任意柱面共形超构表面共形天线及其设计方法技术

本发明专利技术提供一种任意柱面共形超构表面共形天线及其设计方法。该方法包括：步骤1：计算给定共形曲面上任意一点处的共形补偿相位；步骤2：在给定共形曲面上，指定一点为起始点，使超构单元从起始点开始按照设定间隔弧长在给定共形曲面上等间隔分布，将位于起始点的超构单元作为起始单元，根据起始单元的横坐标计算各超构单元在给定共形曲面上的空间位置坐标；步骤3：根据各超构单元的空间位置坐标，按照步骤1的计算方式计算得到各超构单元所在位置的共形补偿相位，然后根据每个超构单元的共形补偿相位得到自身的结构参数，按照结构参数利用3D打印技术打印超构单元来构建共形柱面透镜天线；步骤4：采用Vivaldi天线作为共形柱面透镜天线的天线馈源。镜天线的天线馈源。镜天线的天线馈源。

【技术实现步骤摘要】
任意柱面共形超构表面共形天线及其设计方法


[0001]本专利技术涉及通信
，具体涉及电磁超表面与透镜天线领域，尤其涉及一种任意柱面共形超构表面共形天线及其设计方法。

技术介绍

[0002]共形天线由于其外形可以与载体平台外形保持一致因此被广泛应用。但是共形天线在外形和结构设计上仍然存在理论与设计挑战。超构表面是可以灵活控制电磁波的新型人工电磁材料，与天线结合可有效改进天线的性能。随着超构表面电磁波调控机理研究的不断深入和现实应用需求的不断发展，超构表面的共形设计成为超构表面研究进一步发展的必然趋势之一。
[0003]现有的共形超构表面研究主要有共形隐身衣研究，如X.J.Ni,Z.J.Wong,M.Mrejen.et al.,An ultrathin invisibility skin cloak for visible light.[J].Science,2015,349(6254):1310
‑
1314；共形结构的RCS减缩或散射增强，如H.Xu,Tang ShiWei,Sun Chen,Liu HaiWen,High
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efficiency broadband polarization
‑
independent superscatterer using conformal metasurfaces.[J].Photonics Research,2018,v.6(08):40
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46；基于共形超构表面的共形反射阵天线，如Zhang A Fang,Yang R,Li D,et al.Metasurface
‑
based tapered waveguide slot array antennas for wide angular scanning in a narrow frequency band[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2018,66(8):4052
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4059；和共形透镜研究，如H.P.Li,G.M.Wang,G.W.Hu.et al.,3D
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printed curved metasurface with multifunctional wavefronts.[J].Advanced Optical Materials,2020:2000129等。
[0004]不同于平面超构表面设计，共形器件的形状是由其电磁特性以外的其他因素决定，通过设计超构表面的表面结构，可以使超构表面灵活地适应载体外形，极大地拓展了超构表面的应用场景。在文献H.Xu,Tang ShiWei,Sun Chen,Liu HaiWen,High
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efficiency broadband polarization
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independent superscatterer using conformal metasurfaces.[J].Photonics Research,2018,v.6(08):40
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46中，Xu等人设计的圆柱共形散射增强超构表面，可以在Ku波段实现双波束散射。在文献H.P.Li,G.M.Wang,G.W.Hu.et al.,3D
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printed curved metasurface with multifunctional wavefronts.[J].Advanced Optical Materials,2020:2000129中，Li等人基于光栅超构表面单元设计了圆柱面共形超构表面透镜。
[0005]但是目前已报道的共形超构表面研究主要是针对圆柱载体，但在实际应用中，载体外形往往不是单一的圆柱，因此有必要对任意柱面的共形超构表面展开研究。特别是在一些应用场景中，如飞机天线，放置在飞机外面会影响气动性，所以为了不破坏气动性飞机上的天线可以放置在机身内部，如果共形超过表面能够与机身结构一致，天线与共形超构表面形成了共形透镜天线，不但能保持良好的天线辐射性能同时还可保持飞机的气动外形。为了保持飞机良好的空气动力学性能，飞机构件的二维轮廓线型一般采用保凸性较好
的二次曲线或二次曲线的组合来设计机身轮廓，二次曲线包括圆、椭圆、抛物线和双曲线等。但目前研究的共形相位调控超构表面外形主要集中在圆柱面上，因此有必要对以椭圆、抛物线和双曲线为外形轮廓的共形超构表面设计方法进行研究。

技术实现思路

[0006]针对现有的共形超构表面共形天线研究主要是针对圆柱面而不能适用于如飞机天线等其他需要非圆柱面共形天线的场景的问题，本专利技术提供一种任意柱面共形超构表面共形天线及其设计方法。
[0007]一方面，本专利技术提供一种任意柱面共形超构表面共形天线的设计方法，包括：
[0008]步骤1：计算给定共形曲面上任意一点处的共形补偿相位；
[0009]步骤2：在给定共形曲面上，指定一点为起始点，使超构单元从所述起始点开始按照设定间隔弧长在给定共形曲面上等间隔分布，将位于起始点的超构单元作为起始单元，根据所述起始单元的横坐标计算各超构单元在给定共形曲面上的空间位置坐标；
[0010]步骤3：根据各超构单元的空间位置坐标，按照步骤1的计算方式计算得到各超构单元所在位置的共形补偿相位，然后根据每个超构单元的共形补偿相位得到自身的结构参数，按照结构参数利用3D打印技术打印超构单元来构建共形柱面透镜天线；
[0011]步骤4：采用Vivaldi天线作为所述共形柱面透镜天线的天线馈源。
[0012]进一步地，步骤1具体包括：
[0013]设定曲面C是以曲线z＝f(x)为准线生成的曲面；将曲面C作为给定共形曲面，S为点源，坐标为(x0,0,F)；其中，z＝f(x)是xoz面上的曲线且可导；
[0014]针对曲面C上的任意一点P，设定其坐标为(x,y,z)，按照公式(6)计算得到P点处的补偿相位Φ
P
：
[0015][0016]其中，k是自由空间波数，k＝2π/λ。
[0017]进一步地，曲线z＝f(x)为二次曲线。
[0018]进一步地，所述二次曲线采用椭圆曲线、双曲线和抛物线中的任一种，或是其中两者的组合。
[0019]进一步地，步骤2具体包括：
[0020]将给定起始单元的横坐标，根据所述起始单元的横坐标计算各超构单元在给定共形曲面上的空间位置坐标的问题转化为如下数学问题：设直线L0长度为np，在区间[p/2，np+p/2]上以长度p为步长进行等间隔取点并标记，从而在直线L0上得到点集S＝{s0,s1,s2,s3,......,s
n
}，并且有|s
j+1
‑
s
j
|2＝p；现保持直线L0长度不变对其进行弯曲，弯曲过程中点集S在曲线L
c
上的相对位置保持不变，使其沿着给定函数f(x本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.任意柱面共形超构表面共形天线的设计方法，其特征在于，包括：步骤1：计算给定共形曲面上任意一点处的共形补偿相位；步骤2：在给定共形曲面上，指定一点为起始点，使超构单元从所述起始点开始按照设定间隔弧长在给定共形曲面上等间隔分布，将位于起始点的超构单元作为起始单元，根据所述起始单元的横坐标计算各超构单元在给定共形曲面上的空间位置坐标；步骤3：根据各超构单元的空间位置坐标，按照步骤1的计算方式计算得到各超构单元所在位置的共形补偿相位，然后根据每个超构单元的共形补偿相位得到自身的结构参数，按照结构参数利用3D打印技术打印超构单元来构建共形柱面透镜天线；步骤4：采用Vivaldi天线作为所述共形柱面透镜天线的天线馈源。2.根据权利要求1所述的任意柱面共形超构表面共形天线的设计方法，其特征在于，步骤1具体包括：设定曲面C是以曲线z＝f(x)为准线生成的曲面；将曲面C作为给定共形曲面，S为点源，坐标为(x0,0,F)；其中，z＝f(x)是xoz面上的曲线且可导；针对曲面C上的任意一点P，设定其坐标为(x,y,z)，按照公式(6)计算得到P点处的补偿相位Φ
P
：其中，k是自由空间波数，k＝2π/λ。3.根据权利要求1所述的任意柱面共形超构表面共形天线的设计方法，其特征在于，曲线z＝f(x)为二次曲线。4.根据权利要求3所述的任意柱面共形超构表面共形天线的设计方法，其特征在于，所述二次曲线采用椭圆曲线、双曲线和抛物线中的任一种，或是其中两者的组合。5.根据权利要求1所述的任意柱面共形超构表面共形天线的设计方法，其特征在于，步骤2具体包括：将给定起始单元的横坐标，根据所述起始单元的横坐标计算各超构单元在给定共形曲面上的空间位置坐标的问题转化为如下数学问题：设直线L0长度为np，在区间[p/2，np+p/2]上以长度p为步长进行等间隔取点并标记，...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘凯越，蔡通，李腾耀，郑娜娥，王书，李汀立，
申请(专利权)人：中国人民解放军战略支援部队信息工程大学，
类型：发明
国别省市：