一种基于极化转换超表面的波束控制天线及设计方法与流程

本发明涉及天线设计，特别是涉及一种基于极化转换超表面的波束控制天线及其设计方法。

背景技术：

1、当前，低轨卫星布局、5g近几年的迅速发展和6g的研制，使得地面终端对天线的发展提出了新的需求，各领域对天线技术要求正在向低成本、低功耗、高性能、轻量化和高可靠性的趋势发展。

2、当前许多的微波天线系统多使用相控阵天线，传统的相控阵天线设备复杂、造价昂贵，而且采用了相移器作为电路设计主要部件。由于单个相移器的价格较为昂贵，当将其布设在天线中时，由于需要多个相移器，从而极大的增加了天线的制作成本。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于极化转换超表面的波束控制天线及其设计方法，可以解决现有技术中存在的相控阵天线设备复杂、成本高的技术问题。

2、本发明提供一种基于极化转换超表面的波束控制天线，其特征在于，包括：

3、微带天线阵列，通过微带天线之间的干涉产生平面电磁波；

4、多个波束偏转单元，设置在所述微带天线阵列上方，每个所述波束偏转单元均包括一个超表面极化选择器和一个超表面偏转光栅；

5、所述超表面极化选择器用于接收平面电磁波，并改变或者维持平面电磁波波束的极化状态，所述超表面偏转光栅用于控制不同极化状态的平面电磁波波束的偏转角度。

6、优选的，所述超表面偏转光栅用于控制不同极化状态的平面电磁波波束的偏转角度，具体包括以下情况：

7、当通过超表面极化选择器的平面电磁波波束为左极化lcp电磁波时，控制波束向右偏转设定的角度；

8、当通过超表面极化选择器的平面电磁波波束为右极化rcp电磁波时，控制波束向左偏转设定的角度。

9、优选的，所述超表面极化选择器包括多个第一单元结构，所述第一单元结构为正反两面均对称设有两个弧形环状的金属铜线的pec板，且同一表面上两个金属铜线的一侧通过射频二极管相连接。

10、优选的，所述第一单元结构周期为2.25mm，高度为2mm，金属铜线的内半径为0.8mm，外半径为1mm。

11、优选的，所述超表面偏转光栅包括多个第二单元结构，所述第二单元结构包括三个pec层和两个介质层。

12、一种基于极化转换超表面的波束控制天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

13、在pec板正反两面均对称设有两个弧形环状的金属铜线，且同一表面上两个金属铜线的一侧通过射频二极管相连接，得到第一单元结构；

14、将多个第一单元结构进行排列得到超表面极化选择器；

15、通过几何相位变化对第二单元结构进行设计，第二单元结构包括三个pec层和两个介质层；

16、通过广义斯涅耳原理推导出超表面偏转光栅的相位分布函数，基于相位分布函数计算出多个第二单元结构的相位分布；

17、根据相位分布将多个第二单元结构进行排列得到超表面偏转光栅；

18、将超表面极化选择器和超表面偏转光栅上下组合形成波束偏转单元；

19、将多个微带天线进行排列得到微带天线阵列；

20、将微带天线阵列和多个波束偏转单元由上到下进行排列，得到波束控制天线。

21、优选的，所述第一单元结构周期为2.25mm，高度为2mm，金属铜线的内半径为0.8mm，外半径为1mm。

22、优选的，所述相位分布函数如下所示：

23、

24、式中，θ为入射波的偏转角度，b为常系数，kx为x方向的波矢，λ为电磁波波长。

25、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

26、本发明提出使用极化调控超表面实现传统偏转光栅的功能，通过多层的超表面极化选择器与超表面偏转光栅的叠加组合，对波束进行偏转调控，实现了对不同波段波束控制的波束偏转天线，可实现大批量生产。采用微带天线阵列产生电磁波，避免了使用相移器，大大降低了成本，减少了损耗，提高了系统的反应效率。

技术特征：

1.一种基于极化转换超表面的波束控制天线，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的波束控制天线，其特征在于，所述超表面偏转光栅(2)用于控制不同极化状态的平面电磁波波束的偏转角度，具体包括以下情况：

3.如权利要求1所述的一种基于极化转换超表面的波束控制天线，其特征在于，所述超表面极化选择器(1)包括多个第一单元结构，所述第一单元结构为正反两面均对称设有两个弧形环状的金属铜线的pec板，且同一表面上两个金属铜线的一侧通过射频二极管相连接。

4.如权利要求3所述的一种基于极化转换超表面的波束控制天线，其特征在于，所述第一单元结构周期为2.25mm，高度为2mm，金属铜线的内半径为0.8mm，外半径为1mm。

5.如权利要求3所述的一种基于极化转换超表面的波束控制天线，其特征在于，所述超表面偏转光栅(2)包括多个第二单元结构，所述第二单元结构包括三个pec层和两个介质层。

6.一种根据权利要求5所述的基于极化转换超表面的波束控制天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.如权利要求6所述的一种基于极化转换超表面的波束控制天线的设计方法，所述第一单元结构周期为2.25mm，高度为2mm，金属铜线的内半径为0.8mm，外半径为1mm。

8.如权利要求6所述的一种基于极化转换超表面的波束控制天线的设计方法，所述相位分布函数如下所示：

技术总结
本发明公开了一种基于极化转换超表面的波束控制天线及其设计方法，涉及天线设计技术领域，该天线包括：微带天线阵列，通过微带天线之间的干涉产生平面电磁波；多个波束偏转单元，设置在微带天线阵列上方，每个波束偏转单元均包括一个超表面极化选择器和一个超表面偏转光栅组成；超表面极化选择器用于接收平面电磁波，并改变或者维持平面电磁波波束的极化状态，超表面偏转光栅用于控制不同极化状态的平面电磁波波束的偏转角度。本发明的天线通过多层的超表面极化选择器与超表面偏转光栅的叠加组合，对波束进行偏转调控，可大批量生产。采用微带天线阵列产生电磁波，避免了使用相移器，大大降低了成本，减少了损耗，提高了系统的反应效率。

技术研发人员：张加坤,雷彬,邓伟,郝骁,张天佑,何少伟
受保护的技术使用者：成都锦江电子系统工程有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13