[發明專利]一種可實現波束偏轉的高功率模式轉換超透鏡天線

有效

• 申請號: 202010582435.7
• 申請日: 2020-06-23
• 公開（公告）號: CN111600132B
• 公開（公告）日: 2022-08-19
• 發明（設計）人: 袁成衛;趙旭浩;張建德;張強;孫云飛
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科技大學
• 主分類號: H01Q13/02
• 分類號: H01Q13/02;H01Q1/50;H01Q15/04;H01Q15/24
• 代理公司: 湖南兆弘專利事務所(普通合伙) 43008
• 代理人: 陳暉

1.一種可實現波束偏轉的高功率模式轉換超透鏡天線，其特征在于可實現波束偏轉的高功率模式轉換透鏡由喇叭天線(1)、極化轉換超透鏡(2)、定位法蘭盤(3)和模式轉換超透鏡(4)四部分構成，其中喇叭天線(1)為圓錐喇叭天線，由第一法蘭盤(11)，圓錐喇叭(12)和第二法蘭盤(13)組成；喇叭天線(1)一端通過第一法蘭盤(11)與微波源相連作為輸入端口，另一端通過第二法蘭盤(13)與極化轉換超透鏡(2)的一面焊接，第一法蘭盤(11)和第二法蘭盤(13)分別與圓錐喇叭(12)的兩端相連；極化轉換超透鏡(2)的另一面與定位法蘭盤(3)一端焊接；定位法蘭盤(3)一端與極化轉換超透鏡(2)焊接，另一端與模式轉換超透鏡(4)焊接；定義靠近微波源的一端即第一法蘭盤(11)所在的端為輸入端，定義遠離微波源的一端即模式轉換超透鏡(4)所在的一端為輸出端；喇叭天線(1)、極化轉換超透鏡(2)、定位法蘭盤(3)和模式轉換超透鏡(4)共軸，中心軸線為OO’；

喇叭天線(1)的第一法蘭盤(11)焊接在圓錐喇叭(12)輸入端的外壁上，第二法蘭盤(13)焊接在圓錐喇叭(12)輸出端的外壁上；第一法蘭盤(11)呈圓環狀，其外直徑為D₁，內直徑為D₂，圓環厚度即軸向長度為t₁；圓錐喇叭(12)由圓波導(121)和圓錐波導(122)連接而成，其中圓波導(121)形狀為一個圓筒，內直徑等于D₂，軸向長度為t₂，波導壁厚為s；圓錐波導(122)與圓波導(121)相連一端的內直徑等于D₂，遠離圓波導(121)一端的內直徑為D₃，軸向長度為l₁，波導壁厚等于s，D₃D₂；第二法蘭盤(13)呈圓環狀，其外直徑為D₄，內直徑等于D₃，第二法蘭盤(13)圓環厚度即軸向長度等于t₁；

極化轉換超透鏡(2)整體呈圓盤狀，其直徑等于D₄，厚度為l₂；極化轉換超透鏡(2)由多個極化轉換超透鏡單元(21)以蜂窩狀排列組合而成，令任意一個極化轉換超透鏡單元(21)的中心軸線為O₁O₁’，O₁O₁’與OO’平行；極化轉換超透鏡單元(21)中心鉆有一個第一圓柱形通孔(211)，第一圓柱形通孔(211)半徑為r，深度為l₂，第一圓柱形通孔(211)的中心軸線與O₁O₁’共軸；第一圓柱形通孔(211)內部有兩個結構相同的弓形柱，分別為第一弓形柱(212)和第二弓形柱(213)，第一弓形柱(212)和第二弓形柱(213)分別通過第一支撐桿(214)和第二支撐桿(215)與第一圓柱形通孔(211)內壁連接，第一弓形柱(212)和第二弓形柱(213)關于O₁O₁’180°旋轉對稱；第一幾何中心軸線O₂O₂’為經過第一弓形柱(212)矩形底面幾何中心的垂線，O₂O₂’與O₁O₁’垂直；第一支撐桿(214)與第二支撐桿(215)為兩個結構相同的扇環形柱，第一支撐桿(214)與第二支撐桿(215)關于O₁O₁’180°旋轉對稱；第一支撐桿(214)一個弧面與第一圓柱形通孔(211)內壁連接，另一個弧面與第一弓形柱(212)的弧面連接，在第一圓柱形通孔(211)內部支撐第一弓形柱(212)；第二支撐桿(215)一個弧面與第一圓柱形通孔(211)內壁連接，另一個弧面與第二弓形柱(213)的弧面連接，在第一圓柱形通孔(211)內部支撐第二弓形柱(213)；第一弓形柱(212)與第一支撐桿(214)長度均等于l₂；沿O₁O₁’方向，極化轉換超透鏡單元(21)在遠離微波源的一端開有兩個匹配槽，分別為第一出射匹配槽(216)及第二出射匹配槽(218)；極化轉換超透鏡單元(21)在靠近微波源的一端也開有兩個匹配槽，分別為第一入射匹配槽(217)及第二入射匹配槽(219)；第一出射匹配槽(216)、第二出射匹配槽(218)、第一入射匹配槽(217)、第二入射匹配槽(219)結構相同，第一出射匹配槽(216)與第二出射匹配槽(218)關于O₁O₁’180°旋轉對稱，第一入射匹配槽(217)與第二入射匹配槽(219)關于O₁O₁’180°旋轉對稱，第一出射匹配槽(216)與第一入射匹配槽(217)關于O₂O₂’對稱；

極化轉換超透鏡單元(21)的橫截面為正六邊形，邊長為a；第一弓形柱(212)橫截面為弓形，半徑為r₀，弦長為d；第一支撐桿(214)橫截面為扇環形，內徑為r₀，外徑為r，寬度為b；第一出射匹配槽(216)橫截面為扇環形，內外環半徑分別為r及r₁，槽寬為k；

極化轉換超透鏡單元(21)的橫截面緊密排列成一個直徑為D₄的圓形，定義極化轉換超透鏡(2)中心O₃處極化轉換超透鏡單元(21)在第0行第0列，極化轉換超透鏡(2)中心O₃上側單元所處行數為正、下側為負，右側單元所處列數為正、左側為負；以O₃為坐標原點建立x₁-y₁固定直角坐標系，x₁為坐標Q₁(x₁,y₁)的橫坐標，y₁為Q₁(x₁,y₁)的縱坐標；定義O₂O₂’與x₁軸正向的順時針夾角為正，與x₁軸正向的逆時針夾角為負；第一圓柱形通孔(211)中心所對應的投影坐標為Q₁(x₁,y₁)的極化轉換超透鏡單元(21)的第一幾何中心軸線O₂O₂’與x₁軸正向的順時針夾角α₁由喇叭天線(1)注入的具體模式確定；

定位法蘭盤(3)的中心軸線為OO’；定位法蘭盤(3)整體呈圓環狀，其外直徑等于D₄，內直徑等于D₃，圓環厚度即軸向長度為l₃；定位法蘭盤(3)一端與極化轉換超透鏡(2)焊接，另一端與模式轉換超透鏡(4)焊接；

模式轉換超透鏡(4)整體呈圓盤狀，其直徑等于D₄，厚度為l₄；模式轉換超透鏡(4)由多個模式轉換超透鏡單元(41)以蜂窩狀排列組合而成，令任意一個模式轉換超透鏡單元(41)的中心軸線為O₃O₃’，O₃O₃’與OO’平行；模式轉換超透鏡單元(41)中心鉆有一個第二圓柱形通孔(411)，第二圓柱形通孔(411)半徑為r₂，深度為l₄，第二圓柱形通孔(411)的中心軸線與O₃O₃’共軸；第二圓柱形通孔(411)內部有兩個結構相同的弓形柱，分別為第三弓形柱(412)和第四弓形柱(413)，第三弓形柱(412)和第四弓形柱(413)分別通過第三支撐桿(414)和第四支撐桿(415)與第二圓柱形通孔(411)內壁連接，第三弓形柱(412)和第四弓形柱(413)關于O₃O₃’180°旋轉對稱；第二幾何中心軸線O₄O₄’為經過第三弓形柱(412)矩形底面幾何中心的垂線，O₄O₄’與O₃O₃’垂直；第三支撐桿(414)與第四支撐桿(415)為兩個結構相同的扇環形柱，第三支撐桿(414)與第四支撐桿(415)關于O₃O₃’180°旋轉對稱；第三支撐桿(414)一個弧面與第二圓柱形通孔(411)內壁連接，另一個弧面與第三弓形柱(412)的弧面連接，在第二圓柱形通孔(411)內部支撐第三弓形柱(412)；第四支撐桿(415)一個弧面與第二圓柱形通孔(411)內壁連接，另一個弧面與第四弓形柱(413)的弧面連接，在第二圓柱形通孔(411)內部支撐第四弓形柱(413)；第三弓形柱(412)與第三支撐桿(414)長度均等于l₄；

模式轉換超透鏡單元(41)的橫截面為正六邊形，邊長為a₁；第三弓形柱(412)橫截面為弓形，半徑為r₃，弦長為d₁；第三支撐桿(414)橫截面為扇環形，內徑為r₃，外徑為r₂，寬度為b₁；

模式轉換超透鏡單元(41)的橫截面緊密排列成一個直徑為D₄的圓形，定義模式轉換超透鏡中心O₆處模式轉換超透鏡單元在第0行第0列，模式轉換超透鏡中心O₆上側單元所處行數為正、下側為負，右側單元所處列數為正、左側為負；設模式轉換超透鏡的中心O₆處為坐標原點，建立x₂-y₂固定直角坐標系，則任意一個模式轉換超透鏡單元的第二圓柱形通孔的中心在x₂-y₂平面的投影可用坐標Q₂(x₂,y₂)表示，x₂為Q₂(x₂,y₂)的橫坐標，y₂為Q₂(x₂,y₂)的縱坐標，定義O₄O₄’與x₂軸正向的順時針夾角為正，與x₂軸正向的逆時針夾角為負；坐標為Q₂(x₂,y₂)的模式轉換超透鏡單元(41)的第二幾何中心軸線O₄O₄’與x₂軸正向的順時針夾角α₂由喇叭天線(1)注入模式、最終出射模式及出射方向確定。