一种回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元的制作方法

本发明涉及圆极化反射阵天线技术领域，具体涉及一种回字型嵌套折线型结构的超平面。

背景技术：

微带反射阵天线是由馈源天线和平面反射阵列组合而成的，将馈源放置在平面反射阵的焦点处，通过补偿每个单元的相位，将馈源天线发出的球面波转换为平面波发射出去，从而实现增益的提升。微带反射阵天线可应用于卫星通信，微波遥感、深空探测等远距离通信领域。

微带反射阵天线结合了抛物面天线和阵列天线的以下优点：

(1)将抛物面天线的曲面结构平面化，重量较轻，体积较小。

(2)结构比较简单，易于共形且利于加工。

(3)不需要阵列天线中昂贵的馈电网络，因此成本较低。

(4)通过单元的设计可以实现多波束以及波束扫描等功能。

微带反射阵天线具备上述的众多优点，且应用场景广泛。因此对于微带反射阵天线的研究具有十分重要的意义。

相比于线极化天线，圆极化天线可以更好的应对环境的变化并且可以在任何极化方式以及空间环境中接收电磁波，因此，对于圆极化天线的研究具有非常重要的意义。

在天线领域，超表面结构可以发挥重要的作用。超表面是超材料的二维形式，是由一系列亚波长结构进行周期或非周期排列组成的。如何将超表面单元应用于反射阵天线的设计中，是目前亟待解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元，具有结构简单、小型化、损耗低的优点，且具备较大相移范围。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元，天线单元包括四层结构，四层结构由上自下分别为金属贴片、介质层、空气层以及金属底板；四层结构有定位介质柱固定。

金属贴片为回字型金属框架结构，包括外围折线框和内围方框。

外围折线框为双环框架结构，包括内环和外环，外环为正方形环，外环的每条边上每隔设定的间隔向外弯折一个矩形折线框，内环为正方形换，内环的每条边上每隔设定的间隔向外弯折一个矩形折线框。

进一步地，矩形折线框的长度在0.1m至1mm之间。

进一步地，外环上矩形折线框的数量为7个，内环上矩形折线框的数量为3个。

进一步地，外围折线框的外包矩形为边长为6.9mm的正方形，内围方框边长为1.4mm。

进一步地，介质层厚度为3.5mm，空气层厚度为1.5mm。

进一步地，内环、外环和内围方框的边宽均为0.12mm；外围折线框上内环和外环之间间隙为0.13mm；矩形折线框的中间间隙宽度为0.13mm。

有益效果：

1、本发明所提供的回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元为中心对称结构，通过改变矩形折线框的尺寸大小来进行空间相移差的补偿。采用了亚波长技术与多谐振技术相结合的思想。该单元大小为0.23λ0(λ0为中心工作频率所对应的波长)，通过采用回字型结构以及折线型结构获得了多个谐振点。通过将单元进行折线型结构处理，有效地增加了单元的电流路径，使得单元具有小型化的效果。

2、本发明提供的天线单元可以实现在矩形折线框的长度由0.1mm变化至1mm时，相位由172°变化至729°。即该天线单元获得了557°的相移范围；且本发明仅通过单层结构即可实现557°的相移范围，避免了多层结构带来的损耗大、结构复杂等问题。

3、本发明的超表面反射阵天线单元通过引入空气层，有效地降低了等效介电常数，平滑了单元的相移曲线。因此该单元的相移曲线具有较好的线性度。同时该单元角度稳定性良好，当入射角在0°～30°变化时，不同角度之间的相移曲线变化很小，因此可以减小阵列边缘处单元因斜入射带来的相位误差。且该单元可以实现在较宽的频带范围内相移曲线的平行度良好。将单元设计为中心对称结构，使得单元的x方向分量和y方向分量对电磁波的影响一致。

附图说明

图1为本发明实施例所提供的回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元结构示意图；

图2(a)是本发明上层贴片结构的俯视图，图2(b)是本发明的侧视图

图3(a)是本发明的相位随单元尺寸变化的曲线即单元的相移曲线；图3(b)是本发明单元在不同尺寸变化时的反射系数曲线。

图4(a)是本发明在不同频点处的相移曲线；图4(b)是本发明在0°-30°以不同角度入射时的相移曲线。

其中，p1-单元栅格大小，mm2-最中心方环尺寸长度，l0-矩形折线框的长度，w1-外环的环宽，gap-矩形折线框的中间间隙宽度，h1-单元介质层的高度，h2-单元空气层的高度。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种回字型嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元，如图1所示，天线单元包括四层结构，四层结构由上自下分别为金属贴片、介质层、空气层以及金属底板；四层结构有定位介质柱固定。

金属贴片为回字型金属框架结构，包括外围折线框和内围方框。图2示出了金属贴片的结构，即图2(a)是本发明上层贴片结构的俯视图，图2(b)是本发明的侧视图。

外围折线框为双环框架结构，包括内环和外环，外环为正方形环，外环的每条边上每隔设定的间隔向外弯折一个矩形折线框，内环为正方形换，内环的每条边上每隔设定的间隔向外弯折一个矩形折线框。如图2(a)所示。

表1给出了本发明的一种具体实例，矩形折线框的长度(即图2(a)中l0)在0.1m至1mm之间。外环上矩形折线框的数量为7个，内环上矩形折线框的数量为3个。外围折线框的外包矩形为边长为6.9mm的正方形，内围方框边长为1.4mm。介质层厚度为3.5mm，空气层厚度为1.5mm。内环、外环和内围方环的环宽(即2(a)中的w1)均为0.12mm；外围折线框上内环和外环之间间隙为0.13mm；矩形折线框的中间间隙(即图2(a)中的gap)为0.13mm。此时该发明单元满足理想反射阵单元的性能要求。

表1回字型结构嵌套折线型结构的超表面反射阵天线单元结构尺寸

图3和图4分别示出了采用表1所示的具体参数值，本发明提供的天线单元的相关的相移曲线和反射系数曲线，图3(a)是本发明的相位随单元尺寸变化的曲线即单元的相移曲线；图3(b)是本发明单元在不同尺寸变化时的反射系数曲线。图4(a)是本发明在不同频点处的相移曲线；图4(b)是本发明在0°-30°以不同角度入射时的相移曲线。由图3和图4可知，本发明实施例提供的天线单元满足理想反射阵单元的性能要求。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。