[发明专利]一种集成全息表面的高增益低剖面超材料近场透镜天线

说明书

本发明提出了一种集成全息表面的高增益低剖面超材料近场透镜天线，包括馈源(1)、超材料近场校准透镜(2)和支撑结构(3)，馈源是由周期排列的张量阻抗单元组成的全息表面和单极子构成；超材料近场校准透镜由多个基于馈源辐射近场相位分布排列的透镜单元构成，设置在距离全息表面上表面高度小于等于一倍波长处；支撑结构固定馈源和超材料近场透镜相对位置。本发明利用透镜单元对电磁波传输相位的补偿能力对由全息表面和单极子构成馈源在其辐射的近场区内进行各位置逐点补偿，实现了口径面天线在较低剖面的整体结构下的高增益辐射，可用于无线通信领域。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种集成全息表面的高增益低剖面超材料近场透镜天线，可用于无线通信领域。

技术背景

超材料透镜具有成本低、平面结构，和易于制造等优点，被广泛的应用于无线通信天线增益提升设计。超材料透镜天线设计遵循费马原理，也即光程最短原理，该原理被详细解释为当光线通过一均匀媒质时，其走过的路径为入射点和出射点两点之间的直线，该直线长度较任意其他路径的光学长度都短，基于该原理就可描述出任意均匀媒质中光的传播路径，而光也是一类电磁波。一般超材料透镜天线的工作过程就是将馈源发出的球面波经过超材料透镜后转换成平面波，通过具有不同相位补偿能力的透镜单元组成超材料透镜，再由该透镜将由馈源在焦点位置发出的球面波进行相位补偿后转换成平面波，实现高增益辐射。透镜所在位置和馈源所在焦点位置的直线距离称为焦距，当透镜口径大小一定时，焦距越大，透镜上需要补偿的相位变化越平缓，越容易进行相位补偿，但透镜天线系统的剖面越高。衡量透镜天线结构特征的参数为焦径比，即焦距与透镜口径大小的比值。目前超材料透镜天线的焦径比一般为0.5左右。如授权公告号为CN108110435B，名称为“单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线”的中国专利，公开了一种通过加载介质平面透镜使得工作在毫米波波段圆极化喇叭获得更高增益的天线，同样依据费马原理，该发明通过利用不同通孔半径的圆形通孔阵列单元的相位补偿能力，对圆极化喇叭天线发射球面电磁波进行相位补偿，实现波束校准，进而达到提高作为馈源的喇叭天线原本增益的目的，焦径比为0.59。另外通过利用折叠天线的设计思路，使用反射镜和透射镜对馈源发出的球面波进行多次反射和透射形式的相位校准，能够将天线系统的剖面高度降到口径大小的1/3，但对于10倍口径的高增益透镜天线来说，依然存在较高的剖面高度。通过分析球面波传播路径得到口径面上相位分布进而进行相位补偿实现高增益的此类口径面天线始终具有剖面较高的特点。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种集成全息表面的高增益低剖面超材料近场透镜天线，旨在实现透镜天线高增益辐射的同时，降级天线剖面高度。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括馈源1和超材料近场校准透镜2；所述超材料近场校准透镜2包括设置在三维坐标系XOY平面内周期性排布的m×n个透镜单元21，所述透镜单元21包括板面中心设置有不同大小的圆形通孔212的方形第一介质基板211；

所述馈源1包括全息表面11以及设置在其中心位置的单极子12；所述全息表面11由设置在三维坐标系XOY平面内周期性排布的m×n个张量阻抗单元111组成；所述张量阻抗单元111，包括方形第二介质基板1111、印制在第二介质基板1111上表面的非中心对称结构金属贴片1112和下表面的金属地板1113；

所述超材料近场校准透镜2设置在全息表面11的上方，且超材料近场校准透镜2的下表面与全息表面11上表面之间的距离为H，该超材料近场校准透镜2所包含的每个透镜单元21中的圆形通孔212的半径R₁，是根据该透镜单元21所处位置需补偿的相位值ρ_补偿(x,y)确定的：

ρ_补偿(x,y)＝-4.74R₁³-8.85R₁²-37.71R₁+201