一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线制造技术

本发明专利技术提出一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，包括透镜、馈源、反射面和支撑结构。透镜包括依次层叠的第一介质板，并印制均匀排布的矩形金属贴片和十字形金属贴片。反射面包括第二介质板，金属地，蝴蝶形金属贴片和PIN二极管。本发明专利技术通过对各向异性超表面透镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线。利用PIN二极管的通断两种状态实现极化转换功能，产生不同极化状态的电磁波激励各向异性超表面透镜，实现了多波束可重构的涡旋波辐射。

【技术实现步骤摘要】
一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线
本专利技术属于通信
，更进一步涉及天线
中的一种多波束涡旋场可重构的超表面透镜折叠天线。本专利技术可用于通信系统中发射并复用不同的涡旋波信号。技术背景涡旋电磁波是携带有轨道角动量的螺旋电磁波束，由于其不同模式的轨道角动量之间具有良好的正交性，所以在同一工作频率下能够形成大量复用通道，可以提高频谱利用率和通信容量。多波束天线能够在一个天线口径面上产生两个或多个波束，实现波束赋形，有效增加天线的覆盖范围。然而，利用传统阵列天线产生携带有涡旋电磁波的多波束天线，需要复杂的馈电相移网络，不但要保证不同辐射单元之间的相位关系，还要做到功率的一致以保证涡旋电磁波模态的纯度。利用超表面的口径场叠加原理可以实现多个波束的涡旋电磁波且纯度较高，但是该方法只能产生一种多波束涡旋波辐射，一旦天线结构固定，其波束特性将不能改变，无法实现天线的多波束可重构设计。西安电子科技大学在其申请的专利文献“一种基于超表面的四波束涡旋场卡塞格伦透镜天线”(申请号：CN201811566784.9，申请公开号：CN109698407A)中提出了一种可以产生四个1模态涡旋波束的卡塞格伦透镜天线。该天线包括透镜、馈源、反射面和支撑结构，其中透镜部分包括多个依次层叠的第一介质板并印制有均匀排布的第一贴片阵列。该天线以印刷电路板的方式制作，工艺简单，成本低，通过将第一贴片阵列划分为多个矩形区域，且对相邻矩形区域附加180度相位差，可以得到四个不同方向的涡旋场。但是，该卡塞格伦透镜天线仍然存在不足之处是：第一，该天线虽然实现了四个1模态的涡旋电磁波，但其四个波束方向和涡旋电磁波模态值不能单独的任意改变，无法实现通信系统中不同涡旋波复用传输。第二，该天线结构一旦固定，其多波束辐射特性不能改变，无法实现多波束可重构设计。综上所述，目前涡旋场超表面透镜折叠天线存在两个问题，其一是，现有的涡旋波透镜折叠天线难以实现任意波束指向和任意涡旋波模态的多波束辐射。其二，现有的涡旋波透镜折叠天线，难以实现多波束可重构设计。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，用于解决涡旋场超表面透镜折叠天线无法实现通信系统中不同涡旋波复用传输、天线辐射不灵活问题。实现本专利技术目的的思路是：通过对各向异性超表面透镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线。利用口径场叠加原理，解决涡旋场超表面透镜折叠天线在通信系统中不同涡旋波复用传输的问题，且针对不同极化电磁波激励呈现不同的涡旋波辐射。同时在涡旋场超表面透镜折叠天线的反射面中加入PIN二极管，通过改变该反射面PIN二极管的偏置电压从而反射不同极化的电磁波，并经过各向异性超表面透镜产生不同极化的多波束涡旋波，实现整个超表面透镜折叠天线的波束重构设计。为实现上述目的，本专利技术包括在支撑结构一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜、镂空中心部分放置的馈源和反射面；所述各向异性超表面透镜包括K个沿z轴依次层叠的第一介质板，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板面向反射面的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面的一面，分别印制有由a1×b1个均匀排布的各项异性的矩形金属贴片组成的第一贴片阵列，a1≥4，b1≥4，偶数层第一介质板面向反射面的一面印制有由a2×b2个均匀排布的正十字形金属贴片组成的第二贴片阵列，a2≥4，b2≥4；所述反射面包括第二介质板、背向各向异性超表面透镜印制的金属地、a3个均匀排布的蝴蝶形金属贴片和PIN二极管，每个PIN二极管均嵌入蝴蝶形金属贴片中间，a3≥2；所述各项异性矩形金属贴片由边长不等的矩形组成，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行不同调制，其主极化金属边和交叉极化金属边相对应的尺寸，将根据相应的相位补偿值得到每个各向异性矩形金属贴片的主极化金属边和交叉极化金属边相位值相对应的尺寸；所述反射面在PIN二极管的ON状态产生主极化波，在OFF状态产生交叉极化波；所述蝴蝶形金属贴片各自的相位值由公式计算得到，再通过实验仿真得到与相位值相对应的尺寸参数。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：第一，本专利技术是反射面和透镜的融合设计，实现了折叠天线的可重构设计。由于本专利技术的各项异性矩形金属贴片由边长不等的矩形组成，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行不同调制，且反射面在PIN二极管的ON状态产生主极化波，在OFF状态产生交叉极化波。因此可以通过改变反射面PIN二极管的偏置电压反射不同极化的电磁波，并经过各向异性超表面透镜分别产生不同极化的多波束涡旋波，克服了现有技术的涡旋波透镜折叠天线辐射不可重构的问题，使得本专利技术具有天线灵活辐射的优点。第二，本专利技术各向异性的多波束辐射设计。由于本专利技术各向异性矩形金属贴片由边长不等的主极化金属边和交叉极化金属边组成，能够针对不同极化入射的电磁波经过各向异性透镜时分别进行调制，产生多个涡旋波束，每个波束的指向、模态值均不相同，能够实现涡旋波通信中任意波束指向和任意涡旋波模态的多波束和多极化辐射，克服了现有技术的多波束辐射的问题，使得本专利技术可用于通信系统中，具有复用不同涡旋波信号传输的优点。附图说明图1是本专利技术的整体结构示意图；图2是本专利技术的各向异性超表面透镜结构示意图；图3是本专利技术各向异性矩形金属贴片的结构示意图；图4是本专利技术正十字形金属贴片的结构示意图；图5是本专利技术的反射面结构示意图；图6是本专利技术反射面极化转换随频率变化结果图；图7是本专利技术反射面极化转换随角度变化结果图；图8是本专利技术涡旋场超表面透镜折叠天线x极化辐射方向图；图9是本专利技术涡旋场超表面透镜折叠天线y极化辐射方向图；图10是本专利技术涡旋场超表面透镜折叠天线x极化涡旋波相位分布图；图11是本专利技术涡旋场超表面透镜折叠天线y极化涡旋波相位分布图。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，本实例包括但不限于以下实施例。参照图1，对本专利技术的结构作进一步详细说明。本专利技术包括在支撑结构4一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜1、镂空中心部分放置的馈源2和反射面3。所述馈源2采用角锥喇叭结构，固定在各向异性超表面透镜1中心镂空处，并以中心镂空处作为坐标原点，z轴垂直于各向异性超表面透镜，x轴平行于角锥喇叭窄边，y轴平行于角锥喇叭宽边建立笛卡尔坐标系。本专利技术实施例的馈源2分为波导部分和张角部分，因为本专利技术实施例需要6.8GHz入射波，所以波导部分采用标准WR137波导，张角部分开口面正对反射面3，设置喇叭天线相位中心位于张角部分的开口面中心的坐标为(0mm,0mm,101.6mm),波导部分沿坐标x的变化区间为[-17.425mm,17.425mm]，沿坐标y的变化区间为[-7.9mm,7.9mm]，沿坐标z的变化区间为[-33.87mm,0mm]。馈源2采用正馈方式，即各向异性超表面透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，包括在支撑结构(4)一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜(1)、镂空中心部分放置的馈源(2)和反射面(3)；所述各向异性超表面透镜(1)包括K个沿z轴依次层叠的第一介质板(11)，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板面向反射面(3)的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面(3)的一面，分别印制有由a

【技术特征摘要】
1.一种多波束可重构的涡旋场超表面透镜折叠天线，包括在支撑结构(4)一侧依次设置的采用镂空中心的各向异性超表面透镜(1)、镂空中心部分放置的馈源(2)和反射面(3)；所述各向异性超表面透镜(1)包括K个沿z轴依次层叠的第一介质板(11)，K≥2且为偶数，其中奇数层第一介质板面向反射面(3)的一面和最后一个偶数层第一介质板背离反射面(3)的一面，分别印制有由a1×b1个均匀排布的各项异性的矩形金属贴片(111)组成的第一贴片阵列，a1≥4，b1≥4，偶数层第一介质板面向反射面(3)的一面印制有由a2×b2个均匀排布的正十字形金属贴片(112)组成的第二贴片阵列，a2≥4，b2≥4；其特征在于：所述反射面(3)包括第二介质板(31)、背向各向异性超表面透镜(1)印制的金属地(312)、a3个均匀排布的蝴蝶形金属贴片(311)和PIN二极管(313)，每个PIN二极管均嵌入蝴蝶形金属贴片中间，a3≥2；所述各项异性矩形金属贴片(111)由边长不等的矩形组成，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行不同调制，其主极化金属边(1111)和交叉极化金属边(1112)相对应的尺寸，将根据相应的相位补偿值得到每个各向异性矩形金属贴片(111)的主极化金属边(1111)和交叉极化金属边(1112)相位值相对应的尺寸；所述反射面(3)在PIN二极管(313)的ON状态产生主极化波，在OFF状态产生交叉极化波；所述蝴蝶形金属贴片(311)各自的相位值由公式计算得到，再通过实...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，顾宸光，
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