[发明专利]一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法

说明书

本发明公开了一种角度不敏感宽带天线罩及其设计方法，天线罩包括高反射率内芯、紧贴内芯上下表面的介质抗反射超表面以及一个窄波束线极化馈源。抗反射超表面由参数各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据天线罩内芯的形状以及与馈源的位置关系确定超表面单元的排布方式。根据内芯的相对介电常数与电磁波入射角，内芯的上下表面被加载不同厚度以及介电常数的梯度介质超表面。入射电磁波在抗反射超表面当中多次的干涉相消，从而减小电磁波的反射。本发明实现了对任意入射角的天线罩透过率性能的提升，验证了其在指定频段内的宽带与角度不敏感特性，具有很高的应用价值。

技术领域

本发明属于新型人工电磁材料领域，具体涉及一种角度不敏感宽带天线罩及其设计方法。

背景技术

传统天线罩的设计可以分为两种情况，分别是单层罩与三明治型夹层罩。单层天线罩具有结构简单，成本低等特点，但为了得到最佳传输效率，壁厚需为半波长的整数，并且随着厚度的增加，带宽减小，角度稳定性变差，这就对天线罩的几何设计有更高的要求。夹层天线罩是在单层天线罩的两面加载等厚度的介质匹配层来提高电磁透过率以及带宽。该介质匹配层仅仅对一定范围的入射角有效果，随着入射角的增大，匹配层的效果逐渐降低，反射能量逐渐增高。但随着天线技术的发展，天线的性能在不断提高，功能更加丰富，这就对了天线罩的性能有了更高的要求。如何解决天线罩的角度敏感性是天线罩设计面临的一个重要问题。

超表面是由亚波长平面结构按照一定规律周期排列的二维超材料，由于对电磁波振幅和相位的灵活调控近年来受到广泛的关注。通过对结构和尺寸的合理设计，超表面可以在一定范围内实现任意等效介电常数，这大大增加了天线罩抗反射层的设计自由度。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种宽带的角度不敏感天线罩及其设计方法，该方法能增加天线罩带宽和角度稳定性、设计简便、加工成本低、质量轻。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明的一种角度不敏感宽带天线罩包括宽带的角度不敏感抗反射超表面、高反射率内芯和一个窄波束线极化馈源；其中，在高反射率内芯的上下两表面分别设置宽带的角度不敏感抗反射超表面，窄波束线极化馈源的极化方向与宽带的角度不敏感抗反射超表面的电磁波入射面垂直放置，使天线罩接收TE极化扫描波束；角度不敏感抗反射超表面由等效介电常数和厚度各不相同的各向同性透射式介质超表面单元组成，根据本文推导的斜入射四分之一波长匹配公式，不同位置处透射式介质超表面单元的等效介电常数和厚度由该位置处的电磁波入射角确定，根据高反射率内芯的相对介电常数与电磁波入射角，高反射率内芯的上下表面被加载了不同厚度以及介电常数的宽带的角度不敏感抗反射超表面入射电磁波在该超表面当中多次的干涉相消，从而减小了电磁波的反射。

所述透射式介质超表面单元为亚波长尺寸的通孔介质结构，所用介质基板为常用微波高频介质基板。

所述高反射率内芯为均匀厚度陶瓷板，该陶瓷板厚度为陶瓷介质的半波长的整数以达到最大电磁波透过率。

所述的窄波束线极化馈源为半功率波束宽度角在8°以内的窄波束线极化馈源；馈源的极化方向与电磁波入射面垂直时，天线罩接收TE极化波扫描，将馈源沿主轴旋转90°，天线罩则接收TM极化波扫描。

所述的窄波束线极化馈源通过机械旋转馈源实现动态的波束扫描，扫描角为0-60°。

所述天线罩接受TE极化扫描波束，在波束扫描范围内，天线罩接收电磁波的入射角在某一区间变化；所需的透射式介质超表面单元的等效介电常数在ε1-ε2之间；等间隔选取8个不同等效介电常数值并确定介质超表面单元的尺寸；通过对这8种介质超表面单元的合理排布可实现宽带、宽角特性的抗反射超表面。

所述宽带的角度不敏感抗反射超表面的厚度随着入射角的增大而连续增大。