一种宽角度圆极化超表面天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种天线结构，尤其涉及一种宽角度圆极化超表面天线结构。
【背景技术】
[0002]超材料通常是将具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性或者非周期性地排列所构成的新型人工电磁材料，具有自然界中材料所不具备的性质。超表面可以等效为二维超材料，对电磁波具有很强的调控能力，可以实现极化转换，极化旋转等功能。不仅如此，将超表面应用在天线设计中，可以提高传统天线在工作带宽，方向性，辐射效率，增益等多个方面的性能，这种将超表面结构与传统天线相结合所设计的新型天线可以称为超表面天线。Chung，K.等人在2011年提出将传统的探针馈电的微带贴片天线与方形回路状超表面结合，同时实现了贴片天线在阻抗带宽和天线效率等方面性能的提高。超表面天线这一全新的概念自此而产生，并引起了研究者的极大兴趣。
[0003]圆极化天线因其在信号接收上的稳定性正广泛应用于无线射频识别，雷达，无线局域网，卫星通信和传感系统中。传统的圆极化天线通常需要在线极化天线的馈电部分加以设计来产生等幅正交的线极化波，从而产生圆极化辐射，这不仅增大了圆极化天线的设计难度，也可能使得整个天线结构更加复杂。超表面结构的应用可以简化圆极化天线的设计。在上述方形回路状超表面结构的基础上，有人设计了一种超表面结构，其单元包含一个矩形回路状金属贴片以及矩形内部的一条对角线金属条带，将此超表面结构放置在源天线附近可以将源天线辐射的线极化波转换成圆极化波。还有研究小组利用正交工字型超表面实现宽带范围内的线极化到圆极化的转换。
[0004]—系列研究成果表明利用超表面实现圆极化，尤其是宽频带圆极化是相对容易的，但是宽角度圆极化却几乎没有实现。
【发明内容】
[0005]本发明将利用超表面结构与传统半波长偶极子天线的结合，设计一种宽角度圆极化超表面天线，同时实现降低雷达散射截面的功能。
[0006]本发明的技术方案是这样实现的:
[0007]—种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于:包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线；
[0008]所述超表面结构由超表面单元在X和y方向分别按一定周期进行周期延拓构成，形成超表面单元mXn的无间隙排列结构，其中m、n均为大于等于2的自然数；所述超表面单元由介质基板、设置在介质基板一个面上的接地板和设置在介质基板另一个面上的双箭头形状的金属贴片组成。
[0009]本发明一方面利用超表面结构将偶极子天线沿-z方向的辐射波反射，并改变反射波的极化方式，由X线极化波转换成y线极化波；另一方面利用偶极子天线与超表面结构之间的距离，使得沿+z方向y极化的反射波与偶极子天线沿+z方向X极化的直射波之间产生90°的相位差。其特征在于:包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线。
[0010]对于相位差为90°的等幅正交线极化波，可以产生纯圆极化波；本发明采用的超表面结构可以将偶极子天线沿-z方向的辐射波近乎全反射，通过调整偶极子天线与超表面结构之间的距离可以使得反射波与偶极子天线的直射波之间的相位差恰好在90°附近，进而该超表面天线可以在某个频率下产生轴比接近OdB的纯度极高的圆极化波，在某个频率范围内产生轴比小于3dB的符合工程要求的圆极化波，实现了良好的圆极化功能；
[0011]本发明采用的超表面结构可以在C波段(4GHz?8GHz)实现线极化波的高效极化转换；再者，由于超表面结构实现极化转换的有效工作频段受超表面单元的几何参数控制，增大或减小超表面单元的尺寸可以使得极化转换频段向低频或高频移动，所以超表面天线具有频率易调特性。超表面单元在X和y方向的排列数量可以根据工作频段和超表面单元尺寸灵活确定。
[0012]本发明可以同时降低雷达散射截面，进一步拓展了该宽角度圆极化超表面天线的应用范围，同时为新型天线的设计提供了一种全新的思路和方案。
[0013]本发明具有如下有益效果:
[0014]1.本发明的宽角度圆极化超表面天线，一方面利用超表面结构的极化转换性质，实现了偶极子天线反射波的线极化转换；另一方面利用偶极子天线直射波与反射波的交叉极化，在偶极子天线上方空间产生圆极化辐射波，实现线极化天线到圆极化天线的转换。这种超表面天线不必设计额外的馈电结构来产生等幅正交的线极化波，简化了圆极化天线的设计过程，缩短了圆极化天线的设计周期。
[0015]2.结构简单:本发明包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方的半波长偶极子天线，超表面结构直接由mn个相同的超表面单元按mXn的方式无间隙排列组合而成，构造简单且易加工。
[0016]3.创新性强，技术前瞻性好:本发明利用传统偶极子天线与超表面结构的结合，实现了线极化天线到圆极化天线的转换，可有效降低结构的雷达散射截面，创新性强，国内外未见此类天线结构，拓展了该圆极化天线的应用范围，具有很好的技术前瞻性。
[0017]4.圆极化角度宽，性能好:本发明可在5.12?5.53GHz频段实现圆极化天线功能；在频率5.5GHz处，天线两个主平面上轴比小于3dB的角度范围可以达到123° (phi =0°，xz平面)和90° (phi = 90°，yz平面)，圆极化角度宽；在中心频率5.35GHz处，最大辐射方向轴比为0.25dB，圆极化纯度高，性能好；改变结构的几何尺寸同样可实现太赫兹波段的相应功能。
【附图说明】
:
[0018]图1是超表面天线的二维视图；
[0019]图2(a)是超表面单兀的基板顶部结构不意图；
[0020]图2(b)是超表面单兀的基板底部结构不意图；
[0021]图3是超表面结构的反射系数关于频率的变化曲线；
[0022]图4是超表面天线的S参数；
[0023]图5(a)是超表面天线最大辐射方向轴比关于频率的变化曲线；
[0024]图5(b)是5.5GHz频率下超表面天线两个主平面的轴比关于theta的变化曲线；
[0025]图6是超表面结构与金属板结构雷达散射截面的对比。
具体实施方案:
[0026]下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述:
[0027]实施例一
[0028]如图1所示，宽角度圆极化超表面天线由两个部分组成。第一部分为超表面结构，其由九个相同的横截面为正方形的超表面单元按三乘三的方式无间隙排列组合而成，沿X和y方向的周期均为P= 12毫米。超表面单元由介质基板、设置在介质基板一个面上的接地板和设置在介质基板另一个面上的双箭头形状的金属贴片组成。介质基板厚度h = 6毫米，接地板和金属贴片厚度均为t = 0.018毫米。第二部分为传统的半波长偶极子天线，长度L = 25毫米，放置在超表面结构正上方，且距离超表面上方垂直高度Η = 8毫米；
[0029]实施例二
[0030]如图2所示结构为超表面单元，双箭头形状金属贴片由中间金属条带及金属条带两端对称的“L”型金属贴片组成，整个金属贴片结构沿超表面单元的对角线放置且关于两条对角线均对称(关于超表面单元中心对称)。金属条带长度1 = 10毫米，宽度w = 1.2毫米，两端对称“L”型金属贴片长度d = 5.7毫米，宽度g = 1毫米。
[0031]如图3所示为超表面结构的反射系数，可以发现C波段同极化反射系数都在-15dB以下，交叉极化反射系数接近OdB，实现了高效率的极化转换功能。此外，超表面结构实现极化转换的有效工作频段受超表面单元的几何参数控制，增大或减小超表面单元的尺寸可以使得极化转换频段向低频或高频移动，从而超表面天线具有频率易调特性。
[0032]根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图4所示的超表面天线的回波损耗特性。在天线的工作带宽4.89?5.7GHz范围内，回波损耗均在_10dB以下。
[0033]根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图5所示的圆极化性能。图5(a)所示为最大辐射方向轴比关于频率的变化曲线，在5.12?5.53GHz范围内，轴比在3dB以下，此范围即为天线的圆极化工作带宽；在中心频率5.35GHz处，最大辐射方向轴比为0.25dB，圆极化纯度高，性能好；图5(b)为超表面天线两个主平面的轴比关于theta的变化曲线，在
5.5GHz处，天线两个主平面上轴比小于3dB的角度范围可以达到123° (phi =0°，xz平面)和90° (phi = 90°，yz平面)，实现了宽角度圆极化功能。
[0034]根据实施例二，利用电磁仿真软件可得到如图6所示的降低雷达散射截面功能。通过对比偶极子天线下方相同位置处放置超表面结构和同样大小的普通金属板结构两种情况下的单站雷达散射截面，在5?6GHz范围内，普通金属板结构的雷达散射截面从-19.ldBsm变化到-18.5dBsm,如图6中虚线所示，而超表面结构的雷达散射截面从-25dBsm变化到-37dBsm，从而超表面天线可在圆极化工作频段5.12?5.53GHz范围内有效降低雷达散射截面，且最大缩减量可达10.4dB。
【主权项】
1.一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于:包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线； 所述超表面结构由超表面单元在X和y方向分别按一定周期进行周期延拓构成，形成超表面单元mXn的无间隙排列结构，其中m、n均为大于等于2的自然数；所述超表面单元由介质基板、设置在介质基板一个面上的接地板和设置在介质基板另一个面上的双箭头形状的金属贴片组成。2.根据权利要求1所述的一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于所述超表面单元横截面为正方形。3.根据权利要求1所述的一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于超表面单元在X和y方向的排列周期相同。4.根据权利要求1所述的一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于超表面单元在X和y方向的排列数量相等。5.根据权利要求1所述的一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于:所述金属贴片和接地板厚度相同。6.根据权利要求1所述的一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于所述金属贴片由中间金属条带及金属条带两端对称的“L”型金属贴片组成，呈双箭头形状，且关于超表面单元中心对称。7.根据权利要求6所述的一种宽角度圆极化超表面天线，其特征在于金属条带位于超表面单元的对角线上。
【专利摘要】本发明提供一种宽角度圆极化超表面天线，包括超表面结构以及放置在超表面结构正上方一定高度处的半波长偶极子天线；所述超表面结构由超表面单元在x和y方向分别按一定周期进行周期延拓构成，形成超表面单元m×n的无间隙排列结构，其中m、n均为大于等于2的自然数；所述超表面单元由介质基板、设置在介质基板一个面上的接地板和设置在介质基板另一个面上的双箭头形状的金属贴片组成。本发明可以在偶极子天线上方空间产生圆极化辐射波，且通过改变超表面单元和偶极子天线的尺寸以及两者之间的垂直距离，可以使得超表面天线工作在不同的频段，具有结构简单，频率易调，圆极化角度宽，可降低雷达散射截面等一系列优点。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q1/48, H01Q21/00, H01Q15/24
【公开号】CN105305048
【申请号】CN201510710926
【发明人】李茁, 陈晨, 刘亮亮, 徐佳, 王婷婷, 许秉正, 陈新蕾, 顾长青
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2015年10月27日