一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线制造技术

一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，由集成了平面馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面以及底层金属反射板组成，上部平面馈源天线，馈源天线结构与超表面共用介质基板，平面馈源天线由一种圆极化微带贴片天线构成，超表面由若干个超表面单元按照波长或亚波长周期排列组成的正方形阵面构成；所使用的超表面单元包括三层金属层和夹在相邻金属层之间的两层介质基板与常见的折叠反射阵或折叠透射阵天线的光路设计相比，提供的多次折叠反射式天线将光路设计中镜面反射，即折叠的次数拓展到了三次，使得天线的剖面得以进一步降低至焦距的四分之一。面得以进一步降低至焦距的四分之一。面得以进一步降低至焦距的四分之一。

【技术实现步骤摘要】
一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线


[0001]本专利技术属于人工电磁材料领域，具体涉及一种基于圆极化透反选择性全空间手征超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线。

技术介绍

[0002]人工电磁表面又称电磁超表面，它是一种由亚波长尺寸单元结构按照一定的排布规律构造的二维平面结构，通过在电磁波入射分界面上引入不连续相位，超表面的提出打破了经典的斯涅耳定律的应用局限，为人们设计电磁波调控器件提供了新的思路。
[0003]由于具有灵活的波前调制功能，相位调制超表面在高增益天线领域具有较高的应用价值。一般来说，基于相位调制超表面的高增益天线，诸如透射阵或反射阵天线，其基本原理在于将馈源发射的球面波转化成平面波波前，最终在远场实现高定向波束的辐射方向图。得益于超表面的平面化结构，此类基于超表面的高增益天线往往具有平面易共形、低损耗、低成本等优势，在雷达探测、卫星通信、点对点通信等领域具有广泛的应用价值。然而，随着现代无线通信技术的发展，对天线集成度的要求越来越高，因此天线技术的发展往往具有小型化、低剖面的趋势。传统的透射阵或反射阵天线受限于焦距的长度，具有较高的剖面体积，针对这一问题，在随后的发展中，研究人员提出了诸如折叠反射阵以及折叠透射阵这一类的折叠式阵列天线，通过在馈源发出的电磁波的传播过程中引入镜面反射来折叠光路，在实现等效焦距的同时有效地降低了天线的整体剖面体积。受限与超表面的单一功能以及折叠式阵列天线的常用结构，目前所报道的基于超表面的折叠式高增益天线最多只引入了两次镜面反射，将天线的整体剖面体积降低到原有反射阵或透射阵的三分之一，但对于工作在低频的天线来说，焦距的之一仍然使得天线的剖面体积较大，因此期望能够通过多功能超表面结合新型折叠式阵列天线的结构来进一步降低天线的整体剖面高度。

技术实现思路

[0004]本专利技术的主要目的在于克服上述难题，提供了一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，旨在进一步降低折叠式天线的剖面实现天线的小型化。天线由一块集成了馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面和一块金属反射板构成。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，由集成了圆极化透反选择性全空间手征超表面的平面馈源天线以及底层金属反射板组成，上部平面馈源天线，馈源天线结构与超表面共用介质基板，平面馈源天线由一种圆极化微带贴片天线构成，超表面由若干个超表面单元波长或亚波长周期排列组成的正方形阵面构成；
[0006]所使用的超表面单元包括三层金属层和夹在相邻金属层之间的两层介质基板，上层金属层和下层金属层由右旋圆极化贴片构成，中间金属层为中心开孔的金属地板，使得连接上下层金属贴片的金属化孔得以通过，基于此种结构，超表面单元能够反射左旋圆极化波而使右旋圆极化波通过。
[0007]所使用的超表面包括由若干个超表面单元组成的正方形阵列结构，其中，每个超表面单元的上层金属贴片的旋转角度视所需的不同的透射相位而定，为了将馈源发出的球面波转化成最终的平面透射波，超表面上每一个单元对应的同极化透射相位满足下列公式所示的分布：
[0008][0009]其中，是超表面第m行，第n列单元对应的透射相位，λ是天线中心工作频率所对应的电磁波在真空中的波长，p是超表面单元的周期长度，f是所设计超表面透射聚焦功能的焦距，是超表面中心位置所对应的参考透射相位。
[0010]基于上式我们计算得到超表面上每一单元对应所需的透射相位，继而根据超表面单元上层金属贴片旋转角与透射相位的关系，得到超表面上层金属层贴片的旋转角分布。
[0011]馈源天线集成至超表面之中，与超表面共用介质基板，通过印刷电路板工艺实现整体加工；底层实现转极化反射的结构为金属反射板。
[0012]多次折叠反射式天线为三次折叠光路的反射式天线光路结构，光路结构共包含三次镜面反射，即具有折叠效果；第一次镜面反射6发生在上方馈源天线发出的电磁波第一次到达下方金属反射板2的时候，第二次镜面反射8发生在被下方金属反射板反射的电磁波第一次到达上方超表面1的时候，第三次镜面反射9发生在电磁波第二次到达下方金属反射板2的时候，最终经过三次镜面反射后的电磁波再一次到达上方超表面1后透射过去在远场形成高定向性波束10。
[0013]所使用的超表面单元对于右旋圆极化波入射时的同极化透射波具有全相位调制功能，当绕单元中右旋转单元上层金属贴片时，可以实现覆盖360
°
范围的透射相位调制，与此同时左旋圆极化波入射下的同极化反射相位不会受到旋转上层金属贴片带来的影响。
[0014]针对圆极化入射波具有透反选择性的全空间手征超表面单元3，包括三层金属层和位于相邻金属层之间的两层介质基板。上层金属层和底层金属层由中间开长方形槽的圆形金属贴片构成，中间金属层为中心开圆孔的金属地板，用于使上层金属层和底层金属层通过金属化过孔连接导通；所设计的反射式天线的光路结构一共实现了三次折叠，即馈源天线发射的球面波在最终透射转化成平面波的过程中一共发生了三次镜面反射，使得天线(剖面)高度降低至四分之一焦距。
[0015]对于超表面单元3上下两层金属层所使用的圆极化贴片，在设计的过程中通过调整贴片偏移超表面单元中心的相对方向，可以将贴片的极化方式在左旋/右旋圆极化之间切换，以调整超表面单元针对圆极化波的不同组合的透反选择特性。在本实施例中，超表面单元上下层金属层均为右旋圆极化贴片，因而超表面单元对于左旋圆极化入射波可以实现同极化反射，对于右旋圆极化入射波可以实现同极化透射。
[0016]通过设计超表面单元上下层金属贴片的尺寸参数和偏移中心距离的大小，超表面单元在透/反射两种功能下，在中心频率附近均可实现幅值高于0.95的能量传输。
[0017]通过调整超表面单元3的上层金属贴片绕单元中心的旋转角θ的大小，实现对右旋圆极化入射波同极化透射的相位调控，当旋转角θ从0
°
调整到360
°
时，右旋圆极化入射波下的同极化透射系数在中心频率附近保持幅值高于0.95的同时，能实现覆盖360
°
范围的透射相位调控，并且调整θ的大小不会影响左旋圆极化入射波下的同极化反射的幅度与相位。
[0018]本专利技术又提供了一种集成了平面馈源天线4的圆极化透反选择性手征超表面1，该超表面由16*16个超表面单元3组成，呈正方形阵列排布，其中，位于中心位置的2*2个超表面单元被移除用于设计平面馈源天线4，每个手征超表面单元3的上层金属层贴片根据相位需要设置不同的旋转角。平面馈源天线4包括单层介质基板以及上下两层金属层结构，上层金属层结构为共用的超表面1的中间金属地板，下层金属结构为一种圆极化微带天线的贴片结构，这样一种集成式平面馈源的设计方案可以通过印刷电路板工艺直接进行整体加工。
[0019]基于上述的三次折叠光路结构和集成了平面馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面1，结合一块金属板作为底层反射板2，本专利技术还提供了一种本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，其特征是，由集成了平面馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面以及底层金属反射板组成，上部平面馈源天线，馈源天线结构与超表面共用介质基板，平面馈源天线由一种圆极化微带贴片天线构成，超表面由若干个超表面单元按照波长或亚波长周期排列组成的正方形阵面构成；所使用的超表面单元包括三层金属层和夹在相邻金属层之间的两层介质基板，上层金属层和下层金属层由右旋圆极化贴片构成，中间金属层为中心开孔的金属地板，使得连接上下层金属贴片的金属化孔得以通过，基于此种结构，超表面单元能够反射左旋圆极化波而使右旋圆极化波通过。2.根据权利要求1所述的基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，其特征是，所使用的超表面包括由若干个超表面单元组成的正方形阵列结构，其中，每个超表面单元的上层金属贴片的旋转角度视所需的不同的透射相位而定，为将馈源发出的球面波转化成最终的平面透射波，超表面上每一个单元对应的同极化透射相位满足下列公式所示的分布：其中，是超表面第m行，第n列单元对应的透射相位，λ是天线中心工作频率所对应的电磁波在真空中的波长，p是超表面单元的周期长度，f是所设计超表面透射聚焦功能的焦距，是超表面中心位置所对应的参考透射相位；基于上式得到超表面上每一单元对应所需的透射相位，根据超表面单元上层金属贴片旋转角与透射相位的关系，得到超表面上层金属层贴片的旋转角分布。3.根据权利要求1或2所述的基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，其特征是，馈源天线集成至超表面之中，与超表面共用介质基板，通过印刷电路板工艺实现整体加工；底层实现转极化反射的结构为金属反射板。4.根据权利要求1或2所述的基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，其特征是，多次折叠反射式天线为三次折叠光路的反射式天线光路结构，光路结构共包含三次镜面反射，即具有折叠效果；第一次镜面反射发生在上方馈源天线发出的电磁波第一次到达下方金属反射板的时候，第二次镜面反射发生在被下方金属反射板反射的电磁波第一次到达上方超表面的时候，第三次镜面反射发生在电磁波第二次到达下方金属反射板的时候，最终经过三次镜面反射后的电磁波再一次到达上方超表面后透射过去在远场形成高定向性波束。5.根据权利要求1或2所述的基于超表面的低剖面高增益多次折叠反射式天线，其特征是，所使用的超表面单元对于右旋圆极化波入射时的同极化透射波具有全相位调制功能，当绕单元中右旋转单元上层金属贴片时，实现覆盖360
°
范围的透射相位调制，与此同时左旋圆极化波入射下的同极化反射相位不会受到旋转上层金属贴...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯一军，杨维旭，陈克，赵俊明，姜田，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：