一种超宽带线极化转换超表面及其超表面天线

本发明涉及一种天线，特别是一种超宽带线极化转换超表面及其超表面天线。

背景技术：

1、超材料(metamaterials,mms)是一种具有自然界原有材料所没有的奇异特性的人造材料，近些年来受到了广泛关注。超表面作为其二维形式，可以在时域，空间域，频域范围对电磁波特性进行调控，在超透镜[1]([1]表示参考文献，下同，在本发明的说明书的最后部分进行介绍)、隐身斗篷[2]、全息成像[3]、轨道角动量通信[4]、天线rcs缩减[5]-[7]等领域得到了广泛应用。

2、极化转换超表面(pcm)作为超表面的重要分支之一，可以实现对电磁波线极化到线极化、线极化到圆极化、圆极化到圆极化状态的调控。最近有许多工作对pcm做了研究，[8]中提出了一种双同心方环型pcm，可以在6.3-20.5ghz超宽带范围内实现线偏振转换，并可以保持高入射角度稳定性。[9]中提出了一种多功能pcm，可以在多个频段范围内实现线偏振转换和圆偏振转换。

3、随着国防科技的不断发展，飞机的隐身技术受到广泛关注。天线作为飞机散射的主要贡献者，如何缩减天线的rcs成为了飞机隐身研究的重要课题。传统的天线rcs缩减主要通过雷达吸收材料、频率选择表面、天线罩等来实现，但使用雷达吸收材料缩减天线rcs的同时会导致天线的增益性能显著恶化，而频率选择表面只能缩减天线的带外rcs。因此，如何在缩减天线rcs的同时保持其辐射性能成为研究关键。随着电磁超表面的提出，pcm以及相位梯度超表面(pgm)被应用于天线rcs缩减，其可以将入射电磁波散射到其他方向，以缩减rcs，并且可以保持天线的辐射性能。目前已经有许多工作对其做了研究。[10]中提出了一种反射型极化转换超表面天线，在9.9-16ghz的宽带频率范围内实现了10db以上的rcs降低，且实现了12-15.6ghz的宽带阻抗匹配。所提出的超表面天线由中央的磁电偶极子天线和周围随机分布的pcm单元构成。[11]中提出了一种由圆极化微带贴片阵列和位于其上方的2.5维极化转换超表面构成的超表面天线，该天线在4-15ghz宽带范围内实现10db以上的rcs降低，且可以保持天线的辐射性能。[12]中提出了一种fabry-perot谐振腔天线，该天线由上层的人工磁导体(amc),中间的相位梯度超表面(pgm)和底层的微带贴片天线构成，在实现倾斜高增益(11.73db)波束辐射的同时,实现了4-13ghz的宽带rcs缩减。[13]中提出了一种混合机制圆极化超表面天线，低频通过超表面单元的极化转换特性实现rcs降低，高频通过超表面单元和接地介质层之间的相位差特性实现rcs降低。该超表面天线实现了4.95-15.73ghz的宽带rcs降低，同时扩宽了天线的ar带宽。

技术实现思路

1、为提升传统天线的阻抗匹配带宽(s11)、轴比(ar)、增益，本发明提供了一种超宽带线极化转换超表面及其超表面天线。

2、本发明的提供的技术方案如下：一种超宽带线极化转换超表面，其包括：

3、介质层一，其呈正方形；

4、介质层二，其与介质层一形状相同且上、下平行排列，在介质层一与介质层二之间形成空气层；

5、金属图案层，其包括相互独立分布在介质层一背向介质层二的一侧上的矩形条和形状相同的两个扇环；矩形条位于介质层一的对角线上，矩形条的长度小于所述对角线的长度；矩形条以介质层一的中心呈对称结构，两个扇环以长条为对称轴呈对称分布，且两个扇环的开口均背向长条；

6、金属接地层，其固定在介质层二背向介质层一的一侧上。

7、作为上述方案的进一步改进，介质层一为：∈r＝4.4、loss tangent tanδ＝0.001的fr4介质层；其中，∈r为介电常数，loss tangent tanδ为损耗正切角；

8、和/或，介质层二为：∈r＝2.2、loss tangent tanδ＝0.0009的f4b介质层。

9、作为上述方案的进一步改进，介质层一的边长p＝9mm；矩形条的宽w＝0.5mm，矩形条的长l＝10.5mm；扇环的内环半径r＝2.5mm，扇环的宽度w1＝0.1mm。

10、作为上述方案的进一步改进，金属图案层、介质层一、空气层、介质层二、金属接地层的厚度分别为：0.035mm、0.5mm、3.2mm、0.762mm、0.035mm。

11、作为上述方案的进一步改进，扇环的内、外环均为半圆环。

12、本发明还提供一种超表面天线，采用多个上述任意的超宽带线极化转换超表面与平面阵列天线相结合；

13、结合前，每个超宽带线极化转换超表面的频率工作在6.17ghz到19.5ghz的相对带宽为103.9％的频率范围内，偏振转换带宽pcr>0.9；

14、结合时，多个超宽带线极化转换超表面并行固定成一个整体，将平面阵列天线设置在介质层二面向介质层一的一侧上，且超宽带线极化转换超表面与平面阵列天线使用共同的金属接地层作为接地层。

15、作为上述方案的进一步改进，平面阵列天线为圆极化阵列天线、或微带贴片阵列天线、或缝隙阵列天线。

16、进一步地，圆极化阵列天线包括介质层三以及设置在介质层三上的多个圆极化贴片天线和一个馈电网络；多个圆极化贴片天线呈阵列布局且通过馈电网络进行馈电。

17、进一步地，圆极化贴片天线的数量为四个，馈电网络为扇叶式顺序旋转馈电网络，扇叶的数量与圆极化贴片天线的数量、超宽带线极化转换超表面的数量一一对应，相邻两个扇叶之间布局一个圆极化贴片天线，每个扇叶电性连接一个圆极化贴片天线，每个圆极化贴片天线位于一个金属图案层的正下方。

18、优选地，所述空气层的厚度调整为3.4mm,使用四个金属柱分别将四个超宽带线极化转换超表面与四个圆极化阵列天线连接，将按棋盘方式排布的超表面中心的四个单元镜像旋转。

19、本发明提出的超宽带线极化转换超表面(pcm)，其pcm的单元结构由金属图案层、空气层和接地介质层组成，可以实现6.17ghz到19.5ghz(相对带宽为103.9％)的偏振转换带宽(pcr)。根据相位相消原理，将pcm单元和其镜像单元按棋盘方式排列组成超表面。将其应用于圆极化贴片阵列天线rcs缩减，增加pcm后，天线的阻抗匹配(s11)带宽由7.2ghz到8.3ghz(14.2％)扩宽到6.2ghz到8.4ghz(30.1％)，轴比(ar)带宽由6.9ghz到8.25ghz(17.8％)扩宽到6.75ghz到8.32ghz(20.1％)，峰值增益为11.1dbi，天线的单站rcs在x和y极化平面波照射下从6.4到18.6ghz(97.6％)实现了5db以上的降低。利用天线的电流分布解释了增益提高的原因。最后制作了所提出超表面天线的原型，并进行了测试。

技术特征：

1.一种超宽带线极化转换超表面，其特征在于，其包括：

2.如权利要求1所述的超宽带线极化转换超表面，其特征在于：介质层一(2)为：∈r＝4.4、loss tangent tanδ＝0.001的fr4介质层；其中，∈r为介电常数，loss tangent tanδ为损耗正切角；

3.如权利要求1所述的超宽带线极化转换超表面，其特征在于：介质层一(2)的边长p＝9mm；矩形条(11)的宽w＝0.5mm，矩形条(11)的长l＝10.5mm；扇环(12)的内环半径r＝2.5mm，扇环(12)的宽度w1＝0.1mm。

4.如权利要求1所述的超宽带线极化转换超表面，其特征在于：金属图案层(1)、介质层一(2)、空气层、介质层二(3)、金属接地层(4)的厚度分别为：0.035mm、0.5mm、3.2mm、0.762mm、0.035mm。

5.如权利要求1所述的超宽带线极化转换超表面，其特征在于：扇环(12)的内、外环均为半圆环。

6.一种超表面天线，其特征在于，采用多个如权利要求1至5中任意一项所述的超宽带线极化转换超表面(5)与平面阵列天线(6)相结合；

7.如权利要求6所述的超表面天线，其特征在于：平面阵列天线(6)为圆极化阵列天线、或微带贴片阵列天线、或缝隙阵列天线。

8.如权利要求7所述的超表面天线，其特征在于：圆极化阵列天线包括介质层三(61)以及设置在介质层三(61)上的多个圆极化贴片天线(62)和一个馈电网络(63)；多个圆极化贴片天线(61)呈阵列布局且通过馈电网络(63)进行馈电。

9.如权利要求7所述的超表面天线，其特征在于：圆极化贴片天线(62)的数量为四个，馈电网络(63)为扇叶式顺序旋转馈电网络，扇叶(64)的数量与圆极化贴片天线(62)的数量、超宽带线极化转换超表面(5)的数量一一对应，相邻两个扇叶(64)之间布局一个圆极化贴片天线(62)，每个扇叶(64)电性连接一个圆极化贴片天线(62)，每个圆极化贴片天线(62)位于一个金属图案层(1)的正下方。

10.如权利要求9所述的超表面天线，其特征在于：所述空气层的厚度调整为3.4mm,使用四个金属柱分别将四个超宽带线极化转换超表面(5)与四个圆极化阵列天线连接，将按棋盘方式排布的超表面中心的四个单元镜像旋转。

技术总结
本发明公开了一种超宽带线极化转换超表面及其超表面天线。超表面依次包括金属图案层、介质层一、介质层二、金属图案层、金属接地层。在介质层一与介质层二之间形成空气层。金属图案层包括相互独立分布的矩形条和形状相同的两个扇环。矩形条位于介质层一的对角线上，矩形条的长度小于对角线的长度；矩形条以介质层一的中心呈对称结构，两个扇环以长条为对称轴呈对称分布，且两个扇环的开口均背向长条。本发明可以实现6.17GHz到19.5GHz(相对带宽为103.9％)的偏振转换带宽，还可应用于圆极化贴片阵列天线RCS缩减，天线的阻抗匹配带宽能扩宽到6.2GHz到8.4GHz(30.1％)，轴比带宽能扩宽到6.75GHz到8.32GHz(20.1％)，峰值增益为11.1dBi，天线的单站RCS在x和y极化平面波照射下从6.4到18.6GHz(97.6％)实现了5dB以上的降低。

技术研发人员：王俊林,王鑫,仝新宇
受保护的技术使用者：内蒙古大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/4