[发明专利]基于超表面的凸面共形格里高利天线

说明书

本发明公开了一种基于超表面的凸面共形格里高利天线，主要解决现有相位误差大，结构复杂，难以实现凸面格里高利波束校准的问题。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，主反射镜和副反射镜均采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变超表面结构，其中副反射镜位于主反射镜的焦点上方，具有椭球特性相位，用于实现将馈源发射的电磁波聚焦至副反射镜的近焦点，其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，主、副反射镜通过支撑结构连接。本发明能实现凸面格里高利天线的波束校准,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，涉及一种格里高利天线，可用于通信和雷达。

技术背景

微波天线主要分为端射、缝隙、反射面天线等类型，其中反射面天线具有高增益性能的特点。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将来自焦点处馈源发射出的球面波前转换为出射平面波前，形成高增益的方向图。格里高利天线是在抛物面天线基础上增加椭球面副反射面，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，在通信、雷达等方面获得了广泛的应用。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，且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。然而经典格里高利天线的抛物面主反射面为凹形，难以在空间飞行器等凸面表面上共形加载。若把格里高利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等相位面的平面波前，因此传统凸面镜不适合构建用于波束准直的格里高利天线主反射面。

通常三维格里高利天线辐射的出射波为笔形波束，其垂直面和水平面的波束宽度都很窄，容易获得高增益性能，用于微波散射计等设备进行远距离探测时所需要的发射功率较小，且笔形波束天线对探测目标的俯仰角和方位角的测角精度和分辨力都很高，使用旋转扫描可实现无盲区的连续扫描测绘，所以在空间飞行器等凸形表面上共形加载凸面格里高利天线，并得到高定向笔形波束的辐射方向图，具有很强的实际应用价值。但长期以来，典型的格里高利天线的主反射面由凹形的抛物面金属面加工而成，难以实现与空间飞行器等凸形表面共形，因此实现高定向性辐射的凸面共形的格里高利天线仍是工程中的难题。现有研究多采用基于超表面的平面反射镜代替格里高利天线的主反射面的技术，实现平面共形格里高利天线的波束校准。如中国专利，申请公开号为CN 102800995A，名称为“一种卡塞格伦型超材料天线”的发明，公开了一种格里高利超材料天线，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，实现一种平板结构的格里高利天线，其存在以下不足：

首先，这种天线的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，然而该设计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，存在着较大的相位补偿误差，且相位误差随着入射角度的增大而增大；

其次，由于这种天线的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；

再次，由于这种天线的所需超材料通过多层介质板内加载金属微结构来实现，不仅结构较为复杂，而且无法解决与载体共形的凸面镜的波束校准问题，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格里高利天线，以减小相位误差，简化天线结构,实现与载体共形的凸面格里高利天线的波束校准。