本发明属于天线技术领域，涉及一种超表面天线罩，具体涉及一种三棱锥形具有波束校准功能的超表面天线罩，可用于无线通信领域。
技术背景
天线罩是由天然或人造电介质材料制成的覆盖物，可以构成特殊形状的电磁窗口。超表面是一种新型人工合成电磁材料，是由非金属材料制成的基板和印制在基板表面上或嵌入基板内部的多个人造微结构所构成的。
传统天线罩要求能够保证天线稳定正常工作，且具有防风沙、耐高温、以及高效透波等特性。但随着技术的发展，人们希望赋予天线罩更多的功能，例如对天线实现波束校准功能。波数校准是通过对出射波相位等信息的调控实现预定波数指向。为实现波数校准功能，超表面天线罩被提出，如申请公布号为CN103296410A，名称为“高增益天线罩和天线系统”的专利申请，公开了一种超表面天线罩，采用多层超表面结构，每个超表面结构包括基板和排列在基板上多个人造微结构阵列。通过调节人造微结构的形状、尺寸，来改变材料的相对介电常数、折射率和阻抗，能够保持较高的透波率，同时提高天线增益，实现波束校准功能。但其所提出的天线罩为平面结构，并未考虑天线罩共形结构与电磁波的相互作用，而且上述平面结构的天线罩也没有实现对天线的物理保护作用，不具备真正意义的实用性。
技术实现要素：
本发明的主要目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种三棱锥形具有波束校准功能的超表面天线罩，旨在实现传统天线罩电磁窗口功能保护天线的同时，提高天线增益。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括三块超表面结构1拼接而成，形成中空的三棱锥体结构；所述超表面结构1包括N层相互层叠的形状为等腰直角三角形的介质板11，N≥2且为偶数；所述三棱锥体结构从内向外奇数层介质板的内侧表面上印制有M个周期性排布的金属贴片12，M≥10，该金属贴片12上蚀刻有矩形缝隙13，外侧表面上印制有M个周期性排布的十字形金属贴片14；偶数层介质板的外侧表面上印制有M个周期性排布的金属贴片12，该金属贴片12上蚀刻有矩形缝隙13；所述矩形缝隙13的任意一个边以及十字形金属贴片14的任意一个臂与介质板11的一个直角边平行；所述奇数层介质板上矩形缝隙13和十字形金属贴片14的中心与偶数层介质板上相应位置的矩形缝隙13的中心位于所在介质板的法线上；所述三棱锥体结构最内层介质板上的矩形缝隙13的尺寸，由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，其它层介质板上与最内层介质板相应位置上的矩形缝隙13尺寸相同，用于实现对电磁波的相位补偿。
上述一种三棱锥形具有波束校准功能的超表面天线罩：所述矩形缝隙13，采用环形结构；设置天线中心位于三棱锥体顶点与三棱锥体底面三角形中点连线所在直线上；最内层矩形缝隙13的相位补偿是通过调节矩形缝隙Dx实现，其相位补偿的计算公式为：
其中，k0为自由空间中波数，ri为天线的中心距第i个矩形缝隙13中心的距离；(xi,yi)为以最内层等腰直角三角形的介质板11两个直角边为轴，建立xoy平面下第i个矩形缝隙13中心的位置坐标，为超表面结构1外侧出射平面波方向。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
本发明采用由三块超表面结构拼接而成的中空三棱锥体结构，超表面结构由多层介质板相互层叠而成，奇数层介质板上蚀刻的矩形缝隙和印制十字形金属贴片，以及偶数层介质板蚀刻的矩形缝隙，能够实现出射波相位控制，与现有技术相比，在保证天线罩具有较高透波率的同时，实现了天线的大角度斜入射波数校准特性能，并提高了天线增益。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明金属贴片和矩形缝隙的结构示意图；
图3是本发明十字形金属贴片的结构示意图；
图4是本发明矩形缝隙结构尺寸对出射相位和透波性影响效果图；
图5是本发明实施例中加载超表面天线罩对球面波天线增益影响的效果图；
图6是本发明实施例中加载超表面天线罩对球面波天线波束校准后的结果图。
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说明。
参照图1，本发明采用的技术方案包括三块超表面结构1拼接而成，形成中空的三棱锥体结构。
所述超表面结构1，为6层相互层叠的形状为等腰直角三角形的介质板11。介质板采用FR4材料，厚度为0.5mm。所述三棱锥体结构从内向外奇数层介质板的内侧表面上印制有210个周期性排布的金属贴片12，外侧表面上印制有210个周期性排布的十字形金属贴片14；偶数层介质板的外侧表面上印制有210个周期性排布的金属贴片12，该金属贴片12上蚀刻有矩形缝隙13；所述等腰直角三角形介质板11的腰长为100.8mm；所述矩形缝隙13的任意一个边以及十字形金属贴片14的任意一个臂与介质板11的一个直角边平行；所述奇数层介质板上矩形缝隙13和十字形金属贴片14的中心与偶数层介质板上相应位置的矩形缝隙13的中心位于所在介质板的法线上；所述三棱锥体结构最内层介质板上的矩形缝隙13的尺寸，由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，其它层介质板上与最内层介质板相应位置上的矩形缝隙13尺寸相同，用于实现对电磁波的相位补偿。
参照图2，所述金属贴片12采用边长为W＝4.8mm的正方形结构；矩形缝隙13采用长为Dy＝4.6mm、宽为Dx＝2.6-4.6mm可调、缝隙为G＝0.16mm的矩形缝隙结构；十字形金属贴片14采用单臂长为W＝4.8mm、宽为Wf＝0.2mm的结构。通过调节矩形缝隙13宽的尺寸，以及电磁波的入射角度，可以得到在不同入射角度下，经不同尺寸的矩形缝隙13透射后透射波相位分布和透射率，具体结果参照图4。
设置球面波天线中心位于三棱锥体底面三角形中点处，测试加载超表面天线罩后的天线增益，结果参照图5，横坐标代表θ0的值，纵坐标代表天线的增益。其中虚线为球面波天线增益，实线为加载天线罩后天线增益。
假设天线罩最内层介质板11是位于xoy平面内的等腰直角三角形，第i个矩形缝隙13中心在xoy平面的位置坐标为(xi,yi)，则相位补偿值的计算公式为：
其中，k0为自由空间中波数，ri为天线的中心距第i个矩形缝隙13中心的距离；为超表面结构1外侧出射平面波方向；θ0和分别为平面波出射方向与z轴和x轴的夹角。进一步地，公式中的k0ri表示将天线中心发出的球面波转化为垂直于对称金属环单元表面出射的平面波所需要补偿的相位数值；第二部分表示给定方向上的平面波所需要进一步补偿的相位。
设置结合公式计算，得到的各金属贴片12所在位置处的相位补偿数值，结果参照图6所示，横坐标代表θ0的值，纵坐标代表天线的增益。
以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。
1.仿真条件和内容
以下基于本发明实施例开展的仿真实验，均利用Ansoft HFSS全波仿真软件完成。
仿真1，对本发明实施例在15GHz频率下，出射相位和透波率随矩形缝隙13中Dx变化的情况进行了仿真，仿真结果如图4所示。
仿真2，对球面波天线和加载了本发明超表面天线罩的球面波天线在15GHz频率下的辐射增益进行了仿真和对比，仿真结果如图5所示。
仿真3，对本发明实施例在15GHz频率下进行了仿真，仿真结果如图6所示。
2.仿真结果及分析
参照图4，具体研究单元透波特性和相移随单元参数变量缝隙方环外围宽Dx的变化，该单元在15GHz频率下，其透射率伴随Dx变化曲线可以看出，单元参数Dx从2.8-4.6mm中，确定整体透波效率保持在80％以上的同时，与之对应的相位变化跨度接近2π。说明在保证整体单元透波特性的前提下，有足够的可调相位范围。
参照图5，为15GHz添加基于新超面单元的三棱锥形天线罩前后的辐射增益方向图对比，实线为加载前，对应虚线为加载之后，可以看出在的方位上形成了显著的主瓣波束，虽然其副瓣依然有所偏高，但相对于主瓣增益低很多，其主波束增益为15.6dBi，相对于没有添加超表面天线罩的增益6.89dBi，增益上升了约8.71dBi，说明波束汇聚效果十分明显。
参照图6本发明实施例的三棱锥形天线罩，在加载超表面后，辐射特性变好，在空间中有较高的定向性，天线辐射方向上的最大增益达到了14dBi。
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。