一种高增益宽频带的交叉超表面圆极化天线

本发明涉及天线，具体涉及一种高增益宽频带的交叉超表面圆极化天线。

背景技术：

1、在现代通信环境中，不同频段和不同应用场景对通信系统的要求各异。例如，无线通信、卫星通信、雷达和无人机通信等需要在不同频段内进行通信。宽频带高增益的圆极化天线可以适应这种多样性，为不同频段的通信提供稳定和高效的信号传输。宽频带高增益天线可以适应不同的信号传播条件，包括多径传播、干扰和障碍物等，从而提高通信质量和稳定性，圆极化天线对多径传播的抗干扰能力较强，在信号经过多条路径传播，经历多次反射和散射时，圆极化天线可以减少信号的相位失真和衰减，减少同极化或反极化信号的干扰，提高信号的抗干扰性能进而提高通信质量。对于卫星通信系统领域，圆极化天线可以降低地面干扰和电磁噪声对遥感信号的影响，然而，在卫星系统中实现圆极化天线仍面临一些挑战，如：在宽频带内如何保持稳定的圆极化性能以及增益，因为通常情况下，宽频带设计可能会影响天线的极化特性。

2、在传统的天线设计中，天线的性能往往受到固有材料的限制，难以实现精细的电磁波控制，电磁超表面作为一种新型的人工结构材料，具有对电磁波的极端调控能力，为天线的设计和应用带来了全新的思路和可能性；电磁超表面通常由一系列微小的单元结构组成，这些结构的尺寸远小于电磁波的波长，通过精确设计和排列这些微小结构，可以实现对电磁波的幅度、相位和极化等参数的精细调控，这使得电磁超表面可以在微观尺度上调整电磁波的传播行为，从而实现多种复杂的功能；然而超表面设计天线的同时往往会出现复杂的馈电结构、多层超表面结构、阻抗带宽和轴比带宽受限等，因此，使用超表面扩展天线的各项辐射性能具有相当的挑战和重要的研究意义。

3、交叉偶极子天线作为实现圆极化天线的典例，其辐射原理和最简单的半波偶极子天线一致，不同之处在于使用了两个半波偶极子，并且是上下交叉排列，通过一段四分之一波长的圆弧馈电后达到幅度相等、相位相差90°，进而实现圆极化，但是目前的交叉偶极子的带宽相对较窄、增益较低、轴比带宽窄等问题明显，如何兼顾这三个辐射指标实现最大幅度的辐射性能是函待解决的技术难题。

技术实现思路

1、为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种高增益宽频带的交叉超表面圆极化天线，本发明设置第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子，在在水平和垂直方向上构成交叉偶极子结构，通过在偶极子开缝，截断了部分模式电流提高辐射性能，使得天线在高频点处抑制了辐射性能较差的谐振点，并且出现了新的谐振频点拓展了带宽，同时提升增益；寄生超表面设置在第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子外围的缝隙处进行能量耦合，显著提高增益以及阻抗带宽，进一步形成了一种交叉超表面偶极子天线，从而获得了高增益、宽轴比带宽和阻抗带宽的辐射性能。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供一种高增益宽频带的交叉超表面圆极化天线，包括：反射腔、介质基板、第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子、第四开缝偶极子、同轴连接器；

4、所述介质基板设于反射腔外侧，所述介质基板的上下层均设有寄生超表面、四分之一波长圆弧馈电环，在介质基板的上下层呈中心对称分布；

5、所述第一开缝偶极子、第二开缝偶极子设于介质基板的上层，所述第三开缝偶极子、第四开缝偶极子设于介质基板的下层；

6、所述第一开缝偶极子和第三开缝偶极子相互平行，构成垂直方向上的偶极子，第二开缝偶极子和第四开缝偶极子相互平行，构成水平方向上的偶极子，在水平和垂直方向上构成交叉偶极子结构；

7、所述第一开缝偶极子、第二开缝偶极子与介质基板上层的四分之一波长圆弧馈电环连接，第三开缝偶极子、第四开缝偶极子与介质基板下层的四分之一波长圆弧馈电环连接；

8、所述寄生超表面设置在第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子外围的缝隙处进行能量耦合；

9、所述第一开缝偶极子、第二开缝偶极子通过四分之一波长圆弧馈电环连接馈电，第三开缝偶极子、第四开缝偶极子通过同轴连接器的耦合馈电；

10、所述反射腔输出正向辐射反射波。

11、作为优选的技术方案，所述第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子或第四开缝偶极子是基于偶极子延伸宽度形成矩形电偶极子，在矩形电偶极子的延长宽度的一侧分别开两个相等长度的槽形成三个相邻矩形贴片。

12、作为优选的技术方案，四分之一波长圆弧馈电环的圆心设于介质基板中心位置，其圆弧的长度为四分之一中心频率波长。

13、作为优选的技术方案，第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子呈中心对称分布，其对称中心在介质基板中心位置。

14、作为优选的技术方案，介质基板上层的四分之一波长圆弧馈电环的圆弧一端与第一开缝偶极子的靠近介质基板中心位置的一边连接，其连接的一边距离四分之一波长圆弧馈电环的圆心的距离即为内径；

15、第二开缝偶极子的一边与四分之一波长圆弧馈电环的圆心对齐，其相邻边与介质基板上层的四分之一波长圆弧馈电环的圆弧另一端连接；

16、介质基板下层的四分之一波长圆弧馈电环的圆弧一端与第三开缝偶极子的靠近介质基板中心位置的一边连接，其连接的一边距离四分之一波长圆弧馈电环的圆心的距离即为内径；

17、第四开缝偶极子的一边与介质基板下层四分之一波长圆弧馈电环的圆心对齐，其相邻边与介质基板下层的四分之一波长圆弧馈电环的圆弧另一端连接。

18、作为优选的技术方案，所述反射腔设有中间开孔，所述介质基板下层的四分之一波长圆弧馈电环的圆心处设有圆槽；

19、同轴连接器穿过反射腔的中间开孔、以及通过介质基板下层的四分之一波长圆弧馈电环的圆心处的圆槽，连接到介质基板。

20、作为优选的技术方案，同轴连接器包括内导体，外导体和介质层，同轴连接器的外导体与介质基板下层的第三开缝偶极子和第四开缝偶极子连接，同轴连接器的内导体与介质基板上层的第一开缝偶极子和第二开缝偶极子连接。

21、作为优选的技术方案，反射腔包括反射腔介质板、反射壁、反射地板，反射壁和反射地板构成一个碗状结构反射辐射单元向下辐射的电磁波，反射腔介质板设于反射壁的外侧。

22、作为优选的技术方案，反射腔还设有缺陷地结构，通过在反射地板设置两处中心对称的地板缺陷地槽。

23、作为优选的技术方案，还设有支撑柱，在反射腔和介质基板上的四个顶角处设置相互对称的孔，支撑柱分别贯穿过相互对称的孔，将介质基板和反射腔固定。

24、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

25、(1)本发明设置第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子，在在水平和垂直方向上构成交叉偶极子结构，通过在偶极子开缝，截断了部分模式电流提高辐射性能，使得天线在高频点处抑制了辐射性能较差的谐振点，并且出现了新的谐振频点拓展了带宽，同时提升增益；

26、寄生超表面设置在第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子外围的缝隙处进行能量耦合，显著提高增益以及阻抗带宽，进一步形成了一种交叉超表面偶极子天线，从而获得了高增益、宽轴比带宽和阻抗带宽的辐射性能。

27、(2)本发明第一开缝偶极子、第二开缝偶极子、第三开缝偶极子和第四开缝偶极子对普通偶极子延伸了宽度形成矩形电偶极子，达到提升增益及拓展轴比的效果。

28、(3)本发明的反射腔通过反射地板缺陷地结构改变电磁波反射的幅度和相位等提升辐射性能，具体通过在反射地板开两处中心对称的地板缺陷地槽，进而影响了反射地板的电流分布，反射地板开槽处的分布电容增加，分布电感减小，从而影响了反射波的传输特性，改善轴比和增益。