一种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及反射面天线技术领域，具体涉及一种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线。
【背景技术】
[0002]目前，反射面天线主要有抛物面反射天线和平板阵列反射天线两大类。而抛物面天线存在着一些固有缺陷，比如:体积庞大、难以加工、不易机动等。这些缺陷的主要根源在于天线的物理机制和工作波长，所以很难从根本上将其克服，从而构成了天线或雷达系统在应用上的最不利因素。这种天线作为军事目标就非常容易受到攻击，战场生存能力极差。在高频，为克服抛物面天线的缺陷，人们引入了平板反射阵列天线的设计思想，即:采用精确设计的平板反射面来代替抛物反射面。由于平板具有易加工、易拆卸、易组装等优势，所以平板反射面比抛物反射面具有更大的机动性，适用于航天领域。但是，现有平板天线多采用二元光学、半波长谐振等物理机制，平板的厚度不大可能远小于四分之一波长；另夕卜，由于采用反射机制，焦点与反射面之间必须要严格保持多个波长的距离，天线的厚度和焦距就会很大、甚至可达米的量级，难以灵活拆装、应用和运输。
【发明内容】
[0003]为解决上述问题，本发明提供了一种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线，具有平板化、薄层化、可拼拆、共面聚焦、高增益等优点。
[0004]为实现上述目的，本发明采取的技术方案为:
[0005]—种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线，平板天线采用相位梯度超表面作为辐射面，将接收到的电磁波转化为沿表面传播的表面等离激元波，将沿表面传播的表面等离激元波转化为辐射电磁波；采用波导、微带线、基片集成波导、带线作为馈电结构，激发和接收表面等离激元波。
[0006]其中，所述辐射面采用一维或二维相位梯度超表面平板制作，平板采用微波基板制作，在双面镀金属的微波基板一面周期性地刻蚀有不同几何参数的金属单元结构阵列，实现360°的相位梯度，另一面的金属层完全保留。
[0007]其中，所述辐射面的厚度小于工作波长的十分之一。
[0008]其中，所述辐射面将由焦点馈入、沿着其表面传播的表面波转化为沿其法向向外辐射的自由空间传播波，将垂直照射的电磁波转化为沿着其表面传播的表面波，并聚焦在辐射面平板的一端。
[0009]其中，所述馈电结构采用薄层化的微带线、带状线、平板波导、基片集成波导、扁口波导进行馈电，馈电结构安放在辐射面平板的一端，馈电结构底面与辐射面平板取齐共面安放。
[0010]其中，所述馈电结构焦点位于辐射面平板的一端，与辐射面平板的上表面处于同一平面，为更好地实现阻抗匹配，辐射面平面沿波导端口下表面插入馈电结构中。
[0011]其中，所述平板上表面上的金属结构单元之间不存在电连接，可实现分割和拼装，相位梯度超表面辐射面平板可将电磁波聚焦，提高天线的增益。
[0012]本发明具有以下由于效果:
[0013]具有平板化、薄层化、体积小、可拼拆、便于运输和机动，辐射面和馈电结构共面化和高增益等优点。
【附图说明】
[0014]图1为本发明实施例中相位梯度超表面结构图。
[0015]图2为本发明实施例中六个超表面金属结构小单元所构成的“大单元”结构图。
[0016]图3为本发明实施例中矩形波导结构图。
[0017]图4为本发明实施例中阻抗匹配调节方法示意图。
[0018]图5为本发明实施例中天线整体结构图。
【具体实施方式】
[0019]为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0020]实施例
[0021]基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线(工作频段3.0-3.2GHz)
[0022]作为反射板的相位梯度超表面，共有三层结构，上层1结构为超表面金属结构单元层；中层2为FR4介质板(厚度为5mm);底层3为金属背板。如图1所示，超表面金属结构单元层由六个不同几何参数的金属开口谐振环所构成的大单元周期性排列而成，相邻超表面金属结构小单元之间反射相位差为30°，六个小单元构成了 360°的相位差，如图2所不ο
[0023]馈电端口采用矩形波导结构，采用阻抗为50Ω的同轴线馈电，如图3所示。主模频带:2.9-3.4GHz，标宽 a = 96.6mm，标高 b = 21.6mm，长 1 = 50mm，标厚 h = 1mm。
[0024]为实现反射板与馈电矩形波导更好的匹配，部分反射板沿矩形波导地面插入其中，通过调节插入波导的长度S来调节阻抗匹配，如图4所示。
[0025]天线整体结构图如图5所示，相位梯度超表面反射板由6 X 2个超表面金属结构大单元构成。馈电矩形波导，位于相位梯度超表面反射板一侧，与其处于同一平面。
[0026]测试结果波导馈电端口的反射率S11的测试结果为在所设计的相位梯度频段范围内(3.0-3.2GHz)，反射率结果均在-10dB以下
[0027]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线，其特征在于，平板天线采用相位梯度超表面作为辐射面，将接收到的电磁波转化为沿表面传播的表面等离激元波，将沿表面传播的表面等离激元波转化为辐射电磁波；采用波导、微带线、基片集成波导、带线作为馈电结构，激发和接收表面等离激元波。2.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线的辐射面，其特征在于，所述辐射面采用一维或二维相位梯度超表面平板制作，平板采用微波基板制作，在双面镀金属的微波基板一面周期性地刻蚀有不同几何参数的金属单元结构阵列，实现360°的相位梯度，另一面的金属层完全保留。3.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线的辐射面，其特征在于，所述辐射面的厚度小于工作波长的十分之一。4.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线的辐射面，其特征在于，所述辐射面将由焦点馈入、沿着其表面传播的表面波转化为沿其法向向外辐射的自由空间传播波，将垂直照射的电磁波转化为沿着其表面传播的表面波，并聚焦在辐射面平板的一端。5.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线的馈电结构，其特征在于，所述馈电结构采用薄层化的微带线、带状线、平板波导、基片集成波导、扁口波导进行馈电，馈电结构安放在辐射面平板的一端，馈电结构底面与辐射面平板取齐共面安放。6.根据权利要求1所述的基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线，其特征在于，所述馈电结构焦点位于辐射面平板的一端，与辐射面平板的上表面处于同一平面，辐射面平面沿波导端口下表面插入馈电结构中。7.根据权利要求2所述的基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线辐射面，其特征在于，所述平板上表面上的金属结构单元之间不存在电连接。
【专利摘要】本发明公开了一种基于相位梯度超表面的表面等离激元平板天线，平板天线采用相位梯度超表面作为辐射面，将接收到的电磁波转化为沿表面传播的表面等离激元波，将沿表面传播的表面等离激元波转化为辐射电磁波；采用波导、微带线、基片集成波导、带线作为馈电结构，激发和接收表面等离激元波，辐射面采用一维或二维相位梯度超表面平板制作，平板采用微波基板制作，在双面镀金属的微波基板一面周期性地刻蚀有不同几何参数的金属单元结构阵列，实现360°的相位梯度，另一面的金属层完全保留。本发明所得平板具有平板化、薄层化、可拼拆、共面聚焦、高增益等优点。
【IPC分类】H01Q1/38, H01Q1/50
【公开号】CN105322287
【申请号】CN201510682687
【发明人】屈绍波, 王甲富, 范亚, 马华, 张介秋, 冯明德
【申请人】中国人民解放军空军工程大学
【公开日】2016年2月10日
【申请日】2015年10月13日