一种圆极化超表面天线

本发明属于超表面天线领域，具体涉及一种圆极化超表面天线。

背景技术：

1、圆极化天线具有发射和接收任意极化角度电磁波，抗多径干扰等优点，被广泛应用于卫星通信，雷达，射频识别等无限通信系统中。微带贴片天线因具有低剖面，小体积，低成本等特点被广泛应用于圆极化天线设计中，但微带天线存在阻抗带宽较窄等缺点，限制了其在现代通信系统中的应用。

2、超表面是三维超材料的二维表现形式，由亚波长结构单元周期性排布而成，具有结构简单，剖面低，成本低等优势，同时超表面天线能克服微带贴片天线窄带的缺点，也具有改善传统天线在增益，方向性等方面性能。

3、现有的圆极化超表面天线通常将超表面加载在辐射元件的上方，辐射元件的下方结构为微带线，在一些设计中也会在辐射元件以及超表面之间加载空气层，可以有效拓宽天线的阻抗带宽。但是，这种结构虽然有效拓宽了工作带宽与轴比带宽，却增加了天线的剖面高度，使天线的机械结构也更加脆弱。这无疑会加大天线整体的设计难度，耗费更大的成本。常规的使用共面波导结构馈电的超表面天线结构中，将馈电面与接地面为同一层，这种做法大大优化了天线复杂的馈电结构，但是其轴比带宽与阻抗带宽相对更窄。因此具有一种具有稳定牢固的机械结构和大带宽的圆极化超表面天线。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种圆极化超表面天线。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

2、本发明提供了一种圆极化超表面天线，包括：从上至下依次叠层设置的超表面、介质基板和金属接地层；

3、所述超表面包括：若干个超表面单元；所述若干个超表面单元沿第一方向和第二方向均匀阵列排布形成超表面阵列；所述第一方向和所述第二方向互相垂直；

4、所述超表面单元为金属贴片，包括四个矩形部分，所述四个矩形部分沿顺时针方向依次排列，相邻的两个所述矩形部分的邻边互相平行，且相邻的两个所述矩形部分的大小不同；

5、所述金属接地层包括：共面波导传输线和两条共面波导馈电线；所述共面波导传输线沿所述第一方向设置，所述共面波导传输线的两侧的两条缝隙分别对应连接一条共面波导馈电线；所述两条共面波导馈电线沿第三方向相背延伸，所述第三方向与所述第二方向的夹角α为锐角。

6、在本发明的一个实施例中，所述超表面阵列包括沿第一方向和第二方向3×3均匀阵列排布的9个超表面单元。

7、在本发明的一个实施例中，相邻的任两个所述超表面单元的邻边之间的距离g＝0.5mm。

8、在本发明的一个实施例中，所述超表面单元的位于第四方向上的两个矩形部分的大小相等，所述第四方向与所述第一方向和所述第二方向之间的夹角相等；

9、位于第五方向上的两个矩形部分的大小相等，所述第五方向与所述第四方向互相垂直。

10、在本发明的一个实施例中，相邻的两个矩形部分之间具有共用的邻边，沿所述邻边方向从外向内开设有缝隙。

11、在本发明的一个实施例中，所述缝隙的长度a的取值范围为：2.5～3.4mm。

12、在本发明的一个实施例中，位于所述第四方向的矩形部分的边长小于位于所述第五方向的矩形部分的边长。

13、在本发明的一个实施例中，相邻的两个所述矩形部分的边长之差b的取值范围为：1.8～2.6mm。

14、在本发明的一个实施例中，位于所述第四方向的矩形部分的一角延伸设置有枝节；

15、位于所述第四方向的两个矩形部分上的枝节相背设置，两条所述枝节的远端之间的距离c的取值范围为：10.5～11mm。

16、在本发明的一个实施例中，所述第三方向与所述第二方向的夹角α的取值范围为：4～9°。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

18、本发明的圆极化超表面天线，通过对超表面的若干个超表面单元上设置缝隙，并通过在超表面单元开设缩角槽，天线的模式电流的分布方向因超表面单元的结构不对称而发生了偏转，两个模式的模式显著性系数频点发生了分离，两个模式的正交电流延对角线分布，即两个模式的最大电流分布位置错开一定距离，从而便于单独操纵天线的模式；并且天线的特征角保持约90°的相位差，使天线能够产生圆极化辐射性能；再通过在超表面单元的两角延伸枝节，提升了天线的轴比带宽；最后通过对设置于金属接地层的共面波导馈电线进行旋转，以对天线的两个模式进行相位补偿，进一步地展宽了天线的轴比带宽，也实现了更好的圆极化辐射性能。

19、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

技术特征：

1.一种圆极化超表面天线，其特征在于，包括：从上至下依次叠层设置的超表面(100)、介质基板(200)和金属接地层(300)；

2.根据权利要求1所述的圆极化超表面天线，其特征在于，所述超表面阵列包括沿第一方向和第二方向3×3均匀阵列排布的9个超表面单元(110)。

3.根据权利要求1所述的圆极化超表面天线，其特征在于，相邻的任两个所述超表面单元(110)的邻边之间的距离g＝0.5mm。

4.根据权利要求1所述的圆极化超表面天线，其特征在于，所述超表面单元(110)的位于第四方向上的两个矩形部分的大小相等，所述第四方向与所述第一方向和所述第二方向之间的夹角相等；

5.根据权利要求4所述的圆极化超表面天线，其特征在于，相邻的两个矩形部分之间具有共用的邻边，沿所述邻边方向从外向内开设有缝隙(111)。

6.根据权利要求4所述的圆极化超表面天线，其特征在于，所述缝隙(111)的长度a的取值范围为：2.5～3.4mm。

7.根据权利要求4所述的圆极化超表面天线，其特征在于，位于所述第四方向的矩形部分的边长小于位于所述第五方向的矩形部分的边长。

8.根据权利要求7所述的圆极化超表面天线，其特征在于，相邻的两个所述矩形部分的边长之差b的取值范围为：1.8～2.6mm。

9.根据权利要求1所述的圆极化超表面天线，其特征在于，位于所述第四方向的矩形部分的一角延伸设置有枝节(112)；

10.根据权利要求1所述的圆极化超表面天线，其特征在于，所述第三方向与所述第二方向的夹角α的取值范围为：4～9°。

技术总结
本发明涉及从上至下依次叠层设置的超表面、介质基板和金属接地层；超表面包括：若干个超表面单元；若干个超表面单元沿第一方向和第二方向均匀阵列排布形成超表面阵列；超表面单元为金属贴片，包括沿顺时针方向依次排列的四个矩形部分，相邻的两个矩形部分的邻边互相平行，且相邻的两个所述矩形部分的大小不同；金属接地层包括：沿第一方向设置的共面波导传输线和与其两侧的两条缝隙对应连接的两条共面波导馈电线；两条共面波导馈电线沿第三方向相背延伸，第三方向与第二方向的夹角α为锐角。本发明的圆极化超表面天线优化了天线复杂的馈电结构，具有稳定牢固的机械结构，展宽了天线的轴比带宽，实现了更好的圆极化辐射性能。

技术研发人员：王青,雷小朋,葛志伟,郭高廷,刘思艺,康昊,韩孝海,王欢
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10