[发明专利]一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线及方法

说明书

本发明公开了圆极化天线领域的一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线及方法，包括堆叠设置的上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板上设置有用于输入能量至耦合缝隙的馈电网络；所述上层介质基板一侧设置有L型超表面单元；所述L型超表面单元包括呈中心对称的两个L型贴片；所述两个L型贴片之间设置有蚀刻缝隙，且两L型贴片以蚀刻缝隙为轴线对称设置；所述蚀刻缝隙相对x轴和y轴倾斜设置；本发明通过改变拐角改善后续圆极化天线的轴比带宽，通过蚀刻缝隙实现超表面结构的极化扭转特性，具有轴比带宽宽、尺寸紧凑和结构简单的特点。

技术领域

本发明属于圆极化天线技术领域，具体涉及宽带紧凑型圆极化天线及方法。

背景技术

圆极化天线因其能够有效减小多径反射的影响、抑制雨雾等天气带来的去极化效应、消除电离层的法拉第旋转效应等特点，被广泛应用于卫星通信系统中。但随着无线系统对大信道容量的需求，多个业务系统需同时满足，宽带化已成为目前圆极化天线的主要设计目标。其中，微带贴片天线是最简单也最受欢迎的实现圆极化波的天线形式。该类天线具有剖面低、重量轻、成本低，易与印刷电路兼容等优点。但是，其阻抗带宽与轴比带宽均较窄、增益也比较低。虽然目前已有许多技术可以克服这一缺点，比如加载U型缝隙、加载寄生结构、采用非接触式容性馈电、加载背腔或是增加介质基板的厚度等，但这些方法也存在剖面高或带宽提升有限等问题。

另外，近年来，超表面结构(Metasurface,MS)因其能够调控电磁波的独特电磁特性而被广泛应用于天线中以改善性能。因此，超表面结构也常用于实现宽带低剖面的圆极化天线。超表面结构在降低天线剖面、扩展轴比带宽等方面有非常大的发展前景，但其存在带宽扩展困难、结构尺寸不紧凑的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线及方法，采用互补L型极化扭转超表面结构，通过改变拐角改善后续圆极化天线的轴比带宽，通过蚀刻缝隙实现超表面结构的极化扭转特性，具有轴比带宽宽、尺寸紧凑和结构简单的特点。

为达到上述目的，第一方面本发明所采用的技术方案是：

一种基于超表面的宽带紧凑型圆极化天线，包括堆叠设置的上层介质基板和下层介质基板；所述上层介质基板和下层介质基板之间设置有金属地板；所述金属地板设有耦合缝隙；所述下层介质基板上设置有用于输入能量至耦合缝隙的馈电网络；所述上层介质基板远离下层介质基板一侧设置有超表面结构；

所述超表面结构上设置有多个L型超表面单元，各L型超表面单元沿x轴方向和y轴方向阵列分布；所述L型超表面单元包括呈中心对称的两个L型贴片；所述两个L型贴片之间设置有蚀刻缝隙，且两L型贴片以蚀刻缝隙为轴线对称设置；所述蚀刻缝隙相对x轴和y轴倾斜设置。

优选的，所述L型贴片的拐角外侧设置为圆角。

优选的，所述金属地板设有一个或者两个耦合缝隙。

优选的，所述蚀刻缝隙相对x轴倾斜角度为45度或-45度。

优选的，所述馈电网络的输出端延伸至耦合缝隙；所述馈电网络的输入端设置为微带线；所述微带线设置于下层介质基板远离上层介质基板的一侧。

优选的，所述上层介质基板和下层介质基板的介电常数为[2.2,10.2]，上层介质基板的厚度h₁和下层介质基板的厚度h₂范围为[0.001λ₀,0.1λ₀]；λ₀为自由空间波长。

优选的，相邻的两个L型超表面单元之间间隙宽度g₀为[0.001λ₀,0.02λ₀]，蚀刻缝隙的宽度g₁为[0.001λ₀,0.02λ₀]。