基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线制造技术

本发明专利技术提出了一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，主要解决与伞状凸面载体共形的凸面镜无法实现波束校准的问题；包括伞状凸面载体、伞状凸面镜、馈源、同轴转换接头和支撑结构，伞状凸面镜由偶数边正n边形的平面多边形离散超表面和m×n个平面等腰梯形离散超表面拼接组成，镶嵌在伞状凸面载体的凸面上，平面多边形离散超表面和平面等腰梯形离散超表面均包括介质基板、辐射地板和谐振环超表面，谐振环超表面由不同规格且呈周期性二维线性排布的谐振环组成，各谐振环对入射波提供相位补偿，实现任意曲率伞状凸面镜对电磁波的波束校准和笔形波束合成，馈源通过支撑结构固定在伞状凸面镜的焦点位置，并通过同轴转换接头进行馈电。

High directional umbels conformal reflector antenna based on Super Surface

The invention provides a high directivity convex conical conformal reflector antenna surface based on super, and mainly solves the problem of vector conformal convex convex conical beam can not achieve the calibration problem; including convex convex mirror, umbrella, umbrella carrier feed, coaxial adapter and the support structure, planar polygon mirror even by discrete umbrella the edge is n edge shape over the surface and m * n planar isosceles trapezoid discrete hyper surface merging, embedded in the convex convex conical carrier, polygon surface and discrete hyper plane isosceles trapezoid discrete over the surface includes a dielectric substrate, the resonance radiation floor surface over the ring, ring resonator is composed of a resonance super surface rings of different specifications and a periodic two-dimensional linear arrangement, the resonant ring provide phase compensation to the incident wave, the realization of arbitrary convex curvature umbrella on electromagnetic wave beam Calibration and pencil beam synthesis, feed through the focus position of the support structure and fixed on the umbrella mirror, and through the coaxial feed conversion joint.

【技术实现步骤摘要】
基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线
本专利技术属于天线
，涉及一种反射面天线，具体涉及一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，实现笔形波束，能够应用于无线通信和目标探测等领域。技术背景反射面天线的高度定向性，使其在通信、雷达等方面获得了非常广泛的应用。然而传统的反射面一般设计为凹形的抛物面，难以在空间飞行器的凸形表面上共形加载。对于传统的抛物面反射面，由于抛物线具有从抛物线上任一点到固定的焦点之距离恰等于该点到固定的准线之垂距的性质，所以来自焦点处各向同性馈源发射出的所有波经抛物面反射后，不同角度的入射波和反射波总的传播路径在离开天线口径面时电长度相等，反射波传播方向与馈源和反射面中心连线方向平行，即可以把馈源入射球面波前转换为出射平面波前。若把抛物面反射镜替换为传统的凸面镜，来自同一焦点处各向同性馈源发射出的所有波经凸面镜反射后，反射波传播方向远离馈源和反射面中心连线方向，且入射波越靠近凸面镜边缘，在该点入射角越大，相应的反射角越大，反射波无法在天线口径面上得到等相位面的平面波前，因此凸面镜不适合构建波束准直反射面。通常旋转抛物面反射镜天线辐射的出射波为笔形波束，笔形波束的天线垂直面波束和水平面波束都很窄，容易获得高增益性能，用于微波散射计等设备进行远距离探测时所需要的发射功率较小，且笔形波束天线对探测目标的仰角和方位的测角精度和分辨力都很高，使用旋转扫描可实现无盲区的连续扫描测绘，所以在空间飞行器等凸形表面上共形加载伞状凸面反射面天线，并得到笔形波束的辐射方向图，具有很强的实际应用价值。但长期以来，实现笔形波束的反射面天线的设计均以旋转抛物面作为基本的几何结构，利用空间飞行器等凸形表面设计共形反射面天线并实现波束校准仍是工程中的难题。现有研究多采用基于超表面的平面反射镜代替旋转抛物面反射镜的技术，实现平面共形反射面天线的波束校准。如：授权公告号为CN103558655B，名称为“基于超材料的全平面结构圆锥曲面反射器的设计方法”的专利技术专利，公开了一种基于超材料的全平面结构圆锥曲面反射器的设计方法，通过在平面反射面上加载超材料介质层，使其反射特性等效于一个圆锥曲面反射器，实现笔形波束反射面天线的平面共形设计。以上方法能有效地将传统反射面天线的凹面反射镜共形设计为平面反射镜并校准波束，但是无法解决与伞状凸面载体共形的凸面镜的波束校准问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提供了一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，通过在与伞状凸面载体共形的凸面镜上引入超表面结构，对入射波进行相位补偿，得到高定向性笔形波束的平面波前，实现与伞状凸面载体共形的凸面反射面天线的波束校准。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，包括伞状凸面载体1、伞状凸面镜2、馈源3、同轴转换接头4和支撑结构5，所述伞状凸面载体1的凸面由位于顶部的偶数边正n边形面和与该正n边形面各边相接且向下弯折的n组复合凸面组成，每组复合凸面包含m个按一定曲率向下延伸的平面等腰梯形，其中，n≥4，m≥2；所述伞状凸面镜2，由镶嵌在正n边形面上的平面多边形离散超表面21和镶嵌在n组复合凸面上的m×n个平面等腰梯形离散超表面22组成，形成反射面结构；所述平面多边形离散超表面21和平面等腰梯形离散超表面22，均包括介质基板、印制在介质基板下表面的辐射地板和上表面的谐振环超表面，其中，谐振环超表面由多个不同规格且呈周期性二维线性排布的谐振环组成，通过伞状凸面镜2的曲率半径和焦距，以及各谐振环所在位置的坐标值，确定各谐振环对入射波提供的附加相位补偿值和结构尺寸，实现任意曲率伞状凸面镜对电磁波的波束校准和笔形波束合成特性；所述馈源3通过支撑结构5固定在伞状凸面镜2的焦点位置，并通过同轴转换接头4进行馈电。上述基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，所述平面等腰梯形离散超表面22，其辐射地板的腰长与平面多边形离散超表面21的辐射地板的对角线长度相等，每条腰和与其端点依次相连的腰以及平面多边形离散超表面21的辐射地板的一条对角线连接成的凸形折线位于同一平面上，该凸形折线每相邻两条线段的夹角相等，其所在平面上的外接圆的半径定义为伞状凸面镜2的曲率半径。上述基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，所述谐振环，其相位补偿φ的计算公式为：其中，k为自由空间中的波数，x和y分别为谐振环所在位置的坐标值，r为伞状凸面镜2的曲率半径，fL为伞状凸面镜2的焦距。上述基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，所述谐振环，采用圆环结构，用于实现入射波的相位补偿。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：(1)本专利技术天线的反射面为凸面镜，通过在凸面镜上引入超表面结构，对入射波在反射时进行相位补偿，得到高定向性笔形波束的辐射方向图，与现有技术中的高定向性平面共形反射面相比，实现了与伞状凸面载体共形的凸面反射面天线的波束校准。(2)本专利技术的超表面结构为金属圆形谐振环，具有各向同性的性质，适用于关于自身中心对称的伞状凸面结构，通过谐振环尺寸实现不同的相位补偿数值，结构简单易于调控，且该谐振环的设计方案具有通用性，能加载于任意曲率的凸面镜表面上对入射波进行相位补偿。附图说明图1是本专利技术实施例的整体结构示意图；图2是本专利技术谐振环的结构示意图；图3是本专利技术实施例和去除谐振环结构的凸面镜在20.0GHz的辐射方向图对比图；图4是本专利技术实施例和去除谐振环结构的凸面镜在20.0GHz的近场电场图对比图；图5是本专利技术实施例在19.0GHz～21.0GHz的最大增益变化趋势图；图6是本专利技术实施例在19.0GHz～21.0GHz的S11仿真图。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详细描述。参照图1，一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，包括伞状凸面载体1、伞状凸面镜2、馈源3、同轴转换接头4和支撑结构5，所述伞状凸面载体1的凸面由位于顶部的正八边形面和与该正八边形面各边相接且向下弯折的8组复合凸面组成，每组复合凸面包含2个按一定曲率向下延伸的平面等腰梯形，所述伞状凸面镜2，由镶嵌在正八边形面上的平面多边形离散超表面21和镶嵌在8组复合凸面上的2×8个平面等腰梯形离散超表面22组成，形成反射面结构。所述平面多边形离散超表面21和平面等腰梯形离散超表面22，均包括介质基板、印制在介质基板下表面的辐射地板和上表面的谐振环超表面，其中印制辐射地板的一侧与伞状凸面载体1相连，谐振环超表面由多个不同规格且呈周期性二维线性排布的谐振环组成，所述谐振环采用圆环结构，排布方式为：各谐振环占据的区域为3.0mm×3.0mm的正方形单元，该正方形的中心与谐振环圆心重合，多个正方形单元区域在谐振环超表面上二维线性密铺，使谐振环超表面尽可能包含更多数量的谐振环且谐振环之间互不重合。所述平面多边形离散超表面21，其介质基板的厚度为0.5mm，介质基板、辐射地板和谐振环超表面的边长均为14.9mm，对角线长度均为39mm，其谐振环超表面由33个不同规格的谐振环组成。所述平面等腰梯形离散超表面22，其辐射地板的腰长与平面多边形离散超表面21的辐射地板的对角线长度相等，每条腰和与其端点依次相连的腰以及平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，其特征在于：包括伞状凸面载体(1)、伞状凸面镜(2)、馈源(3)、同轴转换接头(4)和支撑结构(5)；所述伞状凸面载体(1)的凸面由位于顶部的偶数边正n边形面和与该正n边形面各边相接且向下弯折的n组复合凸面组成，每组复合凸面包含m个按一定曲率向下延伸的平面等腰梯形，其中，n≥4，m≥2；所述伞状凸面镜(2)，由镶嵌在正n边形面上的平面多边形离散超表面(21)和镶嵌在n组复合凸面上的m×n个平面等腰梯形离散超表面(22)组成，形成反射面结构；所述平面多边形离散超表面(21)和平面等腰梯形离散超表面(22)，均包括介质基板、印制在介质基板下表面的辐射地板和上表面的谐振环超表面，其中，谐振环超表面由多个不同规格且呈周期性二维线性排布的谐振环组成，通过伞状凸面镜(2)的曲率半径和焦距，以及各谐振环所在位置的坐标值，确定各谐振环对入射波提供的附加相位补偿值和结构尺寸，实现任意曲率伞状凸面镜对电磁波的波束校准和笔形波束合成特性；所述馈源(3)通过支撑结构(5)固定在伞状凸面镜(2)的焦点位置，并通过同轴转换接头(4)进行馈电。

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的高定向性伞状凸面共形反射面天线，其特征在于：包括伞状凸面载体(1)、伞状凸面镜(2)、馈源(3)、同轴转换接头(4)和支撑结构(5)；所述伞状凸面载体(1)的凸面由位于顶部的偶数边正n边形面和与该正n边形面各边相接且向下弯折的n组复合凸面组成，每组复合凸面包含m个按一定曲率向下延伸的平面等腰梯形，其中，n≥4，m≥2；所述伞状凸面镜(2)，由镶嵌在正n边形面上的平面多边形离散超表面(21)和镶嵌在n组复合凸面上的m×n个平面等腰梯形离散超表面(22)组成，形成反射面结构；所述平面多边形离散超表面(21)和平面等腰梯形离散超表面(22)，均包括介质基板、印制在介质基板下表面的辐射地板和上表面的谐振环超表面，其中，谐振环超表面由多个不同规格且呈周期性二维线性排布的谐振环组成，通过伞状凸面镜(2)的曲率半径和焦距，以及各谐振环所在位置的坐标值，确定各谐振环对入射波提供的附加相位补偿值和结构尺寸，实现任意曲率伞状凸面镜对电磁波的波束校准和笔形波束合成特性；所述馈源(3)通过支撑结构(5)固定在伞状...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，高东兴，李冬，张澳芳，胡博伟，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