一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种角度不敏感宽带天线罩及其设计方法，天线罩包括高反射率内芯、紧贴内芯上下表面的介质抗反射超表面以及一个窄波束线极化馈源。抗反射超表面由参数各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据天线罩内芯的形状以及与馈源的位置关系确定超表面单元的排布方式。根据内芯的相对介电常数与电磁波入射角，内芯的上下表面被加载不同厚度以及介电常数的梯度介质超表面。入射电磁波在抗反射超表面当中多次的干涉相消，从而减小电磁波的反射。本发明专利技术实现了对任意入射角的天线罩透过率性能的提升，验证了其在指定频段内的宽带与角度不敏感特性，具有很高的应用价值。值。值。

【技术实现步骤摘要】
一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法


[0001]本专利技术属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种角度不敏感宽带天线罩及其设计方法。

技术介绍

[0002]传统天线罩的设计可以分为两种情况，分别是单层罩与三明治型夹层罩。单层天线罩具有结构简单，成本低等特点，但为了得到最佳传输效率，壁厚需为半波长的整数，并且随着厚度的增加，带宽减小，角度稳定性变差，这就对天线罩的几何设计有更高的要求。夹层天线罩是在单层天线罩的两面加载等厚度的介质匹配层来提高电磁透过率以及带宽。该介质匹配层仅仅对一定范围的入射角有效果，随着入射角的增大，匹配层的效果逐渐降低，反射能量逐渐增高。但随着天线技术的发展，天线的性能在不断提高，功能更加丰富，这就对了天线罩的性能有了更高的要求。如何解决天线罩的角度敏感性是天线罩设计面临的一个重要问题。
[0003]超表面是由亚波长平面结构按照一定规律周期排列的二维超材料，由于对电磁波振幅和相位的灵活调控近年来受到广泛的关注。通过对结构和尺寸的合理设计，超表面可以在一定范围内实现任意等效介电常数，这大大增加了天线罩抗反射层的设计自由度。

技术实现思路

[0004]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法，该方法能增加天线罩带宽和角度稳定性、设计简便、加工成本低、质量轻。
[0005]技术方案：为实现上述专利技术目的，本专利技术的一种角度不敏感宽带天线罩包括宽带的角度不敏感抗反射超表面、高反射率内芯和一个窄波束线极化馈源；其中，在高反射率内芯的上下两表面分别设置宽带的角度不敏感抗反射超表面，窄波束线极化馈源的极化方向与宽带的角度不敏感抗反射超表面的电磁波入射面垂直放置，使天线罩接收TE极化扫描波束；角度不敏感抗反射超表面由等效介电常数和厚度各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据本文推导的斜入射四分之一波长匹配公式，不同位置处透射式介质超表面单元的等效介电常数和厚度由该位置处的电磁波入射角确定，根据高反射率内芯的相对介电常数与电磁波入射角，高反射率内芯的上下表面被加载了不同厚度以及介电常数的宽带的角度不敏感抗反射超表面入射电磁波在该超表面当中多次的干涉相消，从而减小了电磁波的反射。
[0006]所述透射式介质超表面单元为亚波长尺寸的通孔介质结构，所用介质基板为常用微波高频介质基板。
[0007]所述高反射率内芯为均匀厚度陶瓷板，该陶瓷板厚度为陶瓷介质的半波长的整数以达到最大电磁波透过率。
[0008]所述的窄波束线极化馈源为半功率波束宽度角在8
°
以内的窄波束线极化馈源；馈源的极化方向与电磁波入射面垂直时，天线罩接收TE极化波扫描，将馈源沿主轴旋转90
°
，
天线罩则接收TM极化波扫描。
[0009]所述的窄波束线极化馈源通过机械旋转馈源实现动态的波束扫描，扫描角为0
‑ꢀ
60
°
。
[0010]所述天线罩接受TE极化扫描波束，在波束扫描范围内，天线罩接收电磁波的入射角在某一区间变化；所需的透射式介质超表面单元的等效介电常数在ε1
‑
ε2之间；等间隔选取8个不同等效介电常数值并确定介质超表面单元的尺寸；通过对这8种介质超表面单元的合理排布可实现宽带、宽角特性的抗反射超表面。
[0011]所述宽带的角度不敏感抗反射超表面的厚度随着入射角的增大而连续增大。
[0012]所述宽带的角度不敏感抗反射超表面根据天线罩的形状和与窄波束线极化馈源的位置关系进行调整；当天线罩为平板结构时，窄波束线极化馈源到天线罩的垂直距离为d，宽带的角度不敏感抗反射超表面随着扫描角的增大，等效介电常数随之减小、厚度随之增大；当天线罩为圆锥结构时，窄波束线极化馈源到天线罩中心位置的距离为D，宽带的角度不敏感抗反射超表面被加载在反射较大的半圆形区域；根据天线罩不同位置处的入射角，该半圆球形区域被分为第一圆环、第二圆环、第三圆环、第四圆环、第五圆环多个圆环，不同圆环处加载的宽带角度不敏感抗反射超表面的等效节点常数和厚度被分别确定。
[0013]所述角度不敏感宽带天线罩的设计方法包括以下步骤：
[0014]步骤1，根据天线罩形状以及与窄波束线极化馈源的位置关系确定不同位置处的电磁波入射角；
[0015]步骤2，通过入射角范围和高反射率内芯材料的等效介电常数确定宽带的角度不敏感抗反射超表面的介电常数范围；
[0016]步骤3，设计各向同性透射式介质抗反射超表面单元；确定单元的基板材料、打孔形状以及尺寸参数，单元等效介电常数根据所需介电常数的范围以及变化的剧烈程度被等间隔分为8种情况；
[0017]步骤4，根据既定的天线罩形状和窄波束线极化馈源选取并排布对应通孔尺寸的超表面单元结构；
[0018]步骤5，根据入射角和宽带的角度不敏感抗反射超表面的等效介电常数计算不同位置处的超表面单元厚度；宽带的角度不敏感抗反射超表面的整体被加载到天线罩内高反射率内芯的两侧或单侧，得到天线罩的整体结构；
[0019]步骤6，将窄波束线极化馈源放置到距离天线罩位置d处，通过对馈源机械旋转实现动态的波束扫描。
[0020]宽带的角度不敏感抗反射超表面参数确定的具体步骤为：
[0021]首先假设平板天线罩的尺寸为l
x
×
l
y
mm，波束扫描沿X方向，窄波束线极化馈源位于X＝0下方d处，位置X处的入射角为：θ＝arctan(x/d)；
[0022]对TE极化波，电场方向垂直于电磁波入射面，电磁波斜入射到三种相对介电常数分别为ε1、ε2和ε3的介质分界面的总反射系数为：
[0023][0024][0025][0026]其中R
12
为总反射系数，R
23
为介质2与介质3分界面处的反射系数，K为计算的中间变量用来求解介质超表面单元的厚度，θ
in
为n区域的电磁波入射角，Z
n
为n区域的波阻抗，k
n
为n区域的波数。令总反射系数为零，可以得到超表面单元介电常数与厚度随入射角的变化关系：
[0027][0028][0029]其中d为透射式介质超表面单元的厚度，ε2为该超表面单元的等效介电常数，λ0和λ
g
为别代表自由空间波长与介质波长，n为正整数；
[0030]对TM极化波，透射式介质超表面单元的介电常数随入射角的变化关系：
[0031][0032]有益效果：本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0033](1).结构简单，成本低廉：本专利技术对精度的要求不高，抗反射超表面可以通过CNC 工艺实现，介质基板的选择可以根据使用频段灵活选择。
[0034](2).适用范围广：本专利技术适用与微波段任意频段范围天线罩的设计，对大多数形状的天线罩均适配。
[0035](3).工作频带宽：本专利技术与传统的单层天线罩相比，大大提高了高电磁波透过率频带的带本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，包括宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)、高反射率内芯(2)和一个窄波束线极化馈源(3)；其中，在高反射率内芯(2)的上下两表面分别设置宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)，窄波束线极化馈源(3)的极化方向与宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的电磁波入射面垂直放置，使天线罩接收TE极化扫描波束；角度不敏感抗反射超表面(1)由等效介电常数和厚度各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据本文推导的斜入射四分之一波长匹配公式，不同位置处透射式介质超表面单元的等效介电常数和厚度由该位置处的电磁波入射角确定，根据高反射率内芯(2)的相对介电常数与电磁波入射角，高反射率内芯(2)的上下表面被加载了不同厚度以及介电常数的宽带的角度不敏感抗反射超表面，入射电磁波在该超表面当中多次的干涉相消，从而减小了电磁波的反射。2.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述透射式介质超表面单元为亚波长尺寸的通孔介质结构，所用介质基板为常用微波高频介质基板。3.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述高反射率内芯(2)为均匀厚度陶瓷板，该陶瓷板厚度为陶瓷介质的半波长的整数以达到最大电磁波透过率。4.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述的窄波束线极化馈源(3)为半功率波束宽度角在8
°
以内的窄波束线极化馈源；馈源的极化方向与电磁波入射面垂直时，天线罩接收TE极化波扫描，将馈源沿主轴旋转90
°
，天线罩则接收TM极化波扫描。5.根据权利要求4所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述的窄波束线极化馈源(3)通过机械旋转馈源实现动态的波束扫描，扫描角为0
‑
60
°
。6.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述天线罩接受TE极化扫描波束，在波束扫描范围内，天线罩接收电磁波的入射角在某一区间变化；所需的透射式介质超表面单元的等效介电常数在ε1
‑
ε2之间；等间隔选取8个不同等效介电常数值并确定介质超表面单元的尺寸；通过对这8种介质超表面单元的合理排布可实现宽带、宽角特性的抗反射超表面。7.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)的厚度随着入射角的增大而连续增大。8.根据权利要求1所述的一种角度不敏感宽带天线罩，其特征在于，所述宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)根据天线罩的形状和与窄波束线极化馈源(3)的位置关系进行调整；当天线罩为平板结构时，窄波束线极化馈源(3)到天线罩的垂直距离为d，宽带的角度不敏感抗反射超表面(1)随着扫描角的增大，等效介电常数随之减小、厚度随之增大；当天线罩为圆锥结构(4)时，窄波束线极化馈源(3)到天线罩中心位置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋卫祥，王丹洋，沈海洋，田翰闱，崔铁军，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：