[发明专利]隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线及其设计方法

权利要求书

1.一种隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线，其特征在于，由作为主反射面的聚焦超表面、作为副反射面的旋向选择超材料和圆极化喇叭馈源组成；所述圆极化喇叭馈源放置在聚焦超表面中心，喇叭口径面和聚焦超表面的表面平齐；所述旋向选择超材料放置在聚焦超表面上方，两者之间的距离是聚焦超表面焦距的二分之一，确保天线辐射的电磁波为高定向圆极化平面波；

所述聚焦超表面由m×n个超表面单元组成，用于实现左旋圆极化波的反射聚焦和旋向改变功能，m、n为超表面沿x、y方向的单元数目；所述聚焦超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两层介质板隔开；超表面单元周期为P，中间层金属贴片边长为a，上层金属贴片边长是中间层金属贴片边长的s倍，s＝0.9，介质层厚度为h；通过改变金属贴片边长a，可以在8～14GHz内实现360°相位调控；将具有不同反射相位的超表面单元按抛物相位排布，以实现聚焦功能；

所述旋向选择超材料由q×k个2种方形超单元通过棋盘式排列组成，2种方形超单元分别由2种超材料单元在x、y方向周期重复r×r个构成，用于实现左旋圆极化波的反射、右旋圆极化波的传输和左旋圆极化波沿-z方向入射时的RCS减缩功能，其中q、k为超材料沿x、y方向的超单元数目；每种超材料单元由两个相同的带有顺时针螺旋缠绕金属条带的长方体介质块相互垂直叠放组成；其中，一种超材料单元由缠绕金属条带的两个长方体介质块上、下正直叠放组成；相对于该超材料单元，另一种超材料单元上层缠绕金属条带的长方体介质块顺时针旋转90°；两个长方体介质块上，其正面和背面金属条带相同，长度为b，宽度为c；侧面金属条带和上下两面金属条带连接，宽度相同；分别位于长方体介质块正面和背面的螺旋缠绕的金属条带距离各自对应的长方形面上相邻的两条边的长度分别为d和f；

所述平面圆极化折叠卡塞格伦天线在左旋圆极化喇叭馈源激发下，可以定向辐射高增益右旋圆极化平面波；当受到左旋圆极化平面波照射时，具有很低的RCS，具有隐身功能；而在右旋圆极化平面波照射下，根据天线互易定理，右旋圆极化波绝大部分被透射，并最终汇聚于喇叭天线而无反射，同样具有低散射隐身特性。

2.根据权利要求1所述的隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线，其特征在于，根据优化设计，在聚焦超表面中，超表面单元数为15×15，超表面单元周期为P＝14mm，介质层厚度h＝3mm；金属贴片边长a的取值范围为1～13mm；s＝0.9；

在旋向选择超材料中，两种超材料单元按10×10排列组成两个相位差为180°的超单元，超单元按3×3棋盘排布构成一个30×30的超材料；长方体介质块尺寸为6.5mm×6.5mm×6mm；金属条长度b＝6mm，金属条宽度c＝0.5mm；d＝0.5mm，f＝0.25mm；所述圆极化喇叭馈源的口径为20mm。

3.一种如权利要求1所述隐身圆极化平面折叠卡塞格伦天线的设计方法，其特征在于，具体步骤为：

第一步：设计聚焦超表面单元，并利用相位补偿法排布聚焦超表面的空间相位

根据圆极化平面折叠卡塞格伦天线的性能要求，聚焦超表面要实现左旋圆极化波聚焦和改变旋向功能，因此，聚焦超表面单元设计为基于双层金属贴片的反射型超表面单元，该超表面单元由两层方形金属贴片和底层金属背板组成，三层金属之间通过两层介质板隔开；超表面单元周期为P，中间层金属贴片边长为a，上层金属贴片边长是中间层金属贴片边长的0.9倍；改变超表面单元金属贴片边长可以在8～16GHz内实现360°相位调控；

然后，使用相位补偿法确定不同位置处的补偿相位；首先确定聚焦超表面焦距L＝150mm和工作频率f₀＝13GHz，然后根据公式(1)计算超表面不同位置处需要的补偿相位

这里，表示实现电磁波聚焦所需要的补偿相位，(x,y)表示超表面单元所在的相对位置，为自由空间波矢，λ₀为工作频率f₀处的波长，L为焦距，上式中需要补偿的相位与工作频率f₀密切相关；

根据公式(1)计算得到的相位分布，在对应位置处排布带有相应反射相位的超表面单元，最终设计为一个15×15的超表面；该超表面在左旋圆极化波垂直入射时可以实现聚焦功能；

第二步：设计具有旋向选择功能的超材料单元，实现对不同旋向圆极化波的不同调控

为保证天线正常的辐射性能，旋向选择超材料必须具有旋向选择功能；当左旋圆极化波入射时，旋向选择超材料能够实现旋向不变的全反射功能；当右旋圆极化波入射时，旋向选择超材料能够实现全透射功能；

为此，设计平面螺旋手性金属结构；当螺旋手性金属结构的金属旋向与入射圆极化波的电场矢量旋转方向重合时，金属结构上会产生很强的感应电流，对入射的圆极化波表现出反射作用；反之，当螺旋手性金属结构的金属旋向与入射圆极化波的电场矢量旋转方向相反时，金属结构上会产生很弱的感应电流，对入射的圆极化波表现出透射作用；

所述平面螺旋手性金属结构，具体由一个长方体泡沫块上顺时针螺旋缠绕金属条带构成；顺时针螺旋缠绕的金属条带与入射的左旋圆极化波电场矢量旋转方向重合，与入射的右旋圆极化波电场矢量旋转方向相反；该结构可以有效的传输右旋圆极化波，反射左旋圆极化波，并且旋向保持不变；

此外，超材料单元设计为上、下相互垂直叠放置的双层结构，能够在一个8～14GHz内有效的实现右旋圆极化波的传输，在8.3～13.5GHz实现左旋圆极化波的反射，而且传输系数保持在0.9以上，反射系数保持在0.8以上；

第三步：设计旋向选择超材料，利用相位相消原理，降低天线整体的RCS

当左旋圆极化波入射时，第二步所述的旋向选择超材料单元会有很强的后向散射；为了降低后向散射，超材料单元设计为上、下相互垂直叠放置的双层结构，并且将上层超材料单元相对于下层超材料单元顺时针旋转90°，两种超材料单元具有相同旋向选择功能；

并且，将两种超材料单元按10×10组成两个相位差为180°超单元，然后将超单元按3×3棋盘排布构成一个30×30的超材料；棋盘结构可以将垂直入射的电磁波打散到四个对角方向，能有效的减小单站的RCS；

第四步：根据设计的聚焦超表面和旋向选择超材料，确定卡塞格伦天线的最终结构，实现预定功能

为使设计的卡塞格伦天线能够辐射高定向平面波，将旋向选择超材料放置在聚焦超表面上方，并且间隔设为L/2；口径20mm的圆极化喇叭馈源被放置在聚焦超表面中心，口径面和聚焦超表面的表面平齐；

由于聚焦超表面和旋向选择超材料间的距离为L/2，并且旋向选择超材料可以全反射沿-z方向入射的左旋圆极化波，且不改变相位和旋向，所以放置在聚焦超表面中心的圆极化喇叭馈源，相当于放置在聚焦超表面的焦点处；圆极化喇叭馈源发射的左旋圆极化波经过旋向选择超材料和聚焦超表面两次反射，最终沿+z方向辐射出高定向的右旋圆极化平面波；

所述超表面单元结构参数如下：P＝14mm，h＝3mm，为实现360°相位调控，中间层金属贴片的边长a的取值是变化的，范围为1～13mm，上层金属贴片边长为0.9*a；所述超材料单元结构参数如下：b＝6mm，c＝0.5mm，d＝0.5mm，f＝0.25mm，长方体介质尺寸为6.5mm×6.5mm×6mm；所述圆极化喇叭馈源的口径为20mm；金属为铜，其电导率为σ＝5.8×10⁷S/m，厚度为0.036mm。