阴面相位梯度超表面结构

1.本发明涉及射频天线技术领域，尤其涉及一种阴面相位梯度超表面结构。


背景技术：

2.相位梯度超表面由于具有良好的电磁特性而引起了广大科研工作者的兴趣，特别是将其作为辐射体形成新型天线也正成为一个研究热点。目前，将常规相位梯度超表面作为辐射体所采用的馈电技术有矩形波导、波纹金属带、类平行板波导和平面喇叭等技术。其对馈电技术要求高且耦合效率低。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种阴面相位梯度超表面结构，旨在解决现有技术中常规相位梯度超表面对馈电结构要求高且耦合效率低的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种阴面相位梯度超表面结构，包括馈电结构和阴面相位梯度超表面单元结构，所述阴面相位梯度超表面单元结构嵌入所述馈电结构的顶部；
5.所述阴面相位梯度超表面单元结构包括第一阴面单元、第二阴面单元和第三阴面单元，所述第一阴面单元、所述第二阴面单元、所述第三阴面单元依次嵌入所述馈电结构的顶部，且所述第一阴面单元、所述第二阴面单元、所述第三阴面单元均位于所述馈电结构的顶部宽边的中轴线上。
6.其中，所述馈电结构包括sma连接器和波导，所述波导的材料为金属，所述波导内部具有容纳腔，所述波导和所述容纳腔均为长方体，所述sma连接器的一端嵌入所述波导的底部，所述sma连接器的馈电探针的一端贯穿所述波导的底部，位于所述容纳腔的内部。
7.其中，所述容纳腔的内部填充空气。
8.其中，所述第一阴面单元的厚度、所述第二阴面单元的厚度、所述第三阴面单元的厚度均与所述波导顶部至所述容纳腔内顶壁的距离相同。
9.其中，所述第二阴面单元与第一阴面单元的距离为14mm，所述第二阴面单元与所述第三阴面单元的距离为14mm。
10.其中，所述波导长为61mm，宽为20mm，高为7mm。
11.其中，所述波导顶部至所述容纳腔内顶壁的距离为1mm。
12.本发明的有益效果：根据巴比涅原理，本发明提出一种与常规相位梯度超表面结构互补的所述阴面相位梯度超表面结构，即去掉原本常规单元中的金属部分，而将原本非金属部分填充为金属，利用缝隙辐射的原理引入相位梯度超表面，可以对辐射的电磁波进行调控。仿真结果表明所述阴面相位梯度超表面具有传统相位梯度超表面相似的电磁特性，若合理组成阵列可提高缝隙单元辐射的方向性。
附图说明
13.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构的三维结构示意图。
15.图2是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构的俯视图。
16.图3是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构的侧视图。
17.图4是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构单元结构的示意图。
18.图5是图4阴面相位梯度超表面结构单元结构的反射系数幅值和相位随频率变化的曲线图。
19.图6是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构的反射系数随频率变化的曲线图。
20.图7是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构在12.5ghz下e面的方向图。
21.图8是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构在13.5ghz下e面的方向图。
22.图9是本发明提供的阴面相位梯度超表面结构在15.5ghz下e面的方向图。
23.1-馈电结构、2-阴面梯度超表面单元结构、11-sma连接器、12-波导、21-第一阴面单元、22-第二阴面单元、23-第三阴面单元、111-馈电探针、121-容纳腔。
具体实施方式
24.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
25.在发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，在发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
26.请参阅图1至图9，本发明提供了一种阴面相位梯度超表面结构，包括馈电结构1和阴面相位梯度超表面，所述阴面相位梯度超表面单元结构2嵌入所述馈电结构1的顶部；
27.所述阴面相位梯度超表面单元结构2包括第一阴面单元21、第二阴面单元22和第三阴面单元23，所述第一阴面单元21、所述第二阴面单元22、所述第三阴面单元23依次嵌入所述馈电结构1的顶部，且所述第一阴面单元21、所述第二阴面单元22、所述第三阴面单元23均位于所述馈电结构1的顶部宽边的中轴线上。
28.进一步地，所述馈电结构1包括sma连接器11和波导12，所述波导12的材料为金属，所述波导12内部具有容纳腔121，所述波导12和所述容纳腔121均为长方体，所述sma连接器11的一端嵌入所述波导12的底部，所述sma连接器11的馈电探针111的一端贯穿所述波导12的底部，位于所述容纳腔121的内部。
29.进一步地，所述容纳腔121的内部填充空气。
30.进一步地，所述第一阴面单元21的厚度、所述第二阴面单元22的厚度、所述第三阴
面单元23的厚度均与所述波导12顶部至所述容纳腔121内顶壁的距离相同。
31.进一步地，所述第二阴面单元22与第一阴面单元21的距离为14mm，所述第二阴面单元22与所述第三阴面单元23的距离为14mm。
32.进一步地，所述波导12长为61mm，宽为20mm，高为7mm。
33.进一步地，所述波导12顶部至所述容纳腔121内顶壁的距离为1mm。
34.在实施方式中，所述波导12的能够覆盖所述阴面相位梯度超表面的谐振频点，所述sma连接器11的馈电探针111的长度会影响天线的s11，优化得到所述馈电探针111的长度的最佳值。所述第一阴面单元21的形状、所述第二阴面单元22形状、所述第三阴面单元23形状均为“i”型结构，三者的外半径均为6mm，内半径均为4.5mm。所述波导12内部的空气作为所述阴面相位梯度超表面的介质，所述容纳腔121的内底壁作为所述阴面相位梯度超表面的金属地面。所述第一阴面单元21、所述第二阴面单元22和所述第三阴面单元23组成一个弱相位梯度从而可以调控从所述波导12中辐射出来的电磁波。本发明实施例中天线在阻抗带宽范围内的不同频率处的波束方向偏转角度不一致，呈现频率扫描的特性，与传统的相位梯度超表面的特性相似。
35.图5是第一阴面单元21、第二阴面单元22和第三阴面单元23在11ghz～17ghz的频率范围内的交叉极化反射系数幅值和相位随频率变化的曲线图。从图中我们可以知道，阴面相位梯度超表面的开口谐振环大小、内半径大小和单元的旋转方向都会改变其反射相位，通过选取三组不同的值来获取相位差为120
°
的三个阴面相位梯度超表面单元。但由于有反射板的存在，尺寸的改变对反射系数幅值影响不大，三个单元的反射系数幅值在阻抗带宽范围内几乎一直大于0.7。
36.图6为本发明提供的所述波导12馈电的所述阴面相位梯度超表面结构在11ghz～17ghz的频率范围内的反射系数随频率变化的曲线图。可以看到，本实施例中的天线的阻抗带宽为12.3ghz～14.2ghz和15.3ghz～16.0ghz。
37.图7至图9分别为本发明提供的所述阴面相位梯度超表面结构在频率为12.5ghz、13.5ghz和15.5ghz三个频率处的e面方向图和实际增益。从图中可以看到，不同频点的e面方向图的最大辐射方向的角度有所不同，具有一定的频率扫描能力。
38.根据巴比涅原理，本发明提出一种与常规相位梯度超表面结构互补的所述阴面相位梯度超表面结构，即去掉原本常规单元中的金属部分，而将原本非金属部分填充为金属，利用缝隙辐射的原理引入相位梯度超表面，可以对辐射的电磁波进行调控。仿真结果表明所述阴面相位梯度超表面具有传统相位梯度超表面相似的电磁特性，若合理组成阵列可提高缝隙单元辐射的方向性。以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。