[发明专利]基于超表面的格里高利天线

说明书

本发明提出了一种基于超表面的格里高利天线，旨在降低天线的相位补偿误差，同时简化天线结构，包括平板波导及夹持在平板波导两个金属板之间的主反射镜、副反射镜和馈源，主反射镜和副反射镜均采用基于广义斯涅尔定理构建的相位突变超表面结构，主反射镜相位调控层上的金属环微结构尺寸，由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现与抛物面类似的电磁波相位补偿特性，副反射镜相位调控层上的金属环微结构尺寸，由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现与椭圆面类似的电磁波相位补偿特性；馈源位于与副反射镜相位调控层相对的主反射镜中点处，副反射镜的近焦点与主反射镜的焦点重合，远焦点与馈源的相位中心重合。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种格里高利天线，具体涉及一种基于广义斯涅尔定理的相位突变超表面实现平面结构的格里高利天线，可用于微波领域。

技术背景

微波反射面天线主要为抛物面天线，利用抛物面反射面对电磁波的准直作用形成高定向性的辐射方向图。格里高利天线是在抛物面天线基础上增加椭圆面副反射面，电磁波经过副反射面，主反射面反射后形成高定向性的辐射方向图。相比于普通抛物面天线，一方面，增加的副反射面更便于设计口面场分布，能够优化天线辐射性能；另一方面，由于馈源放置在靠近主反射面顶点处，大大缩短了馈线长度，降低损耗，降低天线系统噪声系数。典型的格里高利天线其反射面是由加工成曲面轮廓的金属面构成，虽然设计简单，但是对加工要求较高。

为解决轮廓设计调控电磁波的曲面反射面不便于加工和组装的问题，现有研究利用超材料调控电磁波，通过印刷微带板实现平板结构格里高利天线。如中国专利，申请公开号为CN 102800995 A，名称为“一种卡塞格伦型超材料天线”的发明，公开了一种卡塞格伦型超材料天线，该发明通过在接地介质板中间设置平面雪花状十字形金属微结构，金属反射面上覆盖折射率梯度变化超材料来近似曲面反射器的反射特性，实现了一种平板结构的格里高利天线，但其相位补偿方式为电磁波先后两次经过超材料，利用传播路径上超材料不同的本构参数在相同物理距离下电波长变化不同的方式来进行波前校准，一方面，基于超材料层的相位路径设计前提是假设电磁波垂直入射反射面，并没有考虑当电磁波斜入射时入射角的变化，理论上只有当折射率为无穷大时才能使折射波垂直于反射面，存在着较大的相位补偿误差，并且随着入射角度的增大，相位误差会增大，这限制了基于超材料的格里高利天线的辐射特性和应用范围；另一方面，因为反射波前的相位补偿是建立在电磁波两次经过超材料层的基础上的，不同电磁参数超材料与自由空间的匹配程度不同，所以超材料层与自由空间的匹配问题也将影响天线的波前校准结果，造成的相位补偿误差进一步增大。最后，所需超材料通过多层介质板内加载金属微结构来实现，较为复杂。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种超表面格里高利天线，旨在降低天线的相位补偿误差，同时简化天线结构。

实现本发明目的采用的技术方案为：

一种基于超表面的格里高利天线，包括主反射镜1、副反射镜2、馈源3和平板波导4，所述主反射镜1、副反射镜2和馈源3夹持在平板波导4的两个金属板之间，其中：

所述主反射镜1和副反射镜2，采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变超表面结构；

所述主反射镜1包括第一介质层11、印制在第一介质层11一个侧面的第一反射层12和另一个侧面的第一相位调控层13；所述第一相位调控层13由一排或多排包含m个均匀排布的第一金属矩形环微结构131组成，m≥4，各第一金属矩形环微结构131的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现与抛物面类似的电磁波相位补偿特性；

所述副反射镜2包括第二介质层21、印制在第二介质层21一个侧面的第二反射层22和另一个侧面的第二相位调控层23；所述第二相位调控层23由一排或多排包含n个均匀排布的第二金属矩形环微结构231组成，n≥4，各第二金属矩形环微结构231的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现与椭圆面类似的电磁波相位补偿特性；