[发明专利]基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线

说明书

本发明提出了一种基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线，用于解决现有技术中存在的共形涡旋场天线辐射覆盖范围小的问题，包括反射镜和馈源；所述反射镜采用抛物柱面超表面结构，包括形状为抛物柱面的介质基板，其法线正方向指向口径面或背离口径面的一侧印制有金属环阵列，另一侧印制有金属底板，所述金属环阵列被划分为i×i个区域，每个区域由2×2个子区域组成，每个子区域包含均匀排布的j×j个金属环微结构，且每个区域内主对角线上两个子区域内的金属环微结构和从对角线上两个子区域内的金属环微结构相位补偿数值的初始相位相差180°；本发明能够在四个方向产生涡旋波束，增大辐射覆盖范围，并在非平面载体上共形加载。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种四波束涡旋场共形反射面天线，可用于通信领域中要求天线在共形载体上加载的场景。

技术背景

涡旋电磁波由于其不同模态之间具有良好正交性，可形成大量同频复用通道，极大地提高了通信容量。

现有技术产生涡旋电磁波束的形式主要有阵列天线、透镜天线和反射面天线，阵列天线产生涡旋波束需要复杂的移相和馈电网络，不但要考虑单元天线之间的相位关系，还要考虑单元天线之间的相互耦合，其技术方案非常复杂，不利于实际应用。透镜天线是通过透射型旋转相位板来产生涡旋波束，透射型旋转相位板具有理论和结构简单的特点，被广泛应用于光波段，但在微波波段，透镜天线中介质板对入射波的反射会产生损耗，从而降低电磁波传输效率，且其产生的波束张角较大，不利于涡旋波束的远距离传输。反射面天线是构造一个凹形抛物面形状的反射面，在抛物面的焦点处设置馈源向反射面馈电，抛物反射面利用抛物面的几何特点反射产生单个电磁波束，其具有方向性强，增益高，损耗小等优点。

传统反射面天线产生涡旋波束的方法是将现有反射面天线的抛物反射面弯曲成螺旋曲面，其加工难度大，且其结构固定，无法在凹型柱面和临近飞行器表面的凸型柱面上共形加载。

基于广义斯涅耳定律构建的相位突变超表面，能够实现对反射电磁波相位的灵活调控，不用构造复杂的螺旋曲面，加工难度大大降低，且柱面形状可根据载体形状灵活可调，现有超表面一般具有平面，凹面，凸面三种结构，多数超表面为平面结构，但平面结构难以满足在非平面载体上共形加载的需求，凹型超表面为凹形抛物柱面，其几何结构利于电磁波的汇聚，可以产生波束张角较小的涡旋波束，有利于涡旋电磁波的远距离传输，适用于对涡旋波传播距离有较高要求的场景和在凹形表面上共形加载，凸型超表面为凸形抛物柱面，便于在临近飞行器表面的凸面载体共形加载。

现有技术中的基于超表面的涡旋场共形反射面天线主要包括主反射镜、馈源，其中，主反射镜为凹面或凸面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，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组成，用于产生涡旋电磁波；该天线实现了利用基于超表面共形反射面天线产生涡旋波束，但其波束单一，覆盖的通信范围有限。多波束天线可以同时在不同的方向上产生多个波束，使不同区域内的用户可以同时接收到信号，扩展了天线的通信范围。若要通过增加波束的方法来扩展基于超表面涡旋场共形反射面天线的通信辐射范围，采用现有技术只能通过增加天线的数量，同时调整不同天线的摆放位置以实现更大通信范围的覆盖，但这样成本高，配置方案复杂，如果天线预留安装空间有限时难以安装，不能满足实际通信中的要求。

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四波束涡旋场共形反射面天线，用于解决现有技术中存在的因产生涡旋电磁波数量较少导致的辐射覆盖范围小的技术问题。