[发明专利]一种双向双圆极化折叠透射阵天线

说明书

一种双向双圆极化折叠透射阵天线，由上下两层集成了平面馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面构成，超表面由若干个超表面单元通过周期排列组成的方形阵列构成；馈源天线超表面单元由一种平面圆极化微带贴片天线构成，所述超表面单元包括三层金属结构和夹在金属结构之间的两层介质基板，上层和底层金属层由圆极化微带天线的圆形微带贴片结构构成，中间金属层为中心开孔的金属地板，用来让连接上下金属层的金属化过孔通过；上层超表面使得沿+z方向入射的右旋原计划波透射，而反射左旋圆极化波；下层超表面使得沿‑z方向入射的左旋圆极化波透射，而反射右旋圆极化波。

技术领域

本发明属于微波和射频技术领域，主要涉及双向双圆极化折叠透射阵天线，具体是一种由一对圆极化透反选择性全空间手征超表面构成的具有双向高定向性辐射特性的折叠透射阵天线。

背景技术

在现代无线通信系统中，具有双向辐射方向图的天线往往被应用于微波传感器网络、广播中继基站等场景。对于其中的大多数应用场景，通常只需要具有宽边辐射方向图的低增益天线即可。而对于那些工作于长距离、狭窄封闭空间的天线，例如隧道与矿井通信，长距离点对点通信，卫星中继通信等，往往需要具有高定向性笔状波束的高增益天线。在近几年的研究报道中，有研究人员提出了工作于线极化的双向高增益天线。然而对于线极化，极化失配的问题经常会影响能量传输的效率，因此设计一种工作于圆极化的高增益天线可以解决在传输过程中能量损失的问题。相较于线极化双向高增益天线而言，近些年有关圆极化双向高增益天线的研究寥寥可数。

另一方面，随着现代无线通信系统地发展，具有小型化、低剖面特征的天线器件往往更加适用于当下高度集成化的通信系统。反射阵天线与透射阵天线是两种比较经典的平面化高增益天线，然而受限于焦距的长度，他们具有较高的剖面体积。对于这一问题，为了进一步降低天线的剖面，随后研究人员先后提出了折叠反射阵和折叠透射阵天线这两种折叠式高增益天线，通过引入镜面反射来构造折叠的光路从而实现等效的焦距，与传统的反射阵天线和透射阵天线相比，大大降低了剖面的尺寸。然而，在比较经典的折叠反射阵或折叠透射阵天线结构中，都使用了含有封闭式金属背板的结构来实现高效全反射这一功能，这就从根本上大大限制了此类天线在双向辐射上的潜在应用，无法在含有金属背板的一侧实现辐射功能。

基于上述技术背景分析，在现代无线通信系统应用中，设计一种可以实现双向辐射功能的圆极化高增益折叠透射阵天线具有一定的科学研究意义与实际应用价值。本发明正是针对此类需求而提出的。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述难题，提出了一种基于超表面的低剖面双向双圆极化折叠透射阵天线。天线由上下两块集成了平面馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面构成，在结构设计上并未使用封闭的金属反射板，旨在实现双向双圆极化辐射功能的同时降低天线的剖面尺寸。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种双向双圆极化折叠透射阵天线，由上下两层集成了平面馈源天线的圆极化透反选择性全空间手征超表面构成，超表面由若干个超表面单元通过周期排列组成的方形阵列构成；馈源天线超表面单元由一种平面圆极化微带贴片天线构成，所述超表面单元包括三层金属结构和夹在金属结构之间的两层介质基板，上层和底层金属层由圆极化微带天线的圆形微带贴片结构构成，中间金属层为中心开孔的金属地板，用来让连接上下金属层的金属化过孔通过；设置上层超表面和下层超表面中心的平面馈源天线分别为右旋圆极化天线和左旋圆极化天线，而后将两块超表面面对面放置，上层超表面使得沿+z方向入射的右旋原计划波透射，而反射左旋圆极化波；下层超表面使得沿-z方向入射的左旋圆极化波透射，而反射右旋圆极化波；这样选定某一馈源天线，其发射出的电磁波到达另一超表面后发生反射，最终透过自身所在的超表面，经过相位补偿形成高定向性波束，即可实现双向辐射折叠投射阵天线。

所使用的两种超表面单元可以在保持高效透射率的同时对同极化透射波实现覆盖360°范围的全相位调制功能，仅通过旋转单元的辐射贴片的旋转角度，而不影响反射功能的相位。