本发明属于天线技术领域，涉及一种多波束天线，具体涉及一种双反射单透射的三波束夹角超表面天线，可用于无线通信、雷达等领域。
技术背景
多波束天线技术能够以高增益覆盖广泛的传输区域，在卫星通信、雷达侦察、电子对抗以及微波传输等领域的需求不断扩大，成为了下一代卫星天线、多目标跟踪雷达和全域电子对抗系统的重要发展方向。
现有研究中实现高定向性多波束天线一般有阵列式、透镜式和反射式三种形式。由于结构简单、加工技术成熟、增益高等优势，透镜式和反射式天线在构建多波束天线中被广泛应用。例如，2015年，授权公告号为cn103050782b，名称为“多波束平面贴片透镜天线”的中国专利，公开了一种平面贴片透镜天线，该透镜由不同的单元组成，该单元通过在两层介质板上下设置贴片，中间设置几字形金属槽，通过改变贴片和金属槽的参数及摆放位置实现电磁波的聚焦，并通过多馈源偏焦馈电实现良好的多波束辐射。又如，2016年，授权公告号为cn104103910b，名称为“一种单口径多波束天线的优化设计方法”的中国专利，公开了一种单口径面多波束反射面天线，通过对反射面的赋形设计，采用馈源阵列的形式对其进行馈电实现多波束辐射。
上述现有研究虽然都实现了多波束天线，但都是利用了多馈源并行馈电，天线的馈电网络较为复杂，且仅工作在半空间区域。超表面通过控制波前相位进行电磁波调控，且结构简单，在无线通信系统中具有广阔的应用前景。基于超表面结构的反射面和透镜结构简单，且易于结合设计，在单馈源激励下，能够有效构建全域多波束天线。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种双反射单透射的三波束夹角超表面天线，通过在平面波导中加载夹角超表面结构，在单馈源激励下，结合反射超表面单元和透射超表面单元对入射电磁波的相位进行补偿作用，简化了天线的结构，同时实现全域空间的三波束辐射。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种双反射单透射的三波束夹角超表面天线，其特征在于：包括平行平板波导1，以及固定在平行平板波导1两个金属板之间的透射超表面单元2和馈源3；所述透射超表面单元2包括多个依次嵌套的v字形透射超表面结构21，其中任意一个v字形透射超表面结构两个臂的末端各连接一个反射超表面单元4，形成v字形夹角超表面结构；所述馈源3固定在所述v字形夹角超表面结构所形成的夹角范围内，且其波端口位于v字形夹角超表面结构口径面的外侧，其中：
所述v字形透射超表面结构21，包括板面与平行平板波导1两个金属板垂直的v字形基质板211，其面向馈源3的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由多个均匀排列的缝隙环212组成的面阵结构；
所述反射超表面单元4，包括矩形基质板41，其板面与平行平板波导1的两块金属板垂直，且与该矩形基质板41所连接的v字形透射超表面结构的臂的板面平行，所述矩形基质板41面向馈源3的侧面上印制有由多个均匀排列的谐振环42组成的面阵结构，另一个侧面上印制有金属底板43；
所述缝隙环212和谐振环42的尺寸，是通过各自所在位置的坐标值，以及馈源3所在位置的坐标值和电磁波入射角度确定。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述多个依次嵌套的v字形透射超表面结构21，其中相邻结构之间互不接触，且各结构顶点之间的距离相等，各结构的中心轴线重合。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述反射超表面单元4，与透射超表面单元2中距离馈源3最近的v字形透射超表面结构臂的末端连接。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述多个依次嵌套的v字形透射超表面结构21，其中各结构中每个臂的末端位于与反射超表面单元4连接的v字形透射超表面结构21臂末端的法线所在的平面上，每个臂上的由多个缝隙环212所形成的面阵结构均与反射超表面单元4连接的的v字形透射超表面结构21上面阵结构所在的板面相同，且均靠近与反射超表面单元4连接的v字形透射超表面结构21臂末端的法线所在的平面上。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述平行平板波导1，其两块金属板内板面之间的尺寸，与v字形基质板211和矩形基质板41垂直于平行平板波导1的两块金属板方向的尺寸相等。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述馈源3，其相位中心位于v字形夹角超表面结构的中心轴线上。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述缝隙环212，采用矩形缝隙环结构，其相位补偿φ1是通过调节缝隙环的外径长度尺寸l1、外径宽度尺寸w1和环宽尺寸d1实现的，相位补偿φ1的计算公式为：
其中，k是自由空间中波数，θ是v字形夹角超表面结构的夹角，
其中，xi和yi分别为第i个缝隙环中心在x和y方向上到馈源相位中心的距离，q为两相邻缝隙环中心之间的距离。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述谐振环42，采用矩形金属环结构，其相位补偿φ2是通过调节金属环的外径宽度尺寸w2、外径长度尺寸l2＝2×w2和环宽尺寸d2实现的，相位补偿φ2的计算公式为：
其中，k是自由空间中波数，θ0是反射超表面单元所要实现的反射波束指向，
其中，xj和yj分别为第j个谐振环中心在x和y方向上到馈源相位中心的距离，p为两相邻谐振环之间的距离。
上述双反射单透射的三波束夹角超表面天线，所述馈源3，采用标准矩形波导结构，其垂直于平行平板波导1的两块金属板方向的尺寸与两块金属板内板面之间的尺寸相等，所述馈源3的相位中心位于波导口径面的中心位置，具体坐标通过计算机仿真实验参数优化确定，确定的原则为：调整馈源口径面中心位置与v字形夹角超表面结构顶点之间的距离，以满足馈源辐射的电磁波刚好全部照射入v字形夹角超表面结构，且没有能量外漏。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、本发明通过将透射超表面单元和反射超表面单元有效地结合，构成v字形夹角超表面结构，在单馈源激励下，实现三波束天线的高定向性辐射，与现有技术相比，简化了天线的结构，实现了全域空间的多波束特性。
2、本发明通过对透射超表面单元上加载的中心蚀刻有缝隙环的金属贴片和反射超表面单元上加载的矩形金属谐振环进行单独设计，对来自馈源的入射波进行单独校准，实现单个波束指向独立可调的三波束性能，提高了三波束天线的适用性。
3、本发明采用单馈源激励，避免了多馈源互耦而引起的电磁兼容性问题。
附图说明
图1是本发明实施例的整体结构示意图；
图2是本发明实施例的透射超表面单元示意图；
图3是本发明实施例的透射超表面单元的中心蚀刻有缝隙环的金属贴片结构示意图；
图4是本发明实施例的反射超表面单元示意图；
图5是本发明实施例的反射超表面单元的金属谐振环的结构示意图；
图6是本发明实施例的s11仿真图；
图7是本发明实施例的电场仿真图；
图8是本发明实施例的二维增益仿真图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，一种双反射单透射的三波束夹角超表面天线，包括平行平板波导1，以及固定在平行平板波导1两个金属板之间的透射超表面单元2和馈源3；所述透射超表面单元2包括4个依次嵌套且互不接触的v字形透射超表面结构21，其中最内侧的v字形透射超表面结构两个臂的末端各连接一个反射超表面单元4，形成v字形夹角超表面结构；透射超表面单元2、反射超表面单元4和馈源3在与平行平板波导1的两块金属板垂直方向的尺寸，与平行平板波导1的两块金属板之间的尺寸相等，本实施例中两块金属板之间的尺寸为12.8mm。所述馈源3采用内截面宽度为22.86mm，高度为10.16mm，单模传输频率范围为8.2ghz-12.4ghz的标准wr90波导，固定在v字形夹角超表面结构的轴线上，且位于v字形夹角超表面结构口径面的外侧。
参照图2，透射超表面单元2，包括的4个v字形透射超表面结构21，相邻v字形透射超表面结构的顶点之间间距相等，且各结构的中心轴线重合，本实施例中相邻顶点之间间距为8mm。v字形透射超表面结构包括v字形基质板211，该基质板采用相对介电常数为4.4，损耗为0的fr4材料，厚度为1mm，4个v字形结构中每个臂的末端位于最内侧v字形透射超表面结构的臂末端的法线所在的平面上，且相邻臂之间间距为6mm，每个臂上的由多个缝隙环212所形成的面阵结构均与最内侧v字形透射超表面结构21上的面阵结构所在的板面相同，且均靠近最内侧v字形透射超表面结构的臂末端的法线所在的平面上。v字形基质板臂面向夹角的侧面上印制有金属贴片，采用金属铜材料，金属贴片上蚀刻有由m×2个均匀排列的缝隙环212组成的面阵结构，且该面阵结构在该臂的法线方向上位于同一平面内，在实验验证的过程中，由于受到计算机仿真条件限制，本发明实施例仅取m＝42。
参照图3，缝隙环212采用矩形缝隙环结构，其相位补偿φ1是通过调节缝隙环的外径长度尺寸l1、外径宽度尺寸w1和环宽尺寸d1实现的，相位补偿φ1的计算公式为：
其中，k是自由空间中波数，θ是v字形透射超表面结构的夹角，
其中，xi和yi分别为第i个缝隙环中心在x和y方向上到馈源相位中心的距离，q为两相邻缝隙环中心之间的距离,本实施例中q＝3.8mm，θ＝60°，
入射角θi的计算公式为：
根据上述公式计算得到的每个单元对应的相位数值和入射角，我们通过仿真软件设置x方向与y方向边界采用周期性边界条件，z方向为开放边界条件，调节谐振环的外径宽度尺寸w1和环宽尺寸d1，观察s11参数相位数值，直到波端口s11参数相位数值满足我们计算得到的每个单元对应的相位数值，便可确定对应的尺寸。
参照图4，反射超表面单元4包括矩形基质板41，该基质板采用相对介电常数为4.4，损耗为0.02的fr4材料，厚度为1mm，基质板一侧面上印制有由n×2个周期性排布的谐振环42组成的面阵结构，另一个侧面上印制有金属底板43，采用金属铜材料，在实验验证的过程中，由于受到计算机仿真条件限制，本发明实施例仅取n＝50，该反射超表面单元如图1所示，印制有谐振环的那侧朝向馈源。
参照图5，所述谐振环42，采用矩形金属环结构，其相位补偿φ2是通过调节金属环的外径宽度尺寸w2、外径长度尺寸l2＝2×w2和环宽尺寸d2实现的，其相位补偿φ2的计算公式为：
其中，k是自由空间中波数，θ0是反射超表面单元所要实现的反射波束指向，
其中，xj和yj分别为第j个谐振环中心在x和y方向上到馈源相位中心的距离，p为两相邻谐振环之间的距离。本实施例中，p＝3.2mm，
入射角θj的计算公式为：
根据上述公式计算得到的每个谐振环对应的相位数值和入射角，我们通过仿真软件设置x方向与y方向边界采用周期性边界条件，z方向为开放边界条件，调节谐振环的外径长度尺寸w2和环宽尺寸d2，观察s11参数相位数值，直到波端口s11参数相位数值满足我们计算得到的每个单元对应的相位数值，便可确定对应的尺寸。
以馈源3的中心为坐标原点，v字形夹角超表面结构两侧的单元在y轴方向上坐标不变，x轴负向的单元的坐标与x轴正方向的单元的坐标互为相反数。y轴沿夹角中心轴线方向，两侧超表面结构x轴的坐标变化区间为[0，159.8]及[-159.8，0]，以x轴正向为例：
透射超表面结构21上的缝隙环212的具体尺寸设置如下：
坐标x的变化区间为x∈[78.85mm，67.45mm]，y的变化区间为y∈[220.2mm，239.95mm]的缝隙环共7个，入射角θi分别为40.3°，41°，41.69°，42.36°，43°，43.67°，44.3°，缝隙环的外径宽度尺寸w1分别为3.68mm，3.68mm，3.69mm，3.67mm，3.48mm，3.48mm，3.44mm，外径长度尺寸l1分别为6.3mm，6.3mm，6.3mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，环宽尺寸d1分别为0.6mm，0.61mm，0.57mm，0.59mm，0.85mm，0.8mm，0.73mm，实现的相位补偿分别为-15.7°，-25.5°，-34.8°，-43.8°，-52.4°，-60.6°，-68.4°。
坐标x的变化区间为x∈[65.5mm，54.1mm]，y的变化区间为y∈[243.246mm，262.99mm]的缝隙环共7个，入射角θi分别为44.9°，45.52°，46.1°，46.69°，47.26°，47.82°，48.36°，缝隙环的外径宽度尺寸w1分别为3.44mm，3.43mm，3.5mm，3.42mm，3.65mm，3.5mm，3.52mm，外径长度尺寸l1分别为6.3mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，环宽尺寸d1分别为0.76mm，0.7mm，0.75mm，0.66mm，0.9mm，0.72mm，0.57mm，实现的相位补偿分别为-75.8°，-83°，-89.8°，-96.2°，-102.3°，-108.2°，-113.8°。
坐标x的变化区间为x∈[52.25mm，40.85mm]，y的变化区间为y∈[266.28mm，286.03mm]的缝隙环共7个，入射角θi分别为48.9°，49.4°，49.9°，50.4°，50.9°，51.4°，51.87°，缝隙环的外径宽度尺寸w1分别为3.4mm，3.5mm，3.47mm，3.46mm，3.48mm，3.52mm，3.1mm，外径长度尺寸l1分别为6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，环宽尺寸d1分别为0.6mm，0.69mm，0.67mm，0.63mm，0.66mm，0.68mm，0.3mm，实现的相位补偿分别为-119°，-124°，-128.8°，-133.3°，-137.5°，-141.4°，-145.2°。
坐标x的变化区间为x∈[38.5mm，27.55mm]，y的变化区间为y∈[289.32mm，309.06mm]的缝隙环共7个，入射角θi分别为52.33°，52.78°，53.22°，53.66°，54°，54.5°，54.9°，缝隙环的外径宽度尺寸w1分别为3.52mm，3.48mm，3.47mm，3.59mm，3.58mm，3.6mm，3.55mm，外径长度尺寸l1分别为6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，环宽尺寸d1分别为0.7mm，0.63mm，0.62mm，0.72mm，0.7mm，0.71mm，0.66mm，实现的相位补偿分别为-148.7°，-152°，-155°，-157.9°，-160.6°，-163°，-165.2°。
坐标x的变化区间为x∈[25.65mm，14.25mm]，y的变化区间为y∈[312.35mm，332.1mm]的缝隙环共7个，入射角θi分别为55.3°，55.7°，56.08°，56.46°，56.8°，57.2°，57.54°，缝隙环的外径宽度尺寸w1分别为3.52mm，3.6mm，3.59mm，3.5mm，3.5mm，3.61mm，3.5mm，外径长度尺寸l1分别为6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，环宽尺寸d1分别为0.62mm，0.69mm，0.68mm，0.62mm，0.61mm，0.71mm，0.62mm，实现的相位补偿分别为-167.4°，-169.3°，-171°，-172.6°，-174°，-175.2°，-176.3°。
坐标x的变化区间为x∈[12.35mm，0.95mm]，y的变化区间为y∈[335.39mm，355.14mm]的缝隙环共7个，入射角θi分别为57.89°，58.23°，58.56°，58.89°，59.2°，59.5°，59.85°，缝隙环的外径宽度尺寸w1分别为3.5mm，3.5.mm，3.54mm，3.52mm，3.54mm，3.5mm，3.59mm，外径长度尺寸l1分别为6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，6.2mm，环宽尺寸d1分别为0.6mm，0.62mm，0.61mm，0.59mm，0.6mm，0.61mm，0.65mm，实现的相位补偿分别为-177.3°，-178.1°，-178.7°，-179.2°，-179.6°，-179.9°，-180°。
反射超表面单元上的谐振环42具体的尺寸设置如下：
坐标x的变化区间为x∈[80.6mm，95mm]，y的变化区间为y∈[217.2mm，192.2mm]的谐振环共10个，入射θj分别为39.6°，39.0°，38.4°，37.7°，37.1°，36.4°，35.8°，35.1°，34.4°，33.7°，谐振环的外径宽度尺寸w2分别为2.95mm，0.4mm，2.27mm，2.45mm，2.44mm，2.5mm，2.52mm，2.56mm，2.56mm，2.66mm，环宽尺寸d2分别为0.15mm，0.15mm，0.4mm，0.3mm，0.35mm，0.45mm，0.4mm，0.5mm，0.4mm，0.4mm，实现的相位补偿分别为-115°，-140°，-164°，172°，148°，125.1°，102.2°，79.6°，57.4°，35.6°。
坐标x的变化区间为x∈[96.6mm，111mm]，y的变化区间为y∈[189.5mm，164.5mm]的谐振环共10个，入射θj分别为33°，32.3°，31.5°，30.7°，30°，29.2°，28.4°，27.6°，26.8°，26°，谐振环的外径宽度尺寸w2分别为2.69mm，2.71mm，2.72mm，2.76mm，2.77mm，2.79mm，2.97mm，2.98mm，0.4mm，1.8mm，环宽尺寸d2分别为0.45mm，0.45mm，0.4mm，0.45mm，0.35mm，0.25mm，0.5mm，0.1mm，0.15mm，0.45mm，实现的相位补偿分别为-114.1°，-6.9°，-27.5°，-47.8°，-67.6°，-87°，-105.9°，-124.4°，-142.4°，-160°。
坐标x的变化区间为x∈[112.6mm，127mm]，y的变化区间为y∈[161.8mm，136.8mm]的谐振环共10个，入射θj分别为25.1°，24.3°，23.4°，22.6°，21.7°，20.8°，19.9°，18.9°，18.0°，17.1°，谐振环的外径宽度尺寸w2分别为2.26mm，2.4mm，2.45mm，2.49mm，2.53mm，2.79mm，2.53mm，2.6mm，2.58mm，2.61mm，环宽尺寸d2分别为0.5mm，0.45mm，0.25mm，0.1mm，0.35mm，0.1mm，0.5mm，0.3mm，0.4mm，0.1mm，实现的相位补偿分别为-176°，166°，150.4°，134.8°，120°，105°，91.4°，78°，65°，53°。
坐标x的变化区间为x∈[128.6mm，143mm]，y的变化区间为y∈[134mm，109.1mm]的谐振环共10个，入射θj分别为16.2°，15.2°，14.3°，13.3°，12.3°，11.3°，10.4°，9.3°，8.3°，7.3°，谐振环的外径宽度尺寸w2分别为2.62mm，2.64mm，2.63mm，2.63mm，2.62mm，2.68mm，2.71mm，2.67mm，2.69mm，2.65mm，环宽尺寸d2分别为0.35mm，0.39mm，0.3mm，0.25mm，0.15mm，0.4mm，0.49mm，0.3mm，0.35mm，0.15mm，实现的相位补偿分别为41°，30°，19.7°，9.8°，0.55°，-8.1°，-16°，-23.4°，-30.1°，-36°。
坐标x的变化区间为x∈[144.6mm，159mm]，y的变化区间为y∈[106.3mm，81.4mm]的谐振环共10个，入射θj分别为6.3°，5.3°，4.3°，3.2°，2.2°，1.2°，0.2°，-0.8°，-1.87°，-2.9°，谐振环的外径宽度尺寸w2分别为2.65mm，2.68mm，2.75mm，2.66mm，2.68mm，2.76mm，2.72mm，2.76mm，2.68mm，2.66mm，环宽尺寸d2分别为0.1mm，0.25mm，0.5mm，0.1mm，0.2mm，0.5mm，0.35mm，0.5mm，0.2mm，0.1mm，实现的相位补偿分别为-41°，-46.3°，-50°，-53.8°，-56.6°，--58.6°，-60°，-60.7°，-60.72°，-60.07°。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
仿真条件和内容。
1.1仿真条件
使用商业仿真软件cstmicrowavestudio对上述实施例进行。
1.2仿真内容：
仿真1，对具体实施例在8.2ghz～12ghz的s11参数进行仿真，其结果如图6所示；
仿真2，对具体实施例在10.0ghz频率下的近场辐射方向图进行全波仿真，其结果如图7所示；
仿真3，对具体实施例在10.0ghz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真其结果如图8所示；
仿真结果分析。
参照图6，本发明实施例的夹角天线在8.2ghz～12.0ghz的频率区内的s11曲线，仿真结果说明，在x频带范围内，天线s11基本低于-10db。在该频带范围内能够实现良好匹配。
参照图7，本发明实施例的夹角天线在10ghz频率时近场电场图，仿真结果说明，从馈源发出的球面波，在经过透射超表面单元和反射超表面单元后，产生三束明显的平面波。
参照图8，本发明实施例在10ghz的二维辐射增益仿真图，仿真结果说明，加载超表面单元的波束辐射方向与理论设计结果一致,分别在theta＝120°、theta＝-120°和theta＝0°的方位上形成了显著的波束，同时在其他方位上的副瓣被有效压低，波束校准效果明显，且最大辐射方向上的增益为9.3dbi。
以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。