一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于微带阵天线技术领域，具体设及一种基于超表面的变极化多功能微带 阵天线。
【背景技术】
[0002] 反射阵天线运一概念最早由Berry等人于1963年首次提出并得到实验验证，主要 依靠校正阵列单元的相位实现所需的福射性能。但由于采用了开口波导作为相移单元，其 体积庞大且重量笨重，直到上世纪九十年代，随着印刷电路工艺的不断成熟和平面微带天 线研究的逐步兴起，反射阵天线重新激起了世界研究人员的浓厚兴趣和研究热潮，成为天 线领域和学术界的研究热点，相关应用研究也进入了空前繁荣时期。微带平面反射阵天线 是将反射面天线和阵列天线有机结合而形成的一种新型天线，由微带反射阵列和初级馈源 组成，工作原理是通过调节微带单元反射系数相位来补偿阵面相位，从而实现特定形状的 方向图。与相控阵天线、抛物面天线相比，反射阵天线一般采用印刷结构和空馈形式，只需 对单元附加特定的相位就可W实现特定方向的波束扫描，无需复杂的波束形成馈电网络和 收发组件，具有设计简单、结构紧凑、增益高、剖面低、重量轻、损耗小、易与载体表面共形、 便于折叠和展开、易于制作和成本低等优点。同时，由于单元相位独立可控，反射阵天线可 实现大角度范围波束扫描、波束赋形甚至多极化、变极化和双频工作。目前，国内外对微带 反射阵天线的研究主要集中在W下=个方面。一是反射阵单元结构设计和特性研究，如何 寻求结构合理、性能优越、相位易控的反射阵单元是首要解决的核屯、技术问题，是整个反射 阵天线系统设计的关键。二是反射阵天线的宽频/多频技术研究，运得益于宽/多频天线 在减小通信设备体积和重量W及降低系统复杂程度等方面具有举足轻重的作用。=是反射 阵天线的应用研究。相比于反射阵天线，透射阵天线的研究则要晚很多，始于1997年，由于 其工作原理与反射阵天线极为相似，几乎继承了反射阵天线的所有特性，如高增益、高方向 性等，但同时又能克服反射阵天线的馈源遮挡问题W及无馈源遮挡反射阵天线的非对称口 径和大角度入射问题，因此广泛受到工程研究人员的青睐，发展极为迅速。
[0003] 虽然研究人员在微带反射阵、透射阵天线领域取得了很大进展，但也面临一些挑 战。一方面传统反射、透射阵单元由于半波谐振，尺寸较大，单元在满足幅度要求时相移范 围有限，很难完全达到360°覆盖。另一方面，根据福斯特电抗定理可知，无源电路中单元的 相位响应对频率的导数总是正数且在谐振处色散强烈，相位变化剧烈且带宽受Bode-Fano 约束条件限制，天线的工作带宽和效率受到限制。作为异向介质的一种二维平面形式，超表 面应运而生，由于其独特的电磁特性和平面结构且能与飞机、导弹、火箭W及卫星等高速运 行目标共形而不破坏其外形结构及空气动力学等特性，近年来受到研究人员的青睐和广泛 关注。超表面按折射率/相位是否渐变可分为梯度超表面（GradientMetasurfaces,GMS) 和均匀超表面（化mogenousMetasurfaces，HMS)。2011年，广义Snell折射/反射定律的发 现开辟了人们控制电磁波和光的全新途径和领域，正在推动该领域产生一场技术革新，GMS 也因此成为异向介质新的分枝和研究热点。由于GMS作为一种基于相位突变和极化控制思 想设计的二维梯度结构，可对电磁波的激发和传输进行灵活控制，实现奇异折射/反射、极 化旋转化及非对称传输等奇异功能，具有更加强大的电磁波调控能力，GMS在隐身表面、共 形天线、数字编码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的一个学科 制高点和学科前沿。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种可复用性好、集成度高的变极化多功能微带阵天线。
[0005] 本发明设计的微带阵天线，由馈源和微带阵两部分组成，馈源放置于微带阵的焦 点巧止，用于对微带阵上所有单元的激励；参见图9所示。其中，所述馈源为宽带Vivaldi 天线且采用微带禪合馈电，由上层开槽金属、中层介质板W及下层微带线组成，其中，上层 中的开槽包括圆孔开槽(谐振环）和由窄逐渐变宽的缝隙区域，所述缝隙区域由两根按指数 规律变化的渐变槽线构成，渐变缝隙区域与开槽金属构成一对互补天线，且完成从馈电处 到自由空间的宽带阻抗匹配；所述Vivaldi天线工作于整个X波段，由其福射的电磁波由缝 隙区域逐渐向外福射且为沿X方向极化(为线极化波)，增益较高；所述微带阵由N*N个GMS 单元组成，其口径面积为化巧化y;设D=Npx或化y，微带阵的中屯、工作频段为/。，焦距为 微带阵口径为焦径比：巧〇 ;3,/7为Vivaldi天线的长和宽，^/1为Vivaldi天线缝隙区域终端 的宽度。运里，px、py分别为GMS单元在X、y方向的长度(周期)，N为整数且大于4An/px， 入。为电磁波在自由空间中的波长。
[0006] 本发明中，所述GMS单元由S层金属结构和两层介质板构成，每层金属结构通 过在方形贴片上刻蚀不同旋转角度的互补双开口环谐振器（ComplementaryDual-Split RingResonator,CDSRR)得到，其中，上、中、下层结构参数完全相同，只是CDSRR依次顺时 针旋转45°，如图1所示。工作时，横电磁波（TEM波）沿Z轴垂直入射，电场沿X轴极化且 与开口方向同向，运里定义+Z轴入射为前向入射，-Z轴入射为后向入射，分别用上标巧口A 表不。
[0007] 为实现E、H面较对称的福射方向图和福射强度，本发明采用方形口径，即GMS单 元在X、y方向的周期相等（PX=Py);同时为便于对微带阵口径相位的调控和良好的天线性 能，天线口径应至少大于4A。;最后为缓解微带阵口径相位的剧烈变化，//D不宜太小，而 为了减小微带阵天线的剖面尺寸，巧〇又不宜太大(根据实验表明，巧0的选取范围可为： 0. 2<//D<0. 8)。由于Vivaldi天线的端射福射特性W及水平极化，为实现对微带阵的有效 激励，Vivaldi天线需与微带阵互相垂直放置，且微带阵入射面中CDSRR的开口需沿y方向 放置。
[0008] 本发明中，GMS单元的结构参数选择为：A=A=IO臟一12mm，《=3. 6mm-4. 8mm, 馬=3mm-4. 2mm，沪0. 2mm-0. 4mm。化、A分别为GMS单元在x、y方向的长度（周期），《、馬 分别为GMS单元中双开口环谐振器的内半径和外半径，（巧双开口环谐振器的开口间距。
[0009] 本发明中，Vivaldi天线前端与微带阵之间的距离为Z=35mm-40mm。
[0010] 本发明设计的微带阵天线，首次将反射阵天线和透射阵天线相结合，集反射功能 和透射功于一体，不仅实现了微带阵在反射、双向福射W及透射之间的功能切换，同时还实 现了同极化和交叉极化之间的极化状态切换。由于本发明将多种功能集成在一块板子上， 具有可复用性好、集成度高和功能多等特性；同时由于运些功能工作在不同频率处，一定程 度上拓展了天线的工作带宽，而且多功能微带阵天线只需2层介质板即可实现，相比于W往多层设计，具有设计简单、加工方便等优点。
【附图说明】
[0011] 图1为GMS单元的拓扑结构。其中，（a)全视图；（b)上层结构；（C)中层结构；（d) 底层结构。单元结构参数为：!，乐1=4. 8mm，馬=4. 2mm和沪0. 2mm。
[001引图2为电场沿y轴极化时GMS单元的典型S参数。其中，（a)后向激励；（b)前向 激励。
[001引图3为电场沿X轴极化时GMS单元的典型S参数。其中，（a)后向激励；（b)前向 激励。
[0014]图4为GMS单元幅度和相位。
[001引图5为GMS单元随嚷化的I*:曲线。其中，（a)不同rf的幅度曲线；（b)8. 25細Z下幅度和相位的扫描结果。单元结构参数为A=A=IOmm,K=4. 8mm和沪0. 2mm。
[001引 图6为GMS单元随《变化的苗.曲线。其中，（a) 6臟；（b) 2臟。单元的 其余结构参数为A二巧二10臟，沪0. 2mm。
[0017] 图7为GMS单元随（a)缺口巧P(b)周期A变化的曲线，单元其余结构参数为 A=A=IO臟，《=4. 8mm和尸0. 6mm。
[0018] 图8为不同频率下GMS单元随马变化的（a)幅度和（b)相位曲线，单元结构参数 为A=A= 10臟，沪〇?