[发明专利]基于超表面的凸面共形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凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有相位误差大，辐射增益低，难以实现凸面涡旋场天线波束校准的问题。其包括载体(1)、主反射镜(2)、副反射镜(3)、馈源(4)和支撑结构(5)，载体采用凸面结构，主反射镜与载体共形，主、副反射镜均采用相位突变超表面结构，主反射镜为凸面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，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组成，用于产生涡旋电磁波，支撑结构连接主反射镜和副反射镜。本发明能实现凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准,高效激发涡旋电磁波，同时降低天线相位补偿误差，结构简单，可用于通信和雷达。

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种卡塞格伦涡旋场天线，可用于通信和成像。

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。另一方面，在SAR成像领域，为获得更高分辨率和更好信噪比的三维成像，需要多个发射源对同一目标从不同角度进行探测，显著增加了系统的成本和复杂度，而涡旋电磁波自身携带连续变化的角度信息，即一个涡旋场天线就能实现多角度照射目标的功能，因此在SAR成像领域具有很高的潜在应用价值。

在涡旋电磁波的应用场景中，高效地激发涡旋电磁波是其中的关键环节。而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。

然而经典卡塞格伦天线的抛物面主反射面为凹形，难以在临近空间飞行器的凸表面上实现共形加载，并完成对地观测。若把卡塞格伦主反射面的抛物面替换为传统的凸面镜，则馈源发射出的所有波经副反射面和凸面镜反射后，反射波传播方向远离副反射面和凸面镜中心连线方向，无法在天线口径面上得到垂直于口径面传播的电磁波，因此传统凸面镜不适合构建用于发射涡旋电磁波的卡塞格伦涡旋场天线主反射面。

现有研究多采用传统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，包括抛物面反射面和螺旋天线馈源，所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于抛物面反射面焦点处，螺旋天线馈源产生涡旋电磁波，经过抛物面反射后得到出射波。这种天线虽在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但其由于主反射面为凹面，无法在空间飞行器等凸型表面上加载，且涡旋电磁波为馈源产生，配置复杂，相位误差较大。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，以减小相位补偿误差，简化天线结构。

实现本发明目的的技术思路为:通过在与载体共形的凸面主反射面以及平面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，以实现与载体共形的凸面卡塞格伦涡旋场天线的波束校准，高效激发涡旋电磁波，并通过平移抛物线形成抛物柱面的主反射面来简化天线结构。其结构如下:

一种基于超表面的凸面共形卡塞格伦涡旋场天线，包括载体1、主反射镜2、副反射镜3、馈源4和支撑结构5，主反射镜2与载体1共形,馈源4采用角锥喇叭天线，支撑结构5由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面2和副反射面3的同侧端点；其特征在于：