[发明专利]基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线

说明书

本发明公开了一种基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有涡旋场天线相位补偿误差大，辐射增益低，结构复杂的问题。其包括主反射镜(1)、副反射镜(2)、馈源(3)和支撑结构(4)，主、副反射镜和馈源采用正馈方式，副反射镜的虚焦点与主反射镜的焦点重合，实焦点与馈源的相位中心重合。副反射镜采用相位突变超表面结构，主反射镜为平面结构，该主反射镜包括主介质层(11)、主反射层(12)和主相位调控层(13)，该主相位调控层由多个均匀排布，且按螺旋状整体分布的主金属环微结构(131)组成，用于产生涡旋电磁波。本发明能高效激发涡旋电磁波，降低天线相位补偿误差，提高增益，简化结构，可用于通信和雷达。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种平面卡塞格伦涡旋场天线，可用于通信和雷达。

技术背景

近年来通信容量需求急剧增长，而涡旋电磁波通信由于其不同模态具有良好正交性，可形成大量同频复用通道，极大的提高频谱利用率和通信容量，因此成为人们研究的重点。涡旋电磁波通信中，如何高效地激发涡旋电磁波是其中的关键环节，具有良好定向性和高质量螺旋状相位分布的涡旋场天线可实现涡旋电磁波的远距离传输、识别和复用。微波反射面天线具有较大的增益，适合构建涡旋场天线，通常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增益的方向图，卡塞格伦天线是在抛物面天线基础上增加双曲面副反射面，电磁波经过副反射面和主反射面反射后得到高度定向性的辐射方向图。相比于普通抛物面天线，增加的副反射面更便于设计口面场分布，优化天线辐射性能，馈源放置在靠近主反射面顶点处，显著缩短馈线长度，降低损耗和系统噪声系数，且在主副反射面上引入相位梯度变化小的超表面结构，可以实现涡旋场相位精准调控，能够高效地激发涡旋电磁波。然而卡塞格伦天线的抛物面主反射面为凹形抛物面，不仅剖面较大而且对天线加工提出更高的要求。通常设计卡塞格伦天线时需要尽可能降低天线高度，使结构更紧凑，有利于减轻重量，降低损耗。所以研究设计低剖面的卡塞格伦涡旋场天线，并高效地激发涡旋电磁波，具有很强的实际应用价值。

现有研究多采用微波反射面构建涡旋场天线，激发涡旋电磁波，如中国专利，申请公布号为CN 105322285A，名称为“一种轨道角动量天线”的发明，公开了一种轨道角动量天线，包括抛物型反射面和螺旋天线馈源，当螺旋天线馈源采用同轴或微带馈线馈电时，其辐射场经过抛物型反射面的反射即可得到轨道角动量电磁波。又如申请公布号为CN106887718A，名称为“一种基于超表面相控阵天线产生轨道角动量波束的装置”的发明，利用超表面相控阵天线产生轨道角动量波束。但现有以单镜反射面为基础的天线辐射效率不高，增益过低，且存在馈源配置复杂，相位变化梯度过大导致不能精确调控相位等问题，难以激发出实现精准相位调控的高增益涡旋电磁波。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线，以提高天线辐射效率，简化馈源配置，减小相位误差。

本发明的技术思路为：通过在主副反射面上引入超表面结构，同时考虑电磁波斜入射时入射角的变化，降低天线的相位补偿误差，实现涡旋场相位精准调控，使其能够高效激发涡旋电磁波，其结构如下：

本发明基于超表面的平面卡塞格伦涡旋场天线，包括主反射镜1、副反射镜2、馈源3和支撑结构4，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，每根塑料棍分别连接主反射面1和副反射面2的同侧端点，其特征在于：

主反射镜1采用平面结构，该平面结构为基于广义斯涅尔定理构建的相位突变平面超表面结构；副反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的双曲特性相位突变超表面结构；

所述主反射镜1，包括主介质层11、主反射层12和主相位调控层13，该主相位调控层13由m×n个均匀排布的主金属环微结构131组成，所有主金属环微结构131按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。