[发明专利]一种扩展相位阵列天线偏转角度的天线罩

说明书

本发明公开了一种扩展相位阵列天线偏转角度的天线罩。该天线罩由两个或多个超表面级联而成，根据角度偏转要求和平行光线的要求计算出每层超表面的空间相位分布。本发明通过对超表面相位的补偿与优化，得到级联式的超表面，其可以将相位阵列天线从‑60～60度扩展到‑90～90度的范围，不会降低天线的方向性。由于材料是二维的超表面结构，因此本发明天线罩比较轻巧而且节省材料和空间。

技术领域

本发明属于光学领域，更具体地涉及到一种级联式(包括曲面)的超表面结构组成的天线罩，用于扩展相位阵列天线的偏转角度。

背景技术

相位阵列天线由于其方向性好，偏转角度迅速可调的优点被广泛应用于雷达系统、无线通讯和卫星广播中。然而相位阵列天线的偏转角度一般限制在-60～60度范围内，因此进一步提高其偏转角度到-90～90度非常重要。目前有几种方法可以用来进一步提高其扩展角度，总结如下：(I)机械方法，即通过机械转动辅助角度调节。该方法由于使用机械加速减速过程，减小了角度扫描的速度，进而降低了整体相位阵列天线系统的响应速度。(II)负折射率材料天线罩方法。该方法的优点是可以大幅度增大扫描角度的范围，可以满足-90～90的要求。缺点是设计复杂，需要耗时的优化过程，且材料需要负折射率材料，损耗大且加工制作不方便，这些都限制了其实际应用。(III)变换光学方法。该方法的优点是可以精确设计偏转的角度和材料参数的关系，缺点是材料参数复杂(非均匀且各向异性)，不易加工制作。(IV)光学表面变换方法。这是变换光学方法的改进版，用两种各向同性的自然材料组成预先设定的层状结构来满足变换后高各向异性的材料参数需求，优点是材料参数大大简化，使得加工制作变得容易。但是上面所有的方法都是“基于位置”的思想，用几何光学来说，也就是说偏角只依赖于光线打在天线罩上的位置，当一宽波束打在天线罩上的时候，不同的位置将会使波束有不同的偏折角度，这样波束经过天线罩就回发散。因此这种基于位置的方法会降低天线的方向性。上面的方法还有一个缺点就是他们都是三维的体结构，这导致天线罩比较厚重、而且耗费材料。

本发明使用一种“基于方向”的天线罩，波束经过天线罩后的偏转角度只依赖于入射时候的角度，而和入射位置无关。该方法不会降低天线的方向性。而且本发明使用了级联的超表面结构，由于是二维的面结构，使得天线罩轻巧而且节省材料。

发明内容

1、发明目的。

本发明在不降低天线方向性的基础上扩展扫描角度，提供了一种优化空间相位的扩展相位阵列天线偏转角度的天线罩。

2、本发明所采用的技术方案。

本发明提出了一种扩展相位阵列天线偏转角度的天线罩，总用两个或多个超表面级联而成，通过计算得到每个超表面的相位分布，然后进一步通过数值优化得到更好的相位分布。下面以两个超表面(第一个为平面，第二个为曲面)级联来具体阐述步骤，目标是将-60～60度的角度扩展到-90～90度：

本发明提出一种扩展相位阵列天线偏转角度的天线罩，由两个或多个超表面级联而成，根据角度偏转要求和平行光线的要求计算出每层超表面的空间相位分布。

更进一步，还包括以最小偏转角度偏差为目标函数进行全局优化，得到相位最优分布。

更进一步，所述的超表面结构为平面型或曲面形。

更进一步，相位阵列天线的偏转角度扩展到90度。

更进一步，采用前一级超表面中心光线的轨迹来计算第二个超表面(曲面结构)的相位补偿分布。

本发明一种扩展相位阵列天线偏转角度的天线罩，

计算曲面结构的超表面的相位分布：

通过中心光线的轨迹来计算第二个超表面曲面结构的相位分布，即