[發(fā)明專利]基于全息超表面的共形表面波天線

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910301006.5
• 申請日: 2019-04-15
• 公開（公告）號: CN110011069B
• 公開（公告）日: 2021-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊銳;解萌
• 申請（專利權(quán)）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H01Q19/02
• 分類號: H01Q19/02;H01Q15/00;H01Q9/30;H01Q1/50
• 代理公司: 陜西電子工業(yè)專利中心 61205
• 代理人: 陳宏社;王品華

本發(fā)明提出了一種基于全息超表面的共形表面波天線，包括單極子饋源和全息阻抗表面，全息阻抗表面包括m×n個周期性排布的阻抗表面單元，阻抗表面單元包括介質(zhì)板、印制在介質(zhì)板上表面中心位置的方形金屬貼片和下表面的金屬地板，阻抗表面單元的表面阻抗基于全息原理的干涉圖分布，該干涉圖分布對應(yīng)的參考波為單極子饋源產(chǎn)生的圓柱形表面波，目標波為端射輻射的平面波。利用單極子饋源產(chǎn)生圓柱形表面波，經(jīng)過全息阻抗表面的阻抗調(diào)制后形成平整的平面波前，在共形表面波天線的端射方向上實現(xiàn)定向輻射，當遇到曲面突起時，還可實現(xiàn)表面波的繞射傳播。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于天線技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種共形表面波天線，具體涉及一種基于全息原理和人工阻抗表面的共形表面波天線，可用于飛行器系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)。

技術(shù)背景

基于人工電磁結(jié)構(gòu)的表面波天線因為具有低剖面、小體積、空氣阻力小等特點而易于安裝在各種表面上，因此可以很好地用作毫米波通訊系統(tǒng)的發(fā)射或接收天線，并廣泛應(yīng)用于飛行器系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)中。

現(xiàn)有研究中基于人工電磁結(jié)構(gòu)的表面波天線涉及平面結(jié)構(gòu)和曲面共形結(jié)構(gòu)，可實現(xiàn)端射或邊射輻射。例如，2014年，王朝旭在名為“新型表面波天線的設(shè)計”的碩士論文中，公開了一種基于穿孔介質(zhì)材料的表面波轉(zhuǎn)換透鏡天線，利用準保角光學變換和模式轉(zhuǎn)換理論設(shè)計了一種表面波平面透鏡，對表面波的傳播路徑進行調(diào)控，實現(xiàn)了端射輻射。又如，授權(quán)公告號為CN104112901B，名稱為“全息人工阻抗表面共形天線”的中國專利，公開了一種全息人工阻抗表面共形天線，實現(xiàn)了將平面全息天線共形到任意復雜物體曲面上，將表面波轉(zhuǎn)化為漏波輻射實現(xiàn)了邊射輻射。

綜上所述，現(xiàn)有研究均實現(xiàn)了特定場景中表面波天線的設(shè)計，但只針對于單一的平面或曲面共形結(jié)構(gòu)，由于各自的局限性，并不能解決平面上傳播的電磁波在遇到曲面突起后進行繞射傳播，并在端射方向上產(chǎn)生定向輻射的問題。全息人工阻抗表面作為一種新的人工電磁表面，具有易于共形、剖面低和易于加工等特點，可以精確地對表面波進行調(diào)控。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提出一種基于全息超表面的共形表面波天線，能夠?qū)崿F(xiàn)平面上傳播的電磁波在遇到曲面突起后進行繞射傳播，并形成天線端射方向上的高定向性波束輻射。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案，包括全息阻抗表面1和單極子饋源2，其中：

所述全息阻抗表面1，包括m×n個周期性排布的阻抗表面單元11，m≥40，n≥40，所述阻抗表面單元11包括介質(zhì)板111、印制在介質(zhì)板111上表面中心位置的方形金屬貼片112和下表面的金屬地板113；所述全息阻抗表面1的中間部分為圓柱狀曲面，該圓柱狀曲面曲率變化方向的兩端分別連接有平面結(jié)構(gòu)，且兩個平面結(jié)構(gòu)共面，所有阻抗表面單元11的表面阻抗基于全息原理的干涉圖分布，所述方形金屬貼片112的尺寸通過其所處位置的表面阻抗確定，所有方形金屬貼片112形成明暗相間的V字形條紋；

所述單極子饋源2固定在全息阻抗表面1中任意一個平面結(jié)構(gòu)上；

所述全息阻抗表面1通過將單極子饋源2產(chǎn)生的圓柱形表面波調(diào)制成平整的平面波前，實現(xiàn)在該全息阻抗表面1的端射方向上高定向性波束；

所述基于全息原理的干涉圖分布，其對應(yīng)的參考波為單極子饋源2產(chǎn)生的圓柱形表面波，對應(yīng)的目標波為全息阻抗表面1端射方向上的輻射平面波，其中：

圓柱形表面波的電場ψ_ref的表達式為：

輻射平面波的電場ψ_obj的表達式為：

其中，k₀為自由空間波數(shù)，n為全息阻抗表面的平均表面折射率，r₁為全息阻抗表面上任意一點沿表面與單極子饋源的距離，為全息阻抗表面上任意一點相對于單極子饋源所在位置的位置矢量，為輻射平面波的波矢，其中：