一种基于超表面的宽带低副瓣天线制造技术

本发明专利技术公开一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属板上的平面介质基板，及在其上刻蚀的金属图案。本发明专利技术通过将天线口面电场调整为锥削分布，使得天线能够在很宽频带内实现低副瓣，并且本发明专利技术的设计方法也适用于其他频带。

【技术实现步骤摘要】
—种基于超表面的宽带低副瓣天线
本专利技术涉及一种低副瓣天线，更具体地说，涉及一种基于超表面，能够工作在较宽频带内的低副瓣天线。
技术介绍
传统角锥喇叭天线是由矩形波导终端张开而成，是一种增益较高、结构简单的面天线。传统角锥喇叭天线在工程领域有着广泛的应用，可以充当反射面天线和平板透镜天线的馈源。传统角锥喇叭的E面电场分布较为平均，H面电场分布呈锥削分布，所以传统角锥喇叭的H面副瓣较低，但传统角锥喇叭天线E面副瓣较高，不能满足对馈源低副瓣的要求。 在现有技术中，出现了一些其他形式的低副瓣天线，例如波纹喇叭。波纹喇叭是通过在圆锥喇叭内部开槽，将理想电壁转换为高阻抗表面来实现低副瓣的。波纹喇叭的设计方法较为复杂，单一槽深的波纹喇叭很难实现较宽频带下的低副瓣，渐变槽深的波纹喇叭加工较为复杂，成本也比较高。同时，波纹喇叭的波纹和输入圆波导之间需要进行阻抗匹配，增加了天线的长度；另外，波纹喇叭需要通过在较厚的喇叭壁上开槽实现，这些都使得其变得较为笨重。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术要解决的技术问题是低副瓣天线带宽较窄、加工难度大、成本高的缺陷，提出一种结构简单、组装方便以及成本较低的基于超表面的宽带低副瓣天线。 本专利技术的技术方案是这样实现的: 一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属地板上的平面介质基板，及在其上层刻蚀的金属图案。 进一步，所述超表面的大小在不同需求下是不同的，即其起始位置不同。 进一步，所述金属图案的形状可为正方形、长方形、平行四边形。 进一步，所述非谐振单元结构的厚度与喇叭壁相同，边长取值范围为工作频带中心频率波长的十分之一到八分之一之间，具体尺寸需要根据要求优化。 进一步，所述平面介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料环氧树脂或聚四氟乙烯制得。 本专利技术将与口面电场垂直的部分金属壁由超表面替代，由矩形波导馈入的电磁波从超表面上掠射时，超表面相当于理想磁壁，靠近超表面部分的电场减小为零。这样E面电场也呈锥削分布，使得E面副瓣大大降低。 本专利技术与现有技术相比，具有以下优点: 1.本专利技术中的低副瓣天线具有宽带特性，能够在较宽频带内工作于低副瓣状态。 2.本专利技术中的低副瓣天线与传统角锥喇叭相似，与超表面之间的组装简单，非常便于加工装配。 3.本专利技术中的超表面由印刷电路板构成，加工简单方便。 4.本专利技术中的超表面由非谐振单元结构组成，通过调节单元结构尺寸能够调整超表面的工作频带。 5.本专利技术中的低副瓣天线具有良好的通用性，通过设计角锥喇叭和超表面就能满足对副瓣、口面尺寸的不同要求。 【附图说明】 图1是本专利技术一实施例中基于超表面的宽带低副瓣天线的结构示意图； 图2是本专利技术图1中一非谐振单元结构的结构示意图； 图3是本专利技术中TM波掠射非谐振单元结构的反射相位曲线； 图4 (a)是本专利技术中图1实施例15GHz下H面电场分布； 图4 (b)是本专利技术中图1实施例15GHz下E面电场分布； 图5 (a)是本专利技术图1实施例15GHz下H面归一化方向图； 图5 (b)是本专利技术图1实施例15GHz下E面归一化方向图； 图6是本专利技术图1实施例在Ku波段(12GHZ-18GHZ)下的H面副瓣随频率变化曲线. 图7是本专利技术图1实施例在Ku波段(12GHZ-18GHZ)下的E面副瓣随频率变化曲线. 图8是本专利技术图1实施例在Ku波段(12GHZ-18GHZ)下的驻波比随频率变化曲线； 附图表及说明: 1、矩形波导；2、角锥喇叭；3、超表面；4、非谐振单元结构；5、金属图案。 【具体实施方式】 下面结合附图对本专利技术具体实施例做详细说明。 图1是本专利技术具体实施例中基于超表面的宽带低副瓣天线的结构示意图。如图1所示，本专利技术提供一种低副瓣天线，其包括Ku波段标准的输入段矩形波导1，方形口面的渐变段角锥喇叭2。设定所述角锥喇叭2与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导I 一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭2 口的所述金属壁由超表面3取代。超表面3与角锥喇叭2之间用螺丝固定，这样能够保证天线的牢固性和可靠性。 在不同需求下，超表面3的大小是不同的，即其起始位置不同。在本专利技术中，超表面3为两块，即与口面电场垂直的角锥喇叭2两侧的金属壁分别替换成超表面3。 矩形波导I的内部尺寸由低副瓣天线的工作频带决定。角锥喇叭2的口面尺寸、张角和轴向长度都可以根据需求进行设计；其各部分尺寸都可以根据需求进行设计。 图2是本专利技术中图1中的非谐振单元结构4。如图2所示，所述非谐振单元结构包括设置在金属地板上的平面介质基板，及在其上层刻蚀的金属图案。该非谐振单元结构4对于掠射的TM波具有反射相位接近零度这一特性，这使得非谐振单元结构4在较宽频带内可以被看成理想磁壁。非谐振单元结构4的厚度与喇叭壁相同，边长取值范围为工作频带中心频率波长的十分之一到八分之一之间，具体尺寸需要根据需求优化。调整非谐振单元结构4的尺寸可以改变超表面3的工作频带。 在本专利技术中，非谐振单元结构4为正方形，边长为2.5mm，平面介质基板厚度为3mm,介电常数为4.3，金属图案5为正方形，边长为1.2mm,并且金属图案5在非谐振单元结构5的中心。 在本专利技术中，非谐振单元结构4的平面介质基板可由陶瓷材料、高分子材料、铁电材料、铁氧材料、铁磁材料、环氧树脂或聚四氟乙烯制得。 在本专利技术中，非谐振单元结构4上的金属图案5的形状可以是正方形、长方形、平行四边形等几何图形。 图3是本专利技术图1中的非谐振单元结构4在TM波掠射时反射相位随频率变化曲线，其反射相位在12GHz至18GHz范围内都小于2度，可以被看作宽带理想磁壁。 超表面3作为一种新兴电磁概念，能够快速、有效地和传统电磁应用相结合，便于研究人员设计结构简单、性能优异的电磁产品。在本专利技术中，选用反射相位接近零度的超表面3来充当理想磁壁。在电磁波掠射到超表面3时，反射相位接近零度，这样超表面3就能被认作是理想磁壁。在很宽频带范围内，反射相位均满足这一要求，具有理想磁壁特性的超表面3即可被认作是宽带超表面。 本专利技术主要利用超表面3实现宽带理想磁壁，将其与传统角锥喇叭相结合，使得加载有超表面3的角锥喇叭天线具有锥削分布的口面电场，大大降低其副瓣水平。传统角锥喇叭天线的E面电场分布较为平均，使得角锥喇叭天线的E面副瓣较高。然而，因为喇叭金属壁的作用，H面电场在接近金属壁处的电场为零，H面电场分布呈现陡峭的锥削分布，使得角锥喇叭天线的H面副瓣远低于E面副瓣。为了降低天线E面的副瓣，使E面电场分布也呈现锥削分布，必须使垂直于电场方向的边界条件由理想电壁变为理想磁壁。 通过超表面3改变传统喇叭天线与电场垂直方向的边界条件，就能够改变喇叭天线的E面电场分布。与口面电场垂直的部分金属壁由超表面3替代，由矩形波导I馈入的电磁波从超表面3上掠射时，超表面3相当于理想磁壁，靠近超表面3部分的电场减小为零。这样E面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，其特征在于，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属板上的平面介质基板，及在其上刻蚀的金属图案。

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的宽带低副瓣天线，包括矩形波导、角锥喇叭，其特征在于，设定所述角锥喇叭与口面电场垂直方向的金属壁距矩形波导一定距离为起始位置，从起始位置到角锥喇叭口的所述金属壁由超表面取代，所述超表面内壁由若干非谐振单元结构均匀排布组成，所述非谐振单元结构包括设置在金属板上的平面介质基板，及在其上刻蚀的金属图案。2.根据权利要求1所述的基于超表面的宽带低副瓣天线，其特征在于，所述超表面的大小在不同要求下是不同的，即其起始位置不同。3.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔铁军，齐美清，孔故生，马慧锋，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32