[發明專利]基于超表面的凸面共形卡塞格倫天線

有效

• 申請號: 201810584412.2
• 申請日: 2018-06-08
• 公開（公告）號: CN108808249B
• 公開（公告）日: 2020-08-11
• 發明（設計）人: 楊銳;高東興;高鳴;李冬;張澳芳;李佳成
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q13/02
• 分類號: H01Q13/02;H01Q15/00;H01Q15/14;H01Q15/16;H01Q19/19
• 代理公司: 陜西電子工業專利中心 61205
• 代理人: 王品華;朱紅星

本發明公開了一種基于超表面的凸面共形卡塞格倫天線，主要解決現有相位誤差大，結構復雜，難以實現凸面卡塞格倫波束校準的問題。其包括載體(1)、主反射鏡(2)、副反射鏡(3)、饋源(4)和支撐結構(5)，載體采用凸面結構，主反射鏡與載體共形，主反射鏡和副反射鏡均采用基于廣義斯涅爾定律構建的相位突變超表面結構，其中副反射鏡位于主反射鏡的焦點下方，具有雙曲特性相位，用于實現將饋源發射的電磁波發散為球面波，其虛焦點與主反射鏡的焦點重合，實焦點與饋源的相位中心重合，支撐結構連接主反射鏡和副反射鏡。本發明能實現凸面卡塞格倫天線的波束校準,同時降低天線相位補償誤差，結構簡單，可用于通信和雷達。

技術領域

本發明屬于天線技術領域，涉及一種卡塞格倫天線，可用于通信和雷達。

技術背景

微波天線主要分為端射、縫隙、反射面天線等類型，其中反射面天線具有高增益性能的特點。微波反射面天線主要為拋物面天線，利用拋物面反射面對電磁波的準直作用將來自焦點處饋源發射出的球面波前轉換為出射平面波前，形成高增益的方向圖。卡塞格倫天線是在拋物面天線基礎上增加雙曲面副反射面，電磁波經過副反射面和主反射面反射后得到高度定向性的輻射方向圖，在通信、雷達等方面獲得了廣泛的應用。相比于普通拋物面天線，增加的副反射面更便于設計口面場分布，優化天線輻射性能，且饋源放置在靠近主反射面頂點處，顯著縮短饋線長度，降低損耗和系統噪聲系數。然而經典卡塞格倫天線的拋物面主反射面為凹形，難以在空間飛行器等凸面表面上共形加載。若把卡塞格倫主反射面的拋物面替換為傳統的凸面鏡，則饋源發射出的所有波經副反射面和凸面鏡反射后，反射波傳播方向遠離副反射面和凸面鏡中心連線方向，無法在天線口徑面上得到等相位面的平面波前，因此傳統凸面鏡不適合構建用于波束準直的卡塞格倫天線主反射面。

通常三維卡塞格倫天線輻射的出射波為筆形波束，其垂直面和水平面的波束寬度都很窄，容易獲得高增益性能，用于微波散射計等設備進行遠距離探測時所需要的發射功率較小，且筆形波束天線對探測目標的俯仰角和方位角的測角精度和分辨力都很高，使用旋轉掃描可實現無盲區的連續掃描測繪，所以在空間飛行器等凸形表面上共形加載凸面卡塞格倫天線，并得到高定向筆形波束的輻射方向圖，具有很強的實際應用價值。但長期以來，典型的卡塞格倫天線的主反射面由凹形的拋物面金屬面加工而成，難以實現與空間飛行器等凸形表面共形，因此實現高定向性輻射的凸面共形的卡塞格倫天線仍是工程中的難題。現有研究多采用基于超表面的平面反射鏡代替卡塞格倫天線的主反射面的技術，實現平面共形卡塞格倫天線的波束校準。如中國專利，申請公開號為CN 102800994A，名稱為“一種卡塞格倫型超材料天線”的發明，公開了一種卡塞格倫超材料天線，該發明通過在接地介質板中間設置平面雪花狀十字形金屬微結構，金屬反射面上覆蓋折射率梯度變化超材料來近似曲面反射器的反射特性，實現一種平板結構的卡塞格倫天線，其存在以下不足：

首先，這種天線的相位補償方式為電磁波先后兩次經過超材料，利用傳播路徑上超材料不同的本構參數在相同物理距離下電波長變化不同的方式來進行波前校準，然而該設計超材料層的相位路徑設計前提是假設電磁波垂直入射反射面，并沒有考慮當電磁波斜入射時入射角的變化，存在著較大的相位補償誤差，且相位誤差隨著入射角度的增大而增大；

其次，由于這種天線的反射波前的相位補償是建立在電磁波兩次經過超材料層的基礎上的，不同電磁參數超材料與自由空間的匹配程度不同，所以超材料層與自由空間的匹配問題也將影響天線的波前校準結果，造成的相位補償誤差進一步增大；

再次，由于這種天線的所需超材料通過多層介質板內加載金屬微結構來實現，不僅結構較為復雜，而且無法解決與載體共形的凸面鏡的波束校準問題，相位誤差較大。

發明內容

本發明目的在于克服上述現有技術存在的不足，提出一種基于超表面的凸面共形卡塞格倫天線，以減小相位誤差，簡化天線結構,實現與載體共形的凸面卡塞格倫天線的波束校準。