透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线制造技术

本发明专利技术公开一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线。本发明专利技术天线的整体结构从下至上分别为径向线缝隙天线RLSA、超表面TM1、超表面TM2；其中超表面TM1和TM2是相同的，超表面单元在+X方向有45

【技术实现步骤摘要】
透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线


[0001]本专利技术属于天线
，涉及一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线。
技术背景
[0002]在高速无线局域网、回程网络、电视、直接广播系统、卫星接收、移动通信等不同的通信系统中，对微波和毫米波天线都有很强的需求。抛物面反射天线、微带贴片天线、阵列天线等多种天线广泛应用于卫星通信中。平板天线与抛物面反射天线相比，具有效率高、适用性强、轮廓小等优点，所以常常取代了抛物面天线。Radial Line Slot Antenna径向线缝隙天线(RLSA)就是典型的非谐振式平板缝隙天线，对于传统平板天线而言，RLSA具有以下优点：1)结构简单，成本低，易加工和共形；2)高增益，高效率，波导馈电损耗小；3)圆极化的轴比性能好。
[0003]在现代无线电通信系统中，波束扫描成为高容量通信系统中的关键技术，其通过窄波束快速偏转可在增强信号强度的同时增大信号覆盖率并尽量减少对其他区域的干扰。目前对于高定向性波束转动的方式可以分为两类：第一类为机械扫描方式，第二类为电扫描。第一类按照扫描的方式可以分为两种，1、旋转和倾斜天线；2、旋转但不倾斜天线；第一种方法的机械扫描主要是用于抛物面反射器系统，由于天线整个旋转和倾斜，天线的性能比较好，但是其剖面高、太笨重并且控制转动电机昂贵，不适用于飞机等设备中。第二种方法应用在连续横向枝节(Continuous Transverse Stub，CTS)，需要用三个或者更多的旋转天线，天线系统复杂且昂贵，但相对于第一种抛物面天线系统而言，CTS天线系统具有更低的剖面。第二类电扫描天线就是采用电控，这种电控可以非常准确且快速的实现波束扫描，相对于第一二种机械扫描天线系统而言，扫描更准确更快，更适合用于雷达军事作战领域，但T/R组件过多，天线价格昂贵。因此，设计一种具有低成本，低剖面，高增益的波束扫描天线具有重要意义。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的是克服上述现有技术的不足，提出了一种基于透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线，旨在将高增益波束实现二维方向的波束调控，并且实现天线的圆极化。
[0005]为实现上述专利技术的目的，本专利技术技术方案如下；
[0006]一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线，包括从下至上关于中轴线同心设置且相互平行的径向线缝隙天线1、相位梯度超表面TM1、相位梯度超表面TM2；
[0007]径向线缝隙天线1，包括：下层金属支撑板、固定于金属支撑板上方的单层径向线波导、径向线波导上表面贯穿波导表面的覆铜辐射缝隙阵列；
[0008]其中，覆铜辐射缝隙阵列包括多圈同心的环状缝隙5，每圈环状缝隙由一对圆极化缝隙相对阵列的圆心依次同向旋转相同的角度复制得到，同一圈的缝隙对在对应圈上均匀排列且相邻缝隙对依次旋转的角度等于360
°
除以每一圈缝隙对的个数，覆铜辐射缝隙阵列
的缝隙对长度由阵列圆心沿径向向外依次增大；
[0009]四同轴探针馈电4从下层金属支撑板通过介质在波导内部传输，采用开路探针进行馈电，且四同轴探针馈电4按照等辐相位差为
‑
90
°
顺时针馈电；
[0010]相位梯度超表面TM1、相位梯度超表面TM2都为相位梯度超表面单元6按照一定规律组成的阵列；
[0011]所述相位梯度超表面单元6包括两层介质基板7和三层金属，由下至上金属和介质基板7交替排列，每层金属都包括最外部的方形环、方形环内部中心的两个相同的十字交叉矩形金属贴片，相位梯度超表面TM1、相位梯度超表面TM2结构相同的；
[0012]通过相位梯度超表面TM1和相位梯度超表面TM2绕中轴线的旋转实现波束偏转；
[0013]天线的中轴线向上为Z方向，平行于径向线缝隙天线1的平面为XOY平面，XOY平面上由圆心沿径向向外的方向为X，Y轴垂直于X轴。
[0014]作为优选方式，环状缝隙5包括3圈同心的环形缝隙。设置3圈缝隙阵列是为了获得所需要的23dBi左右的增益。
[0015]作为优选方式，所述的相位梯度超表面单元6的周期P＝10mm＝0.4λ0，λ0为自由空间中的波长，中心频率为12GHz。
[0016]作为优选方式，所述的相位梯度超表面单元6的方形环长度为L＝10mm，宽度为t＝0.3mm，中心的十字交叉矩形金属贴片尺寸基于相位差确定。
[0017]作为优选方式，所述的相位梯度超表面TM1和相位梯度超表面TM2沿+X轴按照相位ΔΦ＝45
°
递减排布，沿Y轴排列相同尺寸的单元。
[0018]作为优选方式，所述的相位梯度超表面单元6需要实现的相位依次为0
°
、
‑
45
°
、
‑
90
°
、
‑
135
°
、
‑
180
°
、
‑
225
°
、
‑
270
°
、
‑
315
°
。
[0019]作为优选方式，所述的相位梯度超表面TM1和TM2能够实现单波束的偏转，偏转角度计算公式为：
[0020][0021]其中，ΔΦ为相邻单元的相位差，P为单元周期，δ为波束偏转角度，λ0为自由空间中的波长。
[0022]作为优选方式，最大偏转的计算公式为：
[0023]sinθ
max
＝sinδ1+sinδ2[0024]其中，θ
max
为最大波束偏转角度，δ1为TM1实现的波束偏转角度，δ2为TM2实现的波束偏转角度，若TM1和TM2相同，则δ1＝δ2。
[0025]作为优选方式，天线最终实现的波束能够在角度为2θ
max
的圆锥范围内进行波束扫描，所述的波束指向的计算公式为：
[0026][0027][0028][0029]其中，θ为波束的仰角，φ为波束的方位角，k0为自由空间中的传播常数，p1为TM1的相位梯度，p2为TM2的相位梯度，α1为TM1的相位延迟轴与X方向的夹角，α2为TM2的相位延迟轴与X方向的夹角。
[0030]进一步地，单层径向线波导中填充介质为相对介电常数1.55，介质损耗正切角为0.001，介质厚度H
RLSA
＝5mm。
[0031]作为优选方式，每圈相邻环状缝隙之间的间隔为0.6个径向线波导的波长，所述间隔为每个缝隙对中点之间的距离。间隔0.6个波长是为了避免栅瓣并且减少缝隙之间的互耦。
[0032]作为优选方式，4个同轴探针均匀分布于RLSA的内部半径4.1mm的圆周上。可以保证径向线波导里激励起所需的稳定的场模式。
[0033]相位梯度超表面天线，由8个超表面单元按照相位依次递减45
°
在+X方向上排列，在Y方向上采用相同的单元结构，组成二维的相位梯度超表面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线，其特征在于，包括从下至上关于中轴线同心设置且相互平行的径向线缝隙天线(1)、相位梯度超表面TM1(2)、相位梯度超表面TM2(3)；径向线缝隙天线(1)，包括：下层金属支撑板、固定于金属支撑板上方的单层径向线波导、径向线波导上表面贯穿波导表面的覆铜辐射缝隙阵列；其中，覆铜辐射缝隙阵列包括多圈同心的环状缝隙(5)，每圈环状缝隙由一对圆极化缝隙相对阵列的圆心依次同向旋转相同的角度复制得到，同一圈的缝隙对在对应圈上均匀排列且相邻缝隙对依次旋转的角度等于360
°
除以每一圈缝隙对的个数，覆铜辐射缝隙阵列的缝隙对长度由阵列圆心沿径向向外依次增大；四同轴探针馈电(4)从下层金属支撑板通过介质在波导内部传输，采用开路探针进行馈电，且四同轴探针馈电(4)按照等辐相位差为
‑
90
°
顺时针馈电；相位梯度超表面TM1(2)、相位梯度超表面TM2(3)都为相位梯度超表面单元(6)按照一定规律组成的阵列；所述相位梯度超表面单元(6)包括两层介质基板(7)和三层金属，由下至上金属和介质基板(7)交替排列，每层金属都包括最外部的方形环、方形环内部中心的两个相同的十字交叉矩形金属贴片，相位梯度超表面TM1(2)、相位梯度超表面TM2(3)结构相同的；通过相位梯度超表面TM1(2)和相位梯度超表面TM2(3)绕中轴线的旋转实现波束偏转；天线的中轴线向上为Z方向，平行于径向线缝隙天线(1)的平面为XOY平面，XOY平面上由圆心沿径向向外的方向为X，Y轴垂直于X轴。2.根据权利要求1所述的一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线，其特征在于：环状缝隙(5)包括3圈同心的环形缝隙。3.根据权利要求1所述的一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线，其特征在于：所述的相位梯度超表面单元(6)的周期P＝10mm＝0.4λ0，λ0为自由空间中的波长，中心频率为12GHz。4.根据权利要求1所述的一种透射超表面的高增益圆极化波束扫描天线，其特征在于：所述的相位梯度超表面单元(6)的方形环长度为L＝10mm，宽度为t＝0.3mm，中心的十字交叉矩形金属贴片尺寸基于相位差确定...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨峰，文亚林，田涛，王瑞，邢志宇，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：