超表面单元11，M≥15，N≥15；每个第一超表面单元11包括上下层叠的第一介质基板111和第二介质基板112；
该第一介质基板111上表面印制有交错垂直排布的两种不同规格第一工字型金属贴片1111和第二工字型金属贴片1112，这两种不同规格尺寸的工字型金属贴片分别对应两个工作频率；
该第二介质基板112的上表面印制有蚀刻漏波缝隙的金属贴片1121，下表面印制有交错平行排布的两种不同规格尺寸的第三工字型金属贴片1122和第四工字型金属贴片1123；每个基板上设有过孔；
该第一工字型金属贴片1111与第三工字型金属贴片1122通过第一金属化过孔113连接，该第二工字型金属贴片1112与第四工字型金属贴片1123通过第二金属化过孔114连接；
所述副反射镜2，包括P×Q个周期性排布的第二超表面单元21，P≥M,Q≥N,且中心镂空；每个第二超表面单元21，由第三介质基板211和分别印制在该第三介质基板上表面的双头箭头形金属贴片212及下表面的金属地板213组成。
进一步，所述副反射镜2通过非金属材料的支撑结构3固定在主透射镜1的三分之一焦距位置。
进一步，所述副反射镜上印制的所有双头箭头金属贴片212尺寸完全相同，每个双头箭头金属贴片212均包括两个箭头2121，2123和矩形金属条2122，该两个箭头2121，2123均采用直角箭头，且对角分布，并通过矩形金属条2122连接为一体。
进一步，所述主透射镜1与副反射镜2的中心法线重合。
进一步，所述第一工字型金属贴片1111与第三工字型金属贴片1122的尺寸相同，排布方向互相垂直，其中心相对于第一金属化过孔113分别有一个偏移量b1和b2，该偏移量和金属贴片两端的平行枝节的长度分别由第一工字型金属贴片和第三工字型金属贴片所在位置的补偿相位Φ1(x1,y1)决定：
其中，k1为低频工作频率自由空间中的波数，x1和y1分别为第一金属化过孔(113)的中心坐标，f1为主透射镜(1)的焦距，φ1为附加相位，用于实现多波束辐射。
进一步，所述第二工字型金属贴片1112与第四工字型金属贴片1123尺寸相同，排布方向互相平行，其中心相对于第二金属化过孔114分别有一个偏移量b3和b4，该偏移量和金属贴片两端的平行枝节的长度由第二工字型金属贴片和第四工字型金属贴片所在位置的补偿相位Φ2(x1′,y1′)决定：
其中，k2为高频工作频率自由空间中的波数，x2′2和y2′2分别为第二金属化过孔(114)的中心坐标，f1为主透射镜(1)的焦距，φ2为附加相位，用于实现多波束辐射。
进一步，所述馈源4，采用矩形喇叭天线结构，其固定在副反射镜2的中心镂空位置，且相位中心位于副反射镜2的中心位置。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于在第一介质基板上表面印制有交错垂直排布的两种工字型金属贴片，通过金属化过孔与第二介质基板下表面印制交错垂直排布的两种工字型金属贴片相连接，每个工字型金属贴片两端平行枝节长度由其所在位置的相位补偿值决定，能够通过识别馈源辐射的电磁波的频率，辐射两种正交的线极化多波束，且其两个频段的波束指向均可独立调控，实现收发链路的高度隔离和多目标通信。
2.本发明由于使用具有宽带极化转换功能的副反射镜，可以在使用一个线极化馈源产生两种正交极化辐射波的同时降低天线剖面，实现天线的小型化。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明中第一超表面结构1示意图，其中:
图2(a)是第一超表面单元示意图；
图2(b)是部分第一超表面结构示意图；
图2(c)是第一工字型金属贴片和第二工字型金属贴片结构示意图；
图2(d)是第三工字型金属贴片和第四工字型金属贴片图；
图3是本发明中第二超表面单元的结构示意图；
图4是本发明实施例的第二超表面单元极化转换率曲线图；
图5是本发明实施例在14GHz频率上的S11曲线图；
图6是本发明实施例在14GHz频率上的3D辐射方向图；
图7是本发明实施例在14GHz频率上phi＝0°方向上的二维方向图；
图8是本发明实施例在18GHz频率上的S11曲线图；
图9是本发明实施例在18GHz频率上的3D辐射方向图；
图10是本发明实施例在18GHz频率上phi＝0°方向上的二维方向图；
图11是本发明实施例在18GHz频率上phi＝90°方向上的二维方向图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步的描述。
参照图1，本发明包括主透射阵1、副反射阵2、支撑结构3和馈源4，其中：
所述主透射阵1，包括M×N个周期性排布的第一超表面单元11,本实施例设置但不限于M＝30，N＝29；
所述副反射阵2，包括P×Q个周期性排布的第二超表面单元21，且中心镂空，本实施例设置但不限于P＝30，Q＝29；该副反射阵2通过非金属材料的支撑结构3固定在主透射阵1的三分之一的焦距位置，且主透射阵1与副反射阵2的两者的中心法线重合。
所述馈源4采用矩形喇叭天线结构，其固定在副反射阵2的中心镂空位置，且相位中心位与副反射阵2的中心位置重合。
参照图2(a)，所述每个第一超表面单元11均包括上下层叠的第一介质基板111和第二介质基板112，该第一介质基板111上表面印制有交错垂直排布的两种不同规格的工字型金属贴片，分别为第一工字型金属贴片1111和第二工字型金属贴片1112，这两种不同规格尺寸的工字型金属贴片分别对应两个工作频率，该两个工作频率由单元长度和该单元上印制的所有金属结构尺寸决定，本实例中单元长度设置但不限于l＝8mm，上下两层介质基板均采用但不限于εr＝3.5的材料，且该实例介质基板厚度设置但不限于t＝1mm，两个频率设置但不限于14GHz和18GHz，每个第一工字型贴片和第二工字型贴片的平行枝节的长度会变化，其中第一工字型贴片和第二工字型贴片两端的平行枝节的长度根据第一工字型金属贴片1111和第二工字型金属贴片1112所在位置的补偿相位Φ1(x1,y1)和Φ2(x2′,y2′)确定，用于实现在两个工作频率下的正交线极化多波束辐射；该第二介质基板112的下表面印制有交错平行排布的两种不同规格尺寸的工字型金属贴片，分别为第三工字型金属贴片1122和第四工字型金属贴片1123。
参照图2(b),所述第一介质基板111上面印制的第一工字型金属贴片1111和第二工字型金属贴片1112分别与其在第二介质基板下表面对应位置印制的第三工字型金属贴片1122和第四工字型金属贴片1123通过第一金属化过孔113和第二金属化过孔114连接，且该金属化过孔的直径本实例设置但不限于r1＝0.4mm，且第二介质基板112的上表面印制有蚀刻漏波缝隙的金属贴片1121，该漏波缝隙直径本实例设置但不限于r2＝0.8mm；
参照图2(c)和图2(d)，第一工字型金属贴片1111与通过第一金属化过孔113连接的第三工字型金属贴片1122尺寸相同，第一工字型金属贴片1111中心相对于第一金属化过孔113有一个偏移量b1，第三工字型金属贴片1122中心相对于第一金属化过孔113有一个偏移量b2，这两个偏移量均由第一工字型金属贴片1111和第三工字型金属贴片1122所在位置的补偿相位Φ1(x1,y1)确定；第二工字型金属贴片1112与通过第二金属化过孔114连接的第四工字型金属贴片1123尺寸相同，第二工字型金属贴片1112中心相对于第二金属化过孔114有一个偏移量b3，第四工字型金属贴片1123中心相对于第二金属化过孔114有一个偏移量b4，这两个偏移量均由第二工字型金属贴片1112和第四工字型金属贴片1123所在位置的补偿相位Φ2(x1′,y1′)确定。该第一超表面单元11的上下表面的工字型金属贴片尺寸本实例设置但不限于：a1＝2.6mm，a2＝1.3mm，w1＝1mm；该第一工字型金属贴片1111和第三工字型金属贴片1122所在位置的相位补偿值Φ1(x1,y1)的计算公式为：
其中，k1为低频工作频率自由空间中的波数，x1和y1分别为第一金属化过孔113的中心坐标，f1为主透射阵1的焦距，φ1为附加相位，用于实现多波束辐射。
该第二工字型金属贴片1112和第四工字型金属贴片1123所在位置的相位补偿值Φ2(x2,y2)的计算公式为：
其中，k2为高频工作频率自由空间中的波数，x2和y2分别为第二金属化过孔114的中心坐标，f1为主透射阵1的焦距，φ2为附加相位，用于实现多波束辐射。
参照图3，所述第二超表面单元21，包括第三介质基板211、印制在第三介质基板211上表面的双头箭头形金属贴片212和下表面的金属地板213，所述副反射阵上印制的所有双头箭头金属贴片212尺寸完全相同；每个双头箭头金属贴片212，包括对角分布的第一直角箭头2121、第二直角箭头2123和矩形金属条2122，这两个箭头通过矩形金属条2122连接。
本实例设但不限于该第二超表面单元21直角箭头长度l2＝2.9mm，直角箭头距离单元边界宽度w2＝0.6mm，矩形金属条宽度w3＝0.6mm，介质基板的介电常数εr＝2.6该介质基板厚度h2＝2.5mm。
本实例的工作原理如下：
在低频激励时，来自于馈源的线极化波照射至主透射阵1时将会发生全反射而照射至副反射阵2，副反射阵2将该线极化波转换为其正交线极化波，该正交线极化波被第三工字型金属贴片1122所接收，通过第一金属化过孔113耦合至第一工字型金属贴片1111并转换为共线极化波，实现多波束辐射和线极化的转换；在高频激励时，来自于馈源的线极化波照射至主透射阵1时将会发生全反射而照射至副反射阵2，副反射阵2将该线极化波转换为其正交线极化波，该正交线极化波被第四工字型金属贴片1123所接收，通过第二金属化过孔114耦合至第二工字型金属贴片1112后，实现高极化纯度的多波束辐射。
以下结合仿真实验结果，对本发明多波束折叠超表面透镜天线的辐射性能进行描述。
1.仿真条件：
使用商业仿真软件CST Microwave Studio对本发明实施例进行。
2.仿真内容与结果：
仿真1，对本实施例第二超表面单元在14GHz～18GHz的反射超表面单元的x线极化到y线极化的极化转换率进行仿真，其结果如图4所示。由图4可见，本实例第二超表面单元极化转换率在14GHz～18GHz的频带范围内高于95％，说明在该频带内反射单元具有极高的极化转换能力。
仿真2，对本实施例在13.5GHz～14.5GHz的S11参数进行仿真，其结果如图5所示。由图5可见，本实施例天线的反射系数S11在14GHz频率下低于-10dB，说明天线在该频点实现良好匹配。
仿真3，对本实施例在14GHz频率下的3D远场图进行仿真，其结果如图6所示。由图6可见，本实施例天线在14GHz频率上3D辐射方向图有两个不同方向的主波束，其中灰度值大的地方代表增益大。
仿真4，对本实施例在14GHz频率下的二维辐射增益曲线进行仿真，其结果如图7所示。由图7可见，本实施例天线在14GHz频率下的phi＝0°方向上的二维方向图，波束最大辐射方向为30°和-30°，且交叉极化较低，说明波束极化纯度较高。
仿真5，对本实施例在17.5GHz～18.5GHz的S11参数进行仿真，其结果如图8所示。由图8可见，本实施例天线的反射系数S11在18GHz频率下低于-10dB，说明天线在该频点实现良好匹配。
仿真6，对本实施例在18GHz频率下的3D远场图进行仿真，其结果如图9所示。由图9可见，本实施例天线在18GHz频率上3D辐射方向图有三个不同方向的主波束，其中灰度值大的地方代表增益大。
仿真7，对本实施例在18GHz频率下的二维辐射增益曲线进行仿真，其结果如图10和图11所示。由图10可见，本实施例天线在18GHz频率下的phi＝0°方向上的二维方向图，波束最大辐射方向为30°和-30°，且交叉极化较低，说明波束极化纯度较高。由图11可见，本实施例天线在18GHz频率下的phi＝90°方向上的二维方向图，波束最大辐射方向为30°，且交叉极化较低，说明波束极化纯度较高。
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