基于超表面的透射型卡塞格伦天线制造技术

本发明专利技术提出了一种超表面透射型卡塞格伦天线，用于解决现有技术中存在的因反射型卡塞格伦天线副反射镜遮挡主反射镜阻碍电磁波有效辐射的技术问题，包括平行平板波导，以及位于平行平板波导两个金属平板之间的副反射镜、主透射镜和馈源；副反射镜的一个侧面上印制数个均匀排列的环形金属贴片，另一侧面印制有金属底板；主透射镜为多层介质层结构，各奇数介质层的正面蚀刻数个均匀排列的环形缝隙，偶数介质层的正面印制有数个均匀排列的金属条带，最后一层介质层的背面蚀刻有数个均匀排列的环形缝隙；馈源采用矩形喇叭天线结构；主透射镜和副反射镜均采用基于广义斯涅尔定理构建的相位突变超表面结构。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面的透射型卡塞格伦天线
本专利技术属于天线
，涉及一种卡塞格伦天线，具体涉及一种基于广义斯涅尔定理的相位突变超表面实现平面结构的透射型卡塞格伦天线，可用于微波领域。技术背景卡塞格伦天线是在抛物面天线基础上增加双曲面副反射镜，电磁波经过副反射镜，主反射镜反射后形成高方向性的辐射方向图。相比于普通抛物面天线，其双镜面的设计能够用短焦距抛物面实现长焦距抛物面的辐射性能，在实际应用中更具优势。一方面，增加的副反射镜更便于设计口面场分布，能够优化天线辐射性能；另一方面，由于馈源放置在靠近主反射镜顶点处，大大缩短了馈线长度，降低损耗，降低天线系统噪声系数。典型的卡塞格伦天线其反射镜是由加工成曲面轮廓的金属面构成，虽然设计简单，但是对加工要求较高。为解决轮廓设计调控电磁波的曲面反射镜不便于加工和组装的问题，现有研究利用超材料调控电磁波，通过印刷微带板实现平板结构卡塞格伦天线。如申请公布号为CN102800994A，名称为“一种卡塞格伦型超材料天线”的专利申请，公开了一种卡塞格伦型超材料天线，该专利技术采用平板的超材料结构来实现卡塞格伦天线的副反射镜和主反射镜，其电磁波经过副反射镜和主反射镜反射后形成高方向性的辐射方向图，该专利技术制作加工更加容易，成本更加低廉，但其存在的缺陷是：一方面，由于副反射镜对辐射电磁波的遮挡效应，导致天线的副瓣较高，尤其是小口径主反射面由于副镜的影响将难以有效辐射，另一方面，该专利技术的副反射镜和主反射镜的相位误差补偿前提是假设电磁波垂直入射的，并没有考虑当电磁波斜入射时对副反射镜和主反射镜的相位变化的影响，理论上只有当折射率为无穷大时才能使折射波垂直于反射面，存在着较大的相位补偿误差，并且随着入射角度的增大，相位误差会增大，同时，因为反射波前的相位补偿是建立在电磁波两次经过超材料层的基础上的，不同电磁参数超材料与自由空间的匹配程度不同，所以超材料层与自由空间的匹配问题也将影响天线的波前校准结果，造成的相位补偿误差进一步增大，副反射镜和主反射镜的较大相位补偿误差将会导致天线副瓣进一步升高。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种超表面透射型卡塞格伦天线，用于解决现有技术中存在的因反射型卡塞格伦天线副反射镜遮挡主反射镜阻碍电磁波有效辐射的技术问题。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案包括平行平板波导1，以及固定在平行平板波导1两个金属平板之间的副反射镜2和馈源3；所述副反射镜2包括第一长方形介质基板21，该介质基板的板面与平行平板波导1的两个金属平板垂直，其一个侧面印制有由M×N个均匀排列的环形金属贴片22组成的超表面，M≥1，N≥6，另一侧面印制有金属底板23；所述馈源3采用矩形喇叭天线结构，位于副反射镜2印制环形金属贴片22的一侧，其喇叭辐射口与第一长方形介质基板21的板面平行；所述馈源3的波导两侧各固定有一个主透射镜4；所述环形金属贴片22的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似双曲面对电磁波的相位补偿特性；所述主透射镜4采用由X个相互层叠的第二长方形介质基板41组成的介质层结构，该介质层结构的板面与第一长方形介质基板21的板面平行，X≥2且为偶数，其中距离第一长方形介质基板21最近的一块为奇数位置的第一块介质基板，各奇数位置第二长方形介质基板41面向第一长方形介质基板21的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙42组成的超表面，偶数位置的介质基板面向第一长方形介质基板21的侧面上印制有由Y×Z个均匀排列的金属条带43组成的超表面，且距离第一长方形介质基板21最远的第二长方形介质基板41背向第一长方形介质基板21的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙42组成的超表面，Y≥1，Z≥20；所述环形缝隙42的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似抛物面对电磁波的相位补偿特性；所述副反射镜2和主透射镜4的相位补偿均采用广义斯涅尔定理实现。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述环形金属贴片22，采用矩形环结构，其一条对边的连线垂直于平行平板波导1的两块金属板，其所在位置相位补偿数值满足如下公式：其中，Φ(x)表示副反射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθi-sinθr)dx表示Φ(x)对x的导数，θi(x,y)＝arctan(x/l)为入射电磁波相对于副反射镜的入射角，θr(x,y)＝arctan(x/f-l)为反射电磁波相对于副反射镜的反射角，x为每个环形金属贴片的位置，f为主透射镜焦距，l为副反射镜与主透射镜之间的距离，且满足f>l，k为电磁波传播常数，Φ0为任意常数相位值。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述环形缝隙42，采用矩形缝隙结构，其一条对边的连线垂直于平行平板波导1的两块金属板，其所在位置相位补偿数值满足如下公式：其中，Φ(x)表示主透射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθt-sinθi)dx表示Φ(x)对x的导数，θi(x)＝arctan(x/f)为入射电磁波相对于主透射镜的入射角，θt(x)＝0为透射电磁波相对于主透射镜的透射角，x为每个环形缝隙的位置，f为主透射镜焦距，k为电磁波传播常数，Φ(x)为任意常数相位值。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述馈源3，其中心对称轴与副反射镜2的中心法线重合；上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述位于波导两侧的主透射镜4，关于馈源3的中心对称轴对称。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述平行平板波导1，其两个金属板之间的尺寸，与馈源3E面的长度、第一长方形介质基板21与平行平板波导1的两块金属板垂直方向的尺寸以及第二长方形介质基板41与平行平板波导1的两块金属板垂直方向的尺寸相等。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述金属条带43，采用矩形条带结构，其长边的中心对称轴垂直于平行平板波导1的两块金属板。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述副反射镜2，其与主透射镜4之间的空间满足如下公式：其中，d1为第一长方形介质基板长边的长度，d2为两块第二长方形介质基板长边和喇叭波导口H面长度的总和，l为副反射镜与主透射镜之间的距离，f为主透射镜的焦距。上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述馈源4，其喇叭张角口的长度和喇叭张角口到矩形波导的长度变化满足如下公式：其中，A1为矩形波导H面的长度，A2是喇叭张角口的长度，Lh为喇叭张角口到矩形波导的长度，d1为第一长方形介质基板长边的长度，f为主透射镜的焦距。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1.本专利技术的主透射镜采用多层相互层叠的介质层结构，各奇数位置介质层的正面蚀刻环形缝隙，偶数位置介质层的正面上印制有金属条带，最后一层的介质层的背面蚀刻环形缝隙；该主透射镜所实现的功能为：实现电磁波从主透射镜和馈源所在方向的电磁波辐射，由于馈源的尺寸必须小于副反射面，因此从馈源所在方向实现电磁波辐射带来的遮挡更小，与现有采用主反射镜实现副反射面所在方向电磁波辐射的技术相比，有效降低了天线副瓣。2.本专利技术由于主反射镜和副反射镜均采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变超表面结构，以实现通过散射参数来表征电磁波相位补偿特性，同时主反射镜和副反射镜相位调本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面的透射型卡塞格伦天线，包括平行平板波导(1)，以及固定在平行平板波导(1)两个金属平板之间的副反射镜(2)和馈源(3)；所述副反射镜(2)包括第一长方形介质基板(21)，该介质基板的板面与平行平板波导(1)的两个金属平板垂直，其一个侧面印制有由M×N个均匀排列的环形金属贴片(22)组成的超表面，M≥1，N≥6，另一侧面印制有金属底板(23)；所述馈源(3)采用矩形喇叭天线结构，位于副反射镜(2)印制环形金属贴片(22)的一侧，其喇叭辐射口与第一长方形介质基板(21)的板面平行；所述馈源(3)的波导两侧各固定有一个主透射镜(4)；其特征在于：所述环形金属贴片(22)的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似双曲面对电磁波的相位补偿特性；所述主透射镜(4)采用由X个相互层叠的第二长方形介质基板(41)组成的介质层结构，该介质层结构的板面与第一长方形介质基板(21)的板面平行，X≥2且为偶数，其中距离第一长方形介质基板(21)最近的一块为奇数位置的第一块介质基板，各奇数位置第二长方形介质基板(41)面向第一长方形介质基板(21)的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙(42)组成的超表面，偶数位置的介质基板面向第一长方形介质基板(21)的侧面上印制有由Y×Z个均匀排列的金属条带(43)组成的超表面，且距离第一长方形介质基板(21)最远的第二长方形介质基板(41)背向第一长方形介质基板(21)的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙(42)组成的超表面，Y≥1，Z≥20；所述环形缝隙(42)的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似抛物面对电磁波的相位补偿特性；所述副反射镜(2)和主透射镜(4)的相位补偿均采用广义斯涅尔定理实现。...

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的透射型卡塞格伦天线，包括平行平板波导(1)，以及固定在平行平板波导(1)两个金属平板之间的副反射镜(2)和馈源(3)；所述副反射镜(2)包括第一长方形介质基板(21)，该介质基板的板面与平行平板波导(1)的两个金属平板垂直，其一个侧面印制有由M×N个均匀排列的环形金属贴片(22)组成的超表面，M≥1，N≥6，另一侧面印制有金属底板(23)；所述馈源(3)采用矩形喇叭天线结构，位于副反射镜(2)印制环形金属贴片(22)的一侧，其喇叭辐射口与第一长方形介质基板(21)的板面平行；所述馈源(3)的波导两侧各固定有一个主透射镜(4)；其特征在于：所述环形金属贴片(22)的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似双曲面对电磁波的相位补偿特性；所述主透射镜(4)采用由X个相互层叠的第二长方形介质基板(41)组成的介质层结构，该介质层结构的板面与第一长方形介质基板(21)的板面平行，X≥2且为偶数，其中距离第一长方形介质基板(21)最近的一块为奇数位置的第一块介质基板，各奇数位置第二长方形介质基板(41)面向第一长方形介质基板(21)的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙(42)组成的超表面，偶数位置的介质基板面向第一长方形介质基板(21)的侧面上印制有由Y×Z个均匀排列的金属条带(43)组成的超表面，且距离第一长方形介质基板(21)最远的第二长方形介质基板(41)背向第一长方形介质基板(21)的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙(42)组成的超表面，Y≥1，Z≥20；所述环形缝隙(42)的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似抛物面对电磁波的相位补偿特性；所述副反射镜(2)和主透射镜(4)的相位补偿均采用广义斯涅尔定理实现。2.根据权利要求1所述的基于超表面的透射型卡塞格伦天线，其特征在于：所述环形金属贴片(22)，采用矩形环结构，其一条对边的连线垂直于平行平板波导(1)的两块金属板，其所在位置相位补偿数值满足如下公式：其中，Φ(x)表示副反射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθi-sinθr)dx表示Φ(x)对x的导数，θi(x,y)＝arctan(x/l)为入射电磁波相对于副反射镜的入射角，θr(x,y)＝arctan(x/f-l)为反射电磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，杨佩，李冬，
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