[发明专利]基于超材料的紧凑平面结构抛物面反射器天线的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于超材料的紧凑平面结构抛物面反射器天线的设计方法，它包括以下步骤：运用变换电磁学原理设计出具有平面边界的馈源单元；采用平面结构的抛物面反射器替代常规曲面结构的抛物面反射器作为反射器天线的反射面；将平面反射器与馈源单元组合设计成为紧凑的平面反射器天线。本发明反射面采用平面反射器，其反射特性与常规抛物面反射器等效；所设计的馈源单元本身对射线是“透明”的，即对射线不产生遮挡，而置于其中的馈源由于超材料产生的虚拟位移作用，其辐射特性等效于馈源置于距离反射面较远处产生的辐射特性；该反射器天线中反射器与馈源单元组合在一起形成紧凑型结构，避免了常规反射器天线中反射面与馈源分离的现象。

技术领域

本发明属于电磁/光学器件设计领域。涉及一种紧凑平面结构抛物面反射器天线的理论设计方法。所设计反射器天线适用于微波、毫米波、太赫兹等频段。

背景技术

反射器天线作为宽频带高增益天线广泛应用于卫星通信、雷达、遥感和射电天文等领域。它的基本结构由两部分组成：反射面和馈源。反射面为抛物面的反射器天线(抛物面反射器天线)是其中最常用的一种形式。

抛物面反射器天线特性主要由其几何光学特性决定：焦点处发出的波束经反射器反射后被准直，反射波束平行于反射器的主轴传播；所有从焦点到反射面再到口径平面的路径长度均相等，且等于2倍焦距。

因此，常规抛物面反射器天线由一个抛物面反射器和一个位于焦点附近的馈源构成。这样的结构使得反射器天线在安装、调试和使用等方面存在诸多不便，而且由于反射器与馈源在空间上是相互分离的，它们之间可能存在的遮挡会显著影响天线的性能。然而从传统的反射器天线的设计角度来看，目前尚未找到一种有效的方法能设计出天线特性基本保持不变(与常规抛物面反射器天线相比)，且具有紧凑平面结构的反射器天线。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足而提供的一种基于超材料的紧凑平面结构抛物面反射器天线的设计方法，该方法运用变换电磁学原理设计出具有平面边界的馈源单元；再采用平面结构的抛物面反射器作为天线的反射面；将平面反射器与馈源单元组合设计成为一个紧凑的平面反射器天线。该反射器天线具有与常规抛物面反射器天线相同的特性。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于超材料的紧凑平面结构抛物面反射器天线的设计方法，它包括以下具体步骤：第一步：运用变换电磁学原理设计出具有平面边界的馈源单元；

第二步：采用平面结构的抛物面反射器替代常规曲面结构的抛物面反射器作为反射器天线的反射面；

第三步：将馈源单元紧贴平面反射器，形成结构紧凑的平面反射器天线；

其中，所述馈源单元设计过程中涉及的电磁空间变换如下描述。边界Γ1与Γ4构成的封闭空间为原始空间[由s₁(x,y,z)表示]；该部分空间通过坐标变换压缩到边界Γ1与Γ2之间[由s₁'(x_s1',y_s1',z_s1')表示]，在直角坐标系中可表示为

x_s1'＝f₁(x,y,z),y_s1'＝g₁(x,y,z),z_s1'＝h₁(x,y,z) (1)

式中f₁，g₁，h₁为坐标变换函数；该空间变换需满足的边界条件为：变换前后边界Γ1保持不变，Γ4映射到Γ2；