一种加载超构表面的宽带高增益圆极化喇叭天线

一种加载超构表面的宽带高增益圆极化喇叭天线
1.技术领域：
2.本实用新型涉及一种加载超构表面的宽带高增益圆极化喇叭天线。
3.

背景技术：

4.在卫星通信系统中，高效率、高增益的收发天线是其能够正常工作的先决条件。作为应用最为广泛的天线形式，口径天线的尺寸一般比波长大得多，特别适合于在微波波段形成高增益的笔形波束。圆极化天线在无线通信的多个领域中扮演着重要角色。其与线极化天线相比，不仅可以接收与自身旋向相同的圆极化波，同时还可以接收线极化波和椭圆极化波。与其他圆极化天线相比，圆极化喇叭天线方向性良好，并且工作频带较宽，在通信与导航制导等领域有着十分广泛的应用。
5.而圆极化的喇叭天线需要在普通喇叭天线的输出口增加圆极化器来实现，圆极化器是形成振幅相等，相位相差90
°
的空间正交电场矢量的微波元器件。传统喇叭天线的圆极化形成主要取决于圆极化器，常见的有螺钉圆极化器、隔板圆极化器和介质板圆极化器等。使用这些圆极化器所设计的喇叭天线都有频带较窄、尺寸过大、加工不易和成本较高等缺点。
6.2007年施洋等人发表《8mm波导螺钉圆极化器的设计与优化》提出了在圆波导中对称的插入两排螺钉形成螺钉圆极化器从而构造圆极化喇叭天线的设计。但是其频带较窄，不易加工，且成本较高。
7.2017年史俊等人发表《k 波段低轴比的隔板式极化器》提出了一种 k 波段低轴比的隔板式圆极化器的设计、加工和测试过程。该天线设计了盖板式机械结构，在相对较宽的频带范围内得到了很低的轴比，圆极化性能良好。但其复杂的设计方法使得天线体积较大，而且给加工带来了很大的麻烦。
8.综上，现阶段很多圆极化喇叭天线的设计都很繁琐，且加工极其不方便，本身的线极化喇叭天线也不能重复利用。
9.

技术实现要素：

10.本实用新型针对上述现有技术存在的问题做出改进，即本实用新型所要解决的技术问题是提供一种加载超构表面的宽带高增益圆极化喇叭天线，设计合理，不明显增加原线极化喇叭的尺寸和重量，加工方便。
11.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种加载超构表面的宽带高增益圆极化喇叭天线，包括从下往上依次设置的同轴波导转换器、方波导口转圆波导口适配器、线极化喇叭天线以及两层超构表面，所述同轴波导转换器的侧面设置有同轴馈电接头，同轴波导转换器与方波导口转圆波导口适配器之间、方波导口转圆波导口适配器与线极化喇叭天线之间均通过法兰连接；两层超构表面上下分布且设置在线极化喇叭天线的喇叭口径端，两层超构表面分别为上层超构表面和下层超构表面，所述上层超构表面由若干线转圆极化单元排布组成；所述下层超构表面由若干相位补偿单元排布组成。
12.进一步的，所述线极化喇叭天线的喇叭口径端连接有喇叭口径延伸固定环，所述上层超构表面固定在喇叭口径延伸固定环上，上层超构表面与喇叭口径延伸固定环的上表
面齐平；所述下层超构表面紧贴线极化喇叭天线的喇叭口径面。
13.进一步的，所述上层超构表面与下层超构表面之间留有空隙，若干线转圆极化单元是相同单元顺序排布；若干相位补偿单元是按照相位补偿分布顺序排布。
14.进一步的，所述线转圆极化单元包括上层介质板，所述上层介质板的上端面和下端面均蚀刻有一对金属条，上层介质板上端面的一对金属条和下端面的一对金属条呈正交分布，上层介质板上端面的一对金属条呈、左右分布，上层介质板下端面的一对金属条呈前、后分布；所述上层介质板的上端面和下端面中部均蚀刻有z型金属贴片，上层介质板上端面和下端面的z型金属贴片呈手性对称分布。
15.进一步的，所述上层介质板的厚度为工作频带中心频率自由空间波长十二分之一。
16.进一步的，所述相位补偿单元包括上下分布的下层介质板a和下层介质板b，所述下层介质板a的上端面和下层介质板b的下端面均蚀刻有金属光栅，下层介质板a上端面的金属光栅和下层介质板b下端面的金属光栅呈正交分布；所述下层介质板a和下层介质板b之间蚀刻有双缺口环单元。
17.进一步的，所述双缺口环单元具有从-180
°
~180
°
以45度为相位梯度差的3比特八个相位校正超构表面单元，八个相位校正超构表面单元的偏转角度均为
±
45度。
18.进一步的，所述下层介质板a和下层介质板b的厚度均为工作频带中心频率自由空间波长十六分之一。
19.进一步的，所述线极化喇叭天线采用圆锥线极化喇叭天线，所述圆锥线极化喇叭天线的大端开口平面为圆形状。
20.与现有技术相比，本实用新型具有以下效果：
21.（1）线极化喇叭天线采用传统的圆锥喇叭天线，设计过程简单，加工方便；而且设计了喇叭口径延伸固定环，便于装配超构表面且可以重复利用，装载不同的超构表面从而设计不同性能的喇叭天线；
22.（2）超构表面设计简单，加工方便，且造价低；
23.（3）相位补偿单元共设计了从-180
°
~180
°
以45度为相位梯度差的3比特八个相位校正超构表面单元，可以用于喇叭天线进行相位补偿，从而实现高增益低副瓣的圆极化喇叭天线，yoz面的副瓣基本低于-26db；且所设计的圆极化喇叭天线的轴比带宽较宽，解决了传统圆极化喇叭天线带宽较窄的问题；所设计的圆极化喇叭天线的增益也较高；
24.（4）本实用新型专利中的宽带高增益圆极化喇叭天线的设计具有很强的普适性，对于任意频段和任意形状的线极化喇叭天线，只要根据参数需求在喇叭口径面上或者内部加载与线极化喇叭天线口径面形状相吻合的线转圆极化超构表面，就可以将发射的线极化波转换为圆极化波；且依然可以通过相位补偿的方式将球面波转化为平面波，降低副瓣，所采用的线转圆极化超构表面天线单元也可以采用任意相位补偿精度的单元对球面相位波前进行补偿。
25.附图说明：
26.图1是本实用新型实施例的立体构造示意图；
27.图2是图1中两层超构表面的构造示意图；
28.图3是线转圆极化单元和相位补偿单元的立体构造示意图；
29.图4是图3的主视构造示意图；
30.图5是线转圆极化单元的俯视构造示意图；
31.图6是相位补偿单元中双缺口环单元的构造示意图；
32.图7是相位补偿单元的3比特的八个相位和透射系数曲线；
33.图8是相位补偿单元的3比特的八个相位轴比曲线；
34.图9是本实用新型实施例设计过程中相位补偿分布图；
35.图10是本实用新型实施例在11ghz-15ghz下的s11参数随频率变化曲线；
36.图11是本实用新型实施例在11ghz-15ghz下的轴比随频率变化曲线；
37.图12是本实用新型实施例在11ghz-15ghz下的增益随频率变化曲线
38.图13是本实用新型实施例在12.5ghz下xoz面归一化方向图；
39.图14是本实用新型实施例在12.5ghz下yoz面归一化方向图。
40.图中：
41.1-同轴馈电接头；2-同轴波导转换器；3-方波导口转圆波导口适配器；4-线极化喇叭天线；5-法兰；6-喇叭口径延伸固定环；7-上层超构表面；8-下层超构表面；9-金属条；10-z型金属贴片；11-金属光栅；12-双缺口环贴片；13-上层介质板；14-下层介质板a；15-下层介质板b；16-线转圆极化单元；17-相位补偿单元；18-螺丝孔。
42.具体实施方式:
43.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
44.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语
“ꢀ
纵向”、
“ꢀ
横向”、
“ꢀ
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，仅是为了便于描述本实用新型，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。
45.如图1～6所示，本实用新型一种加载超构表面的宽带高增益圆极化喇叭天线，包括从下往上依次设置的同轴波导转换器2、方波导口转圆波导口适配器3、线极化喇叭天线4以及两层超构表面，所述同轴波导转换器2的侧面设置有同轴馈电接头1，同轴波导转换器2与方波导口转圆波导口适配器3之间通过法兰5连接在一起，同轴馈电线外接馈电接头1，对喇叭天线进行馈电；方波导口转圆波导口适配器3与线极化喇叭天线4之间也通过法兰5连接在一起，用于辐射电磁波；两层超构表面上下分布且设置在线极化喇叭天线4的喇叭口径端，两层超构表面分别为上层超构表面7和下层超构表面8，所述上层超构表面7由若干线转圆极化单元16排布组成；所述下层超构表面8由若干相位补偿单元17排布组成。该圆极化喇叭天线通过在传统线极化圆锥喇叭口径面上加载一个超构表面线圆极化变换器，并利用相位补偿原理从而设计出的宽带高增益圆极化喇叭天线，解决了传统圆极化喇叭天线所存在的频带窄、尺寸庞大、重量大且不易加工等问题。
46.本实施例中，所述线极化喇叭天线4的喇叭口径端连接有喇叭口径延伸固定环6，所述上层超构表面7固定在喇叭口径延伸固定环6上，上层超构表面7与喇叭口径延伸固定环6的上表面齐平；所述下层超构表面8紧贴线极化喇叭天线4的喇叭口径面。
47.本实施例中，所述上层超构表面7与下层超构表面8之间留有空隙，若干线转圆极化单元是相同单元顺序排布；若干相位补偿单元是按照相位补偿分布顺序排布。应说明的
是，线转圆极化单元和相位补偿单元均是按照线极化喇叭天线的喇叭口径面的实际大小进行周期排列而成的阵列。
48.本实施例中，所述上层超构表面7和下层超构表面8的边沿均设计了八个呈圆周均布的螺丝孔18，以便装载在喇叭口径端上。为了减小金属对电磁波的影响，固定超构表面的螺丝采用尼龙螺丝。所述线转圆极化单元包括上层介质板，所述上层介质板的上端面和下端面均蚀刻有一对金属条，上层介质板上端面的一对金属条和下端面的一对金属条呈正交分布，上层介质板上端面的一对金属条呈、左右分布，上层介质板下端面的一对金属条呈前、后分布；所述上层介质板的上端面和下端面中部均蚀刻有z型金属贴片，上层介质板上端面和下端面的z型金属贴片呈手性对称分布。
49.本实施例中，上层超构表面7是线转圆极化超构表面，如图3所示，组成上层超构表面7的线转圆极化单元包括厚度为工作频带中心频率自由空间波长十二分之一的上层介质板13，所述上层介质板13的上、下端面均蚀刻有一对金属条9，上层介质板13上端面的一对金属条9和下端面的一对金属条9呈正交分布，上层介质板13上端面的一对金属条9呈、左右分布且呈纵向设置，上层介质板13下端面的一对金属条9呈前、后分布且呈横向设置；所述上层介质板13的上端面和下端面中部均蚀刻有z型金属贴片10，上层介质板13上端面和下端面的z型金属贴片10呈手性对称分布。
50.本实施例中，所述下层超构表面8是相位补偿功能的超构表面，如图3所示，组成下层超构表面8的相位补偿单元包括上下分布的下层介质板a14和下层介质板b15，下层介质板a和下层介质板b压制在一起，下层介质板a14和下层介质板b15的厚度均为工作频带中心频率自由空间波长十六分之一，所述下层介质板a14的上端面和下层介质板b15的下端面均蚀刻有金属光栅11，下层介质板a14上端面的金属光栅11和下层介质板b15下端面的金属光栅11呈正交分布；所述下层介质板a14和下层介质板b15之间蚀刻有双缺口环单元12。通过改变双缺口环单元12的外环半径及方块大小等尺寸和缺口偏转角度从而设计出从-180
°
~180
°
以45度为相位梯度差的3比特相位的八个相位校正超构表面单元，从而满足相位补偿要求。首先改变某四个相位校正超构表面单元的金属双缺口环12的尺寸，保持+45
°
的偏转角度不变，设计出从-180
°
~-45
°
以45度为相位梯度差的四个相位校正超构表面单元，然后将该四个相位校正超构表面单元的双缺口环偏转角度调整为-45
°
，以产生与所调单元有180度相位差的从0
°
~135
°
以45
°
为相位梯度差的另四个相位校正超构表面单元，从而完成八的相位校正超构表面单元的设计。
51.本实施例中，所述加载的相位补偿超构表面单元不局限于3比特的设计，还可以用2比特等任意精确度的离散相位补偿单元对线极化喇叭天线口径面的球面波前进行补偿从而设计出低副瓣的圆极化喇叭天线。
52.本实施例中，所述线极化喇叭天线4采用圆锥线极化喇叭天线，所述圆锥线极化喇叭天线的大端开口平面为圆形状。圆锥线极化喇叭天线4设计简单，不局限于圆锥喇叭，可适用于其他任意形状的喇叭天线，只需要根据要求读取喇叭口径面上的相位分布，并根据此相位分布用所设计的超构表面单元进行补偿并按顺序排列成和喇叭口径面相契合的超构表面阵列最后加载在线极化喇叭的口径面上，就可以设计出高增益低副瓣的圆极化喇叭天线。
53.应说明的是，所设计的圆锥线极化喇叭天线和超构表面的尺寸是根据所需要的频
段而定的。
54.本实施例中，上层介质板13和下层介质板a14、下层介质板b15的介电常数为2.55，损耗角正切为0.0015，且均可以由印刷电路板制成，成本低且易加工。
55.本实施例中，所述加载超构表面的圆极化喇叭天线不局限于ku波段，而且可设计在各个频段，且其圆极化带宽、增益大小等指标都可以根据具体的需求而设计出类似喇叭天线。且所述加载超构表面的圆极化喇叭天线所用的线极化喇叭天线不止局限于圆锥喇叭，也适用于其它包括角锥喇叭等任意形状的喇叭，只要根据设计在其内部或者喇叭口面上加载线转圆极化超构表面，就可以将发射的线极化波转换为圆极化波，且依然可以通过相位补偿的方式将球面波转化为平面波，降低副瓣。
56.工作时，从喇叭发射的线极化电磁波经过下层超构表面8时进行相位补偿和90
°
极化旋转，再通过上层超构表面7产生圆极化波，从而将喇叭的线极化波转换为圆极化。且由于进行了相位补偿故由同轴波导转换器2，方波导口转圆波导口适配器3和圆锥线极化喇叭天线4形成的类球面波经过所述的两层超构表面7和超构表面8后电磁波转为类平面波，降低了副瓣。
57.图4是线转圆极化单元和相位补偿单元的主视构造示意图，显示为两条金属条和z型贴片；图5是线转圆极化单元的俯视构造示意图；图6是相位补偿单元中双缺口环单元结构示意图。
58.图7是所设计的下层相位补偿超表面8在垂直入射波下的传输幅度和传输相位曲线。横轴为频率，左纵轴为传输相位，右纵轴是传输幅度系数，可以看出在11-14.5ghz的频率范围内实现了90%以上的传输幅度，传输效率高；在11-15ghz频率范围内，八个单元的相位曲线与频率成正比，且可以看出所设计的3比特八个单元之间相位梯度差为45
°
。图8是所设计的3bit单元产生圆极化的轴比图，横轴为频率，纵轴为轴比系数，3-db轴比带宽在11.8-14.5ghz范围内，圆极化性能较好，圆极化带宽较宽。
59.图9是读取圆锥线极化喇叭天线4口径面的相位分布，并用matlab算出的超构表面透镜的相位补偿分布图，其颜色代表不同的补偿相位。因为所用的是圆口径喇叭天线，所以实际需要的相位补偿数据都在黑色圆圈内。所述的下层超构表面中间的双缺口环分布就是按照图9的相位分布来排列的。
60.图10是该圆极化喇叭天线在11ghz至15ghz范围内自反射系数s11随频率变化曲线，由图可知，s11在11ghz-15ghz范围内基本在-10db以下。说明所述的圆极化喇叭天线的阻抗匹配性能良好。
61.图11是该圆极化喇叭天线在11ghz至15ghz范围内轴比随频率变化曲线，由图可知，该天线在11.5ghz-14.7ghz范围内轴比均在3db以下，轴比带宽约为23.7%，实现了线极化到圆极化的转换且带宽较宽。
62.图12是该圆极化喇叭天线和线极化圆锥喇叭天线在11ghz至15ghz范围内增益随频率变化曲线，由图可知，加载超构表面7和超构表面8的线极化喇叭天线的最大增益约为19.4dbi，对于线极化喇叭天线其最大增益约为7.5dbi。所述的加载超构表面的圆极化喇叭天线的增益比原喇叭增加了约2dbi。
63.图13是12.5ghz下该圆极化喇叭天线xoz面的归一化方向图，副瓣电平为-16db；图14为12.5ghz下本实用新型圆极化喇叭天线yoz面的方向图，副瓣电平为-26db。
64.该加载超构表面的圆极化喇叭天线通过在所设计的线极化圆锥喇叭天线的口径面上加载上层超构表面7和下层超构表面8实现的。通过设计线转圆极化超构表面单元和相位补偿超构表面单元，利用相位补偿原理，设计了一款宽带高增益圆极化喇叭天线。优点是不明显增加原线极化喇叭的尺寸和重量，易装配和造价低。
65.作为另一个实施例，所述线转圆极化超构表面单元结构可以任意更换，只需在所设计的需求范围内满足但不限于线圆极化的转换功能和相位补偿功能等，就可以加载在线极化喇叭口径面上完成线圆极化波的转换。
66.本实用新型的优点在于：
67.（1）所使用的线极化喇叭天线是所设计的传统圆锥喇叭天线，设计过程简单，加工方便；而且设计了喇叭口径延伸固定环，便于装配超构表面且可以重复利用，装载不同的超构表面从而设计不同性能的喇叭天线；
68.（2）超构表面设计简单，加工方便，且造价低；
69.（3）下层超构表面的相位补偿单元共设计了从-180
°
~180
°
以45度为相位梯度差的3比特八个相位校正超构表面单元，可以用于喇叭天线进行相位补偿，从而实现高增益低副瓣的圆极化喇叭天线，yoz面的副瓣基本低于-26db；且所设计的圆极化喇叭天线的轴比带宽较宽，解决了传统圆极化喇叭天线带宽较窄的问题；所设计的圆极化喇叭天线的增益也较高；
70.（4）所设计的加载超构表面的圆极化喇叭天线相对于传统圆极化喇叭天线的s11带宽和轴比带宽较宽，增益较高；
71.（5）所设计的宽带高增益圆极化喇叭天线的设计具有很强的普适性，对于各种频段或任意形状的喇叭天线，只需要根据要求读取喇叭口径面上的相位分布，并根据此相位分布用所设计的超构表面单元进行补偿，并按顺序排列成和喇叭口径面相契合的超构表面阵列，最后加载在线极化喇叭的口径面上，就可以设计出高增益低副瓣的圆极化喇叭天线。且依然可以通过相位补偿的方式将球面波转化为平面波，降低副瓣，所采用的线转圆极化超构表面天线单元也可以采用任意相位补偿精度的单元对球面相位波前进行补偿。
72.本实用新型如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接(例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构(例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
73.另外，上述本实用新型公开的任一技术方案中所应用的用于表示位置关系或形状的术语除另有声明外其含义包括与其近似、类似或接近的状态或形状。
74.本实用新型提供的任一部件既可以是由多个单独的组成部分组装而成，也可以为一体成形工艺制造出来的单独部件。
75.最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本实用新型技术方案的精神，其均应涵盖在本实用新型请求保护的技术方案范围当中。