基于超表面的凸面共形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凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有相位误差大，辐射增益低，难以实现凸面涡旋场天线波束校准的问题。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)，载体采用凸面结构，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，主反射镜为凸面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，该主相位调控层由多个均匀排布，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，支撑结构连接主反射镜和副反射镜。本发明专利技术能实现凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准,高效激发涡旋电磁波，同时降低天线相位补偿误差，结构简单，可用于通信和雷达。

【技术实现步骤摘要】
基于超表面的凸面共形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。另一方面，在SAR成像领域，为获得更高分辨率和更好信噪比的三维成像，需要多个发射源对同一目标从不同角度进行探测，显著增加了系统的成本和复杂度，而涡旋电磁波自身携带连续变化的角度信息，即一个涡旋场天线就能实现多角度照射目标的功能，因此在SAR成像领域具有很高的潜在应用价值。在涡旋电磁波的应用场景中，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。微波反射面天线具有较大的增益，适合构建涡旋场天线，通常反射面天线主要为抛物面天线，利用抛物面反射面对电磁波的准直作用形成高增益的方向图，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，增加的副反射面更便于设计口面场分布，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。然而经典卡塞格伦天线的抛物面主反射面为凹形，难以在临近空间飞行器的凸表面上实现共形加载，并完成对地观测。若把卡塞格伦主反射面的抛物面替换为传统的凸面镜，则馈源发射出的所有波经副反射面和凸面镜反射后，反射波传播方向远离副反射面和凸面镜中心连线方向，无法在天线口径面上得到垂直于口径面传播的电磁波，因此传统凸面镜不适合构建用于发射涡旋电磁波的卡塞格伦涡旋场天线主反射面。现有研究多采用传统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。这种天线虽在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但其由于主反射面为凹面，无法在空间飞行器等凸型表面上加载，且涡旋电磁波为馈源产生，配置复杂，相位误差较大。
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，提出一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，以减小相位补偿误差，简化天线结构。实现本专利技术目的的技术思路为:通过在与载体共形的凸面主反射面以及平面副反射面上引入超表面结构，同时考虑电磁波斜入射时入射角的变化，降低天线的相位补偿误差，以实现与载体共形的凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准，高效激发涡旋电磁波，并通过平移抛物线形成抛物柱面的主反射面来简化天线结构。其结构如下:一种基于超表面的凸面共形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,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采用凸面结构；主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构；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，载体1采用的凸面结构，该凸面结构为抛物线平移后形成的凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程，中心厚度大于边缘厚度。作为优选，其特征在于：所述主反射镜2与载体1共形，为中心镂空结构，且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，其特征在于：所述主介质层21为凸面结构，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，其特征在于：所述每个主金属环微结构231的尺寸由其所在位置的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大。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，其特征在于：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.本专利技术天线的主反射面采用凸面镜，并通过在凸面主反射镜和平面副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，实现了电磁波的相位补偿，可得到高定向性的辐射方向图，相比现有涡旋场天线，实现了与载体共形的凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准，高效激发涡旋电磁波。2.本专利技术天线的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.本专利技术天线的主反射镜和副反射镜相位调控层上的金属环微结构尺寸大小考虑到了电磁波入射角的变化，具有更精准的相位补偿附图说明图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时的xoy平面截面图。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位于天线整体结构的最下方，载体1采用凸面结构，主反射镜2共形镶嵌在载体1的上表面，且两者中心镂空，馈源4位于载体1和主反射镜2的中心镂空位置；副反射镜3位于主反射镜2和馈源4的正上方，通过支撑结构5与主反射镜2连接；馈源4采用角锥喇叭天线，其分为波导部分和张角部分，该波导部分为标准WR51波导。为量化镂空区域具体数值，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截面大小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[-27mm，-0.5本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于超表面的凸面共形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,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)采用凸面结构；主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构；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(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凸面共形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,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)采用凸面结构；主反射镜(2)采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凸面超表面结构；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(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)采用的凸面结构，该凸面结构为抛物线平移后形成的凸状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向下弯曲，弯曲程度遵从开口向下的抛物面方程，中心厚度大于边缘厚度。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)的共形，为中心镂空结构，且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)为凸面结构，其上表面印制主相位调控层(23)，其下表面印制主反射层(22)。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的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表示电磁涡旋的模态值，θ为涡旋角度，Φ0为任...

【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