[发明专利]基于超表面的涡旋场反射面天线

说明书

本发明公开了一种基于超表面的涡旋场反射面天线，主要解决现有涡旋场反射面天线焦距大，天线整体所占空间大，相位补偿误差大的问题。其包括载体(1)、主反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，其中，载体(1)采用凹面结构，主反射镜(2)为凹面结构，且与载体共形，主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于实现短焦效果，该主反射镜包括主介质层(21)、主反射层(22)和主相位调控层(23)，主相位调控层由多个均匀排布，并按螺旋状整体分布的主金属环微结构(231)组成，用于产生涡旋电磁波，支撑结构用于固定馈源。本发明能缩短涡旋场反射面天线的焦距，降低天线整体所占空间，同时降低相位补偿误差，可用于通信和雷达。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种涡旋场反射面天线，可用于通信和成像。

技术背景

涡旋电磁波因其不同模态之间具有良好正交性，能形成大量同频复用通道，应用于通信领域时能极大提高频谱利用率和通信容量，可以满足日益增长的通信容量需求，因此成为人们研究的重点。另一方面，涡旋电磁波由于其自身携带连续变化的角度信息，一个涡旋场天线就能实现对目标的多角度照射，所以在SAR成像领域，能替代多个发射源对同一目标从不同角度进行探测，从而获得更高分辨率和更好信噪比的三维成像图，显著减少了系统的成本和复杂度，因此涡旋电磁波在SAR成像领域具有很高的潜在应用价值。

然而抛物面主反射面的几何结构确定后，天线焦距也会随之确定，无法实现焦距的灵活可调，若要缩短焦距，则要增大抛物面主反射面的曲率，导致同口径面积下的主反射面高度增加，对天线加工提出了更高的要求。

现有研究如中国专利，申请公布号为CN 105552556 A，名称为“轨道角动量涡旋波束产生装置及方法”的发明，公开了一种轨道角动量天线，包括平面主反射面和馈源，所述平面主反射面采用超表面结构，由馈源产生的电磁波照射经主反射面超表面结构反射后产生涡旋电磁波。这种天线虽在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但由于其为平面结构，无法实现凹面镜缩短主反射面焦距的功能，且其超表面反射单元结构复杂，数量较少，无法实现涡旋电磁波更加精准的相位补偿。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的涡旋场反射面天线，以减小相位补偿误差，简化天线结构,降低天线焦距，节约天线整体所占空间。

为实现上述目的，本发明基于超表面的凸面共形涡旋场反射面天线包括：

载体1、主反射镜2、馈源3和支撑结构4，主反射镜2与载体1共形,馈源3采用角锥喇叭天线，支撑结构4由四根硬质塑料棍组成，用于固定馈源3；其特征在于：

所述载体1采用凹面结构；

所述主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，其焦距小于载体1的几何焦距，用于缩短整体天线的焦距，降低整体天线的高度，该主反射镜包括主介质层21、主反射层22和主相位调控层23，且主相位调控层23由m×n个均匀排布的主金属环微结构231组成，每个主金属环微231结构的相位补偿数值不同，所有主金属环微结构231按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。

进一步，所述载体1采用的凹面结构为凹状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向上弯曲，弯曲程度遵从开口向上的抛物面方程，中心厚度小于边缘厚度。

进一步，所述主介质层21为凹面结构，其上表面印制主相位调控层23，下表面印制主反射层22。

进一步，所述每个主金属环微结构231的尺寸由其所在位置的入射电磁波相对于主反射镜2的入射角θ_i和相位补偿数值Φ(x,y,z)决定，其计算如下：