基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有涡旋场天线焦距大，相位补偿误差大，天线整体所占空间大的问题。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)，载体采用凹面结构，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，主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于实现短焦效果，主反射镜为抛物柱面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，其中主相位调控层由多个均匀排列，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。本发明专利技术能缩短卡塞格伦涡旋场天线的焦距，降低相位补偿误差，高效激发涡旋电磁波，可用于通信和雷达。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线
本专利技术属于天线
，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。涡旋电磁波通信中，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。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，卡塞格伦天线增加的副反射面可优化天线辐射性能，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，则抛物面主反射面的曲率变大，且同口径下的主反射面高度增加，对天线加工提出更高的要求。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CN105322285A，名称为“一种轨道角动量天线”的专利技术，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。这种天线虽能在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但其由于涡旋电磁波为馈源直接产生，馈源配置复杂，且馈源必须放置在抛物面几何焦距的位置，无法缩短焦距，天线所占空间较大。
技术实现思路
本专利技术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卡塞格伦涡旋场天线，以简化天线结构,减小相位补偿误差，降低卡塞格伦涡旋场天线的焦距，节约天线所占空间。为实现上述目的，本专利技术基于超表面的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,共形为中心镂空结构，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采用凹面结构；主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，且主反射镜2焦距小于载体1的几何焦距，用于降低天线整体的高度；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，且每个副金属环微结构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，所述载体1采用的凹面结构为开口向上的抛物线经平移后形成的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。作为优选，所述主反射镜2与载体1的共形中心的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，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，其下表面印制主反射层22；作为优选，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入射角θi1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小。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θi2和相位补偿数值Φ(x,y)决定。作为优选，所述馈源4采用的角锥喇叭天线。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术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，缩短了主反射镜的焦距，节约了天线所占空间。2.本专利技术由于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.本专利技术由于根据电磁波入射角的变化设置主反射镜和副反射镜的相位调控层，提高了相位补偿的精度，可以高效激发涡旋电磁波。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术中的主反射镜结构示意图；图3是本专利技术中的副反射镜结构示意图；图4是本专利技术的电磁波传播路径与馈源设计原理示意图；图5是本专利技术实施例在20GHz频率上的二维辐射方向图；图6是本专利技术实施例在19.0GHz～21.0GHz的S11仿真图；图7是本专利技术实施例在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，对本专利技术作进一步的描述。参照图1，本专利技术包括载体1、主反射镜2、副反射镜3、馈源4和支撑结构5。载体1位于天线整体的最下方，主反射镜2共形镶嵌在载体1的上表面，且两者中心镂空，用于安装馈源4，馈源4采用角锥喇叭天线，分为波导部分和张角部分，该波导部分为标准WR51波导。副反射镜3位于主反射镜2和馈源4的正上方，该副反射镜3通过支撑结构5与主反射镜2连接。所述镂空位置，其数值量化如下：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的标准WR51波导截面大小要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[-10mm，-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、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139.18mm。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，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，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在具有足本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面的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,共形中心为镂空结构，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)采用凹面结构；主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，且主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于降低天线整体的高度；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。

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的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,共形中心为镂空结构，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)采用凹面结构；主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，且主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于降低天线整体的高度；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)采用的凹面结构为开口向上的抛物线经平移后形成的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线方程，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：主反射镜(2)与载体(1)共形中心的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)为凹面结构，主相位调控层(23)印制在主介质层(21)的上表面，主反射层(22)印制在主介质层(21)的下表面。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入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角θi1和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定；其中dΦ＝k(sinθi1-sinθr1)dr表示Φ(x,y,z)对r的导数，其中θi1为入射电磁波相对于主反射镜(2)的入射角，θr1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...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，高东兴，高鸣，李冬，张澳芳，李佳成，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61