[发明专利]一种宽角度圆极化超表面天线

说明书

本发明提供一种宽角度圆极化超表面天线，包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线；所述超表面结构由超表面单元在x和y方向分别按一定周期进行周期延拓构成，形成超表面单元m×n的无间隙排列结构，其中m、n均为大于等于2的自然数；所述超表面单元由介质基板、设置在介质基板一个面上的接地板和设置在介质基板另一个面上的双箭头形状的金属贴片组成。本发明可以在偶极子天线上方空间产生圆极化辐射波，且通过改变超表面单元和偶极子天线的尺寸以及两者之间的垂直距离，可以使得超表面天线工作在不同的频段，具有结构简单，频率易调，圆极化角度宽，可降低雷达散射截面等一系列优点。

技术领域

本发明涉及一种天线结构，尤其涉及一种宽角度圆极化超表面天线结构。

背景技术

超材料通常是将具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性或者非周期性地排列所构成的新型人工电磁材料，具有自然界中材料所不具备的性质。超表面可以等效为二维超材料，对电磁波具有很强的调控能力，可以实现极化转换，极化旋转等功能。不仅如此，将超表面应用在天线设计中，可以提高传统天线在工作带宽，方向性，辐射效率，增益等多个方面的性能，这种将超表面结构与传统天线相结合所设计的新型天线可以称为超表面天线。Chung，K.等人在2011年提出将传统的探针馈电的微带贴片天线与方形回路状超表面结合，同时实现了贴片天线在阻抗带宽和天线效率等方面性能的提高。超表面天线这一全新的概念自此而产生，并引起了研究者的极大兴趣。

圆极化天线因其在信号接收上的稳定性正广泛应用于无线射频识别，雷达，无线局域网，卫星通信和传感系统中。传统的圆极化天线通常需要在线极化天线的馈电部分加以设计来产生等幅正交的线极化波，从而产生圆极化辐射，这不仅增大了圆极化天线的设计难度，也可能使得整个天线结构更加复杂。超表面结构的应用可以简化圆极化天线的设计。在上述方形回路状超表面结构的基础上，有人设计了一种超表面结构，其单元包含一个矩形回路状金属贴片以及矩形内部的一条对角线金属条带，将此超表面结构放置在源天线附近可以将源天线辐射的线极化波转换成圆极化波。还有研究小组利用正交工字型超表面实现宽带范围内的线极化到圆极化的转换。

一系列研究成果表明利用超表面实现圆极化，尤其是宽频带圆极化是相对容易的，但是宽角度圆极化却几乎没有实现。

发明内容

本发明将利用超表面结构与传统半波长偶极子天线的结合，设计一种宽角度圆极化超表面天线，同时实现降低雷达散射截面的功能。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于：包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线；

所述超表面结构由超表面单元在x和y方向分别按一定周期进行周期延拓构成，形成超表面单元m×n的无间隙排列结构，其中m、n均为大于等于2的自然数；所述超表面单元由介质基板、设置在介质基板一个面上的接地板和设置在介质基板另一个面上的双箭头形状的金属贴片组成；所述超表面单元横截面为正方形；超表面单元在x和y方向的排列周期相同、排列数量相等；双箭头形状金属贴片由中间金属条带及金属条带两端对称的“L”型金属贴片组成，整个金属贴片结构沿超表面单元的对角线放置且关于两条对角线均对称。

本发明一方面利用超表面结构将偶极子天线沿-z方向的辐射波反射，并改变反射波的极化方式，由x线极化波转换成y线极化波；另一方面利用偶极子天线与超表面结构之间的距离，使得沿+z方向y极化的反射波与偶极子天线沿+z方向x极化的直射波之间产生90°的相位差。其特征在于：包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线。