[发明专利]基于特征模分析方法的圆极化超表面天线的设计方法

说明书

本发明公开了一种基于特征模分析方法的圆极化超表面天线的设计方法。本发明一种基于特征模分析方法的圆极化超表面天线的设计方法，包括：通过特征模的方法分析超表面模式意义modal significance,特征角characteristic angle,表面电流surface current；根据实际的需求选择所要激发的模式电流；用特征模方法对超表面结构做定向性的调整；设计合适的馈电结构。本发明的有益效果：(1)在不需要大量工程经验和精确的预设参数的情况下，确定所要激发的模式；(2)根据所要激发的模式，直接确定馈电点位置和馈电结构，简单高效。

技术领域

本发明涉及天线设计领域，具体涉及一种基于特征模分析方法的圆极化超表面天线的设计方法。

背景技术

微带天线作为一维小型化天线，以其低剖面，可共性，易集成等颇具特色的优点近年来在天线开发中得到越来越多的关注，且高性能的圆极化天线在当前的应用愈加广泛。圆极化天线的实用意义在于可接收任意极化的来波，且其辐射波也可由任意极化天线收到，故电子侦察和干扰普遍采用圆极化天线；在通信、雷达的极化分集工作和电子对抗等应用中广泛利用圆极化天线的旋向正交性；圆极化入射到对称目标时旋向逆转，因此圆极化天线应用于移动通信、GPS等能抑制雨雾干扰和抗多径反射。

为了实现圆极化的天线，在单馈点的方案中主要采用切角，表面开槽，加调谐枝节的方式，这几种方法的设计关键在于确定几何微扰，即选择简并模分离元的大小和位置，以及恰当的馈点馈线网络，这种方式的优点在于无需外加的相移网络和和功率分配器，结构简单成本低，适合小型化，但其显著的缺点在于带宽窄，极化特性差。在另外的多馈点方案中采用T形分支或者3dB电桥等馈电网络，其设计关键在于馈电网络的精心设计。这种方案的显著优点在于可提高驻波比带宽和圆极化带宽，提高轴比；缺点在于馈电网络较复杂，成本较高，尺寸较大。第三种方法称为多元法，其实现方式是使用多个线极化辐射单元，原理与多馈点法相似，只是将每一馈点都分别对一个线极化辐射单元馈电，其设计关键在于单元天线位置的合理安排。这种方案具备多馈法的优势，而馈电网络较为简化且增益高。但不足在于结构复杂，成本较高，尺寸大。

相关文献:

文献(Ta S X,Park I.Low-profile broadband circularly polarized patchantenna using metasurface[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2015,63(12):5929-5934.)中通过在加载4×4的超表面实现高阻抗匹配带宽和轴比带宽，但在此设计在于需要耗费大量的时间和精力来调节位于中间层的实现圆极化波的辐射单元。

文献(Liu S,Yang D,Pan J.A Low-Profile Broadband Dual CircularlyPolarized Metasurface Antenna[J].IEEE Antennas and Wireless PropagationLetters,2019.)实现了双圆极化的超表面天线，虽然在此文献中引入了特征模的分析方法，但只是通过特征模逆向揭示了一部分物理特性，并没有通过特征模对圆极化天线的正向设计过程起一个指导作用。

传统技术存在以下技术问题：

1、不是带宽窄就是馈电结构复杂，或者体积大，不适用于小型化的实际场景

2、在设计开始就需要预设工程参数，这往往需要长期大量的工程经验

3、没有揭示实际的物理意义，无法在设计过程中给予直观的指导性方向

发明内容