一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线制造技术

本发明专利技术公开一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线，包括各向异性超表面主反射镜、有源超表面副反射镜、支撑结构和馈源，实现了各向异性超表面主反射镜和极化转换有源超表面副反射面的融合设计。本发明专利技术通过调节有源超表面副反射镜上变容二极管电容值的大小，产生不同极化状态的电磁波激励各向异性超表面主反射镜，使涡旋多波束超表面天线每个波束的极化方式可重构，实现了单一信道内不同极化方式涡旋波束之间的复用，增大现有涡旋多波束超表面天线的通信容量。

【技术实现步骤摘要】
一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线
本专利技术属于通信
，更进一步涉及天线
中的一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线。本专利技术可用于通信领域中的基站接收天线。技术背景涡旋波由于其不同模态之间具有良好正交性，可形成大量同频复用通道，极大地提高了通信容量。基于广义斯涅耳定律构建的相位突变超表面，通过调节超表面单元间的相位梯度可以激发出涡旋电磁波，且结构简单，易于加工。利用单个天线产生多个波束，可以在空间中形成多个信道，极大地提高了天线的通信覆盖范围，且不同波束的极化方式不同时，可以增加不同信道间的隔离度，避免造成信号串扰。东南大学在其申请的专利文献“一种极化可控的涡旋多波束超材料反射阵及其设计方法”(申请号：CN201811097059.1，申请公开号：CN109193168A)公布了一种多波束涡旋场超表面天线。该天线由各向异性超表面反射镜和馈源波导构成，通过调节超表面单元在主极化方向和交叉极化方向贴片的尺寸来改变两个方向间的反射相位差，使波束具有特定的极化方式，其可以产生多个指向，模态值和极化方式不同的涡旋波束。该天线存在的不足之处是，一旦天线结构确定，每个涡旋波束的极化方式也随之固定，在同一信道内无法复用不同极化的涡旋波束，信道通信容量受到限制。西安电子科技大学在其申请的专利文献“基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线”(申请号：CN201810584407.1，申请公开号：CN108832311A)中公布了一种基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线。该天线主要由基于超表面主反射镜、副反射镜和置于主反射镜中央的馈源构成，其通过调节主反射镜超表面单元的相位梯度可以产生单个涡旋波束。该天线存在的不足之处是，只可以产生单个涡旋波束，无法形成多个信道，通信覆盖范围受到限制。
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，提出一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线，用于解决涡旋多波束超表面天线通信容量低，所占空间较大的问题。实现本专利技术目的的思路是：本专利技术通过对各向异性超表面主反射镜和极化转换有源超表面反射面的融合设计，实现一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线。通过调节有源超表面副反射镜上变容二极管电容值的大小，产生不同极化状态的电磁波激励各向异性超表面主反射镜，实现涡旋多波束超表面天线波束极化方式的可重构。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：本专利技术包括各向异性超表面主反射镜、有源超表面副反射镜、支撑结构和固定在各向异性超表面主反射镜中心位置的馈源。所述有源超表面副反射镜和各向异性超表面主反射镜平行设置在支撑结构两端，有源超表面副反射镜的中心法线与各向异性超表面主反射镜的中心法线重合，馈源的相位中心与有源超表面副反射镜的焦点重合；所述各向异性超表面主反射镜采用由M行N列个均匀排布的各向异性单元组成的平面阵结构，M≥12,N≥12；每个各向异性单元包括第一介质层、印制在第一介质层一个侧面的正交环贴片和另一个侧面的金属地板；每个正交环贴片包括主极化矩形环和交叉极化矩形环，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行独立调制；通过计算每个主极化矩形环和交叉极化矩形环的相位补偿值后，再经过仿真实验得到每个各向异性单元中主极化矩形环和交叉极化矩形环相位值相对应的尺寸；所述有源超表面副反射镜采用由P×Q个相同的极化转化单元组成的平面阵结构，P≥4，Q≥4，每个极化转化单元包括第二介质层、贴片结构、金属带线、金属柱、第三介质层和金属层；所述第二介质层上表面印制贴片结构，下表面印制金属带线；所述贴片结构包括矩形金属斜环和变容二极管，矩形金属斜环沿第二介质层上表面的主对角线分布,电容值可变的变容二极管嵌入矩形金属斜环的两条长边中间的开口处，所述有源超表面副反射镜在变容二极管的V1偏置电压状态产生右旋圆极化波，V2偏置电压状态产生左旋圆极化波；所述金属带线与极化转化单元的一边平行，金属带线通过金属柱与矩形金属斜环的短边相连；所述第三介质层下表面印制金属层。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：第一，由于本专利技术将有源超表面副反射镜和各向异性超表面主反射镜平行设置在支撑结构两端，在涡旋多波束超表面天线和有源超表面副反射镜之间实现了融合，通过改变有源超表面副反射镜变容二极管的偏置电压产生不同极化的电磁波，并经过各向异性超表面主反射镜分别产生多个不同极化方式的波束涡旋波，由此克服了现有技术中涡旋多波束超表面天线波束极化方式不可重构的问题，使得本专利技术可以在不改变天线结构的情况下每个波束的极化方式均可重构，使天线具有了灵活辐射的优点。第二，由于本专利技术采用了有源超表面副反射镜和各向异性超表面主反射镜，导致涡旋波超表面卡塞格伦天线具有了各向异性和极化转化的功能，通过各向异性超表面主反射镜产生多个涡旋波束，每个波束的指向、模态值和极化方式均不相同，克服了现有技术中波束模态值和极化方式单一的问题，使得本专利技术满足了多个不同模态值和极化方式涡旋波束之间复用的需求，增大了涡旋波超表面卡塞格伦天线的通信容量。附图说明图1是本专利技术的结构示意图；图2是本专利技术实施例中各向异性单元的结构示意图；图3是本专利技术实施例中极化转化单元的结构示意图；图4是本专利技术仿真实验中极化转化单元在5～6GHz频率范围内极化转化效果的示意图；图5是本专利技术仿真实验中极化转化单元在0～40°入射角范围内极化转化效果的示意图；图6是本专利技术仿真实验在2V偏置电压和5.8GHz频率条件下的辐射方向图；图7是本专利技术仿真实验在24V偏置电压和5.8GHz频率条件下的辐射方向图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。参照图1，对本专利技术天线的整体结构作进一步的描述。本专利技术包括支撑结构3、各向异性超表面主反射镜1、固定在各向异性超表面主反射镜1中心位置的馈源4和有源超表面副反射镜2，有源超表面副反射镜2和各向异性超表面主反射镜1平行设置在支撑结构3两端，有源超表面副反射镜2的中心法线与各向异性超表面主反射镜1的中心法线重合，馈源4的相位中心与有源超表面副反射镜2的焦点重合。本专利技术实施例中的馈源4采用但不限于WR-137标准喇叭天线，本专利技术实施例中的支撑结构3采用但不限于轻质塑料杆。参照图2，对本专利技术实施例中各向异性超表面主反射镜的结构作进一步说明。图2中左下方的是各向异性超表面主反射镜1，虚线圆圈所标注的是本专利技术实施例各向异性超表面主反射镜1中的各向异性单元11，各向异性单元11的详细结构在图2右上方。本专利技术实施例中的向异性超表面主反射镜1采用但不限于由48行48列个均匀排布的各向异性单元11组成的平面阵结构。每个各向异性单元包括第一介质层111、印制在第一介质层111一个侧面的正交环贴片112和另一个侧面的金属地板113。每个正交环贴片112包括主极化矩形环1121和交叉极化矩形环1122，通过计算每个主极化矩形环1121和交叉极化矩形环1122的相位补偿值后，再经过仿真实验本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线，包括各向异性超表面主反射镜(1)、有源超表面副反射镜(2)、支撑结构(3)和固定在各向异性超表面主反射镜(1)中心位置的馈源(4)，其特征在于，有源超表面副反射镜(2)和各向异性超表面主反射镜(1)平行设置在支撑结构(3)两端，有源超表面副反射镜(2)的中心法线与各向异性超表面主反射镜(1)的中心法线重合，馈源(4)的相位中心与有源超表面副反射镜(2)的焦点重合；所述各向异性超表面主反射镜(1)采用由M行N列个均匀排布的各向异性单元(11)组成的平面阵结构，M≥12,N≥12；每个各向异性单元包括第一介质层(111)、印制在第一介质层(111)一个侧面的正交环贴片(112)和另一个侧面的金属地板(113)；每个正交环贴片(112)包括主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行独立调制；通过计算每个主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)的相位补偿值后，再经过仿真实验得到每个各向异性单元(11)中主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)相位值相对应的尺寸；所述有源超表面副反射镜(2)采用由P×Q个相同的极化转化单元(21)组成的平面阵结构，P≥4，Q≥4，每个极化转化单元(21)包括第二介质层(211)、贴片结构(212)、金属带线(213)、金属柱(214)、第三介质层(215)和金属层(216)；所述第二介质层(211)上表面印制贴片结构(212)，下表面印制金属带线(213)；所述贴片结构(212)包括矩形金属斜环(2121)和变容二极管(2122)，矩形金属斜环(2121)沿第二介质层(211)上表面的主对角线分布,电容值可变的变容二极管(2122)嵌入矩形金属斜环(2121)的两条长边中间的开口处，所述有源超表面副反射镜(2)在变容二极管(2122)的V...

【技术特征摘要】
1.一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线，包括各向异性超表面主反射镜(1)、有源超表面副反射镜(2)、支撑结构(3)和固定在各向异性超表面主反射镜(1)中心位置的馈源(4)，其特征在于，有源超表面副反射镜(2)和各向异性超表面主反射镜(1)平行设置在支撑结构(3)两端，有源超表面副反射镜(2)的中心法线与各向异性超表面主反射镜(1)的中心法线重合，馈源(4)的相位中心与有源超表面副反射镜(2)的焦点重合；所述各向异性超表面主反射镜(1)采用由M行N列个均匀排布的各向异性单元(11)组成的平面阵结构，M≥12,N≥12；每个各向异性单元包括第一介质层(111)、印制在第一介质层(111)一个侧面的正交环贴片(112)和另一个侧面的金属地板(113)；每个正交环贴片(112)包括主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)，能够分别针对主极化波和交叉极化波进行独立调制；通过计算每个主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)的相位补偿值后，再经过仿真实验得到每个各向异性单元(11)中主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)相位值相对应的尺寸；所述有源超表面副反射镜(2)采用由P×Q个相同的极化转化单元(21)组成的平面阵结构，P≥4，Q≥4，每个极化转化单元(21)包括第二介质层(211)、贴片结构(212)、金属带线(213)、金属柱(214)、第三介质层(215)和金属层(216)；所述第二介质层(211)上表面印制贴片结构(212)，下表面印制金属带线(213)；所述贴片结构(212)包括矩形金属斜环(2121)和变容二极管(2122)，矩形金属斜环(2121)沿第二介质层(211)上表面的主对角线分布,电容值可变的变容二极管(2122)嵌入矩形金属斜环(2121)的两条长边中间的开口处，所述有源超表面副反射镜(2)在变容二极管(2122)的V1偏置电压状态产生右旋圆极化波，V2偏置电压状态产生左旋圆极化波；所述金属带线(213)与极化转化单...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，高鸣，
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