基于超表面的透射型卡塞格伦天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种卡塞格伦天线，具体涉及一种基于广义斯涅尔定理的相位突变超表面实现平面结构的透射型卡塞格伦天线，可用于微波领域。

技术背景

卡塞格伦天线是在抛物面天线基础上增加双曲面副反射镜，电磁波经过副反射镜，主反射镜反射后形成高方向性的辐射方向图。相比于普通抛物面天线，其双镜面的设计能够用短焦距抛物面实现长焦距抛物面的辐射性能，在实际应用中更具优势。一方面，增加的副反射镜更便于设计口面场分布，能够优化天线辐射性能；另一方面，由于馈源放置在靠近主反射镜顶点处，大大缩短了馈线长度，降低损耗，降低天线系统噪声系数。典型的卡塞格伦天线其反射镜是由加工成曲面轮廓的金属面构成，虽然设计简单，但是对加工要求较高。

为解决轮廓设计调控电磁波的曲面反射镜不便于加工和组装的问题，现有研究利用超材料调控电磁波，通过印刷微带板实现平板结构卡塞格伦天线。如申请公布号为CN102800994 A，名称为“一种卡塞格伦型超材料天线”的专利申请，公开了一种卡塞格伦型超材料天线，该发明采用平板的超材料结构来实现卡塞格伦天线的副反射镜和主反射镜，其电磁波经过副反射镜和主反射镜反射后形成高方向性的辐射方向图，该发明制作加工更加容易，成本更加低廉，但其存在的缺陷是：一方面，由于副反射镜对辐射电磁波的遮挡效应，导致天线的副瓣较高，尤其是小口径主反射面由于副镜的影响将难以有效辐射，另一方面，该发明的副反射镜和主反射镜的相位误差补偿前提是假设电磁波垂直入射的，并没有考虑当电磁波斜入射时对副反射镜和主反射镜的相位变化的影响，理论上只有当折射率为无穷大时才能使折射波垂直于反射面，存在着较大的相位补偿误差，并且随着入射角度的增大，相位误差会增大，同时，因为反射波前的相位补偿是建立在电磁波两次经过超材料层的基础上的，不同电磁参数超材料与自由空间的匹配程度不同，所以超材料层与自由空间的匹配问题也将影响天线的波前校准结果，造成的相位补偿误差进一步增大，副反射镜和主反射镜的较大相位补偿误差将会导致天线副瓣进一步升高。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种超表面透射型卡塞格伦天线，用于解决现有技术中存在的因反射型卡塞格伦天线副反射镜遮挡主反射镜阻碍电磁波有效辐射的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括平行平板波导1，以及固定在平行平板波导1两个金属平板之间的副反射镜2和馈源3；所述副反射镜2包括第一长方形介质基板21，该介质基板的板面与平行平板波导1的两个金属平板垂直，其一个侧面印制有由M×N个均匀排列的环形金属贴片22组成的超表面，M≥1，N≥6，另一侧面印制有金属底板23；所述馈源3采用矩形喇叭天线结构，位于副反射镜2印制环形金属贴片22的一侧，其喇叭辐射口与第一长方形介质基板21的板面平行；所述馈源3的波导两侧各固定有一个主透射镜4；

所述环形金属贴片22的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似双曲面对电磁波的相位补偿特性；

所述主透射镜4采用由X个相互层叠的第二长方形介质基板41组成的介质层结构，该介质层结构的板面与第一长方形介质基板21的板面平行，X≥2且为偶数，其中距离第一长方形介质基板21最近的一块为奇数位置的第一块介质基板，各奇数位置第二长方形介质基板41面向第一长方形介质基板21的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙42组成的超表面，偶数位置的介质基板面向第一长方形介质基板21的侧面上印制有由Y×Z个均匀排列的金属条带43组成的超表面，且距离第一长方形介质基板21最远的第二长方形介质基板41背向第一长方形介质基板21的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由Y×Z个均匀排列的环形缝隙42组成的超表面，Y≥1，Z≥20；所述环形缝隙42的尺寸由其所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似抛物面对电磁波的相位补偿特性；

所述副反射镜2和主透射镜4的相位补偿均采用广义斯涅尔定理实现。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述环形金属贴片22，采用矩形环结构，其一条对边的连线垂直于平行平板波导1的两块金属板，其所在位置相位补偿数值满足如下公式：

其中，Φ(x)表示副反射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθ_i-sinθ_r)dx表示Φ(x)对x的导数，θ_i(x,y)＝arctan(x/l)为入射电磁波相对于副反射镜的入射角，θ_r(x,y)＝arctan(x/f-l)为反射电磁波相对于副反射镜的反射角，x为每个环形金属贴片的位置，f为主透射镜焦距，l为副反射镜与主透射镜之间的距离，且满足f>l，k为电磁波传播常数，Φ₀为任意常数相位值。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述环形缝隙42，采用矩形缝隙结构，其一条对边的连线垂直于平行平板波导1的两块金属板，其所在位置相位补偿数值满足如下公式：

其中，Φ(x)表示主透射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθ_t-sinθ_i)dx表示Φ(x)对x的导数，θ_i(x)＝arctan(x/f)为入射电磁波相对于主透射镜的入射角，θ_t(x)＝0为透射电磁波相对于主透射镜的透射角，x为每个环形缝隙的位置，f为主透射镜焦距，k为电磁波传播常数，Φ(x)为任意常数相位值。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述馈源3，其中心对称轴与副反射镜2的中心法线重合；

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述位于波导两侧的主透射镜4，关于馈源3的中心对称轴对称。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述平行平板波导1，其两个金属板之间的尺寸，与馈源3E面的长度、第一长方形介质基板21与平行平板波导1的两块金属板垂直方向的尺寸以及第二长方形介质基板41与平行平板波导1的两块金属板垂直方向的尺寸相等。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述金属条带43，采用矩形条带结构，其长边的中心对称轴垂直于平行平板波导1的两块金属板。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述副反射镜2，其与主透射镜4之间的空间满足如下公式：

其中，d₁为第一长方形介质基板长边的长度，d₂为两块第二长方形介质基板长边和喇叭波导口H面长度的总和，l为副反射镜与主透射镜之间的距离，f为主透射镜的焦距。

上述基于超表面的透射型卡塞格伦天线，所述馈源4，其喇叭张角口的长度和喇叭张角口到矩形波导的长度变化满足如下公式：

其中，A₁为矩形波导H面的长度，A₂是喇叭张角口的长度，L_h为喇叭张角口到矩形波导的长度，d₁为第一长方形介质基板长边的长度，f为主透射镜的焦距。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的主透射镜采用多层相互层叠的介质层结构，各奇数位置介质层的正面蚀刻环形缝隙，偶数位置介质层的正面上印制有金属条带，最后一层的介质层的背面蚀刻环形缝隙；该主透射镜所实现的功能为：实现电磁波从主透射镜和馈源所在方向的电磁波辐射，由于馈源的尺寸必须小于副反射面，因此从馈源所在方向实现电磁波辐射带来的遮挡更小，与现有采用主反射镜实现副反射面所在方向电磁波辐射的技术相比，有效降低了天线副瓣。

2.本发明由于主反射镜和副反射镜均采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变超表面结构，以实现通过散射参数来表征电磁波相位补偿特性，同时主反射镜和副反射镜相位调控层上的环形金属贴片和环形缝隙的结构尺寸大小考虑到了电磁波入射角的变化，具有更精准的相位补偿，相比现有梯度折射率超材料卡塞格伦天线，可实现更精准的波前校准，进一步降低了天线副瓣。

附图说明

图1是本发明实施例的整体结构示意图；

图2是本发明实施例的副反射镜结构示意图；

图3是本发明实施例的主透射镜结构示意图；

图4是本发明实施例的电磁波传播路径与馈源设计原理示意图；

图5是本发明实施例的反射系数；

图6是本发明实施例在15GHz频率上的二维辐射方向图，其中6(a)是H面辐射方向图，6(b)是E面辐射方向图；

图7是本发明实施例在15GHz频率上的xoz面电场强度分布图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步的描述。

参照图1，本发明包括平行平板波导1，以及固定在平行平板波导1两个金属平板之间的副反射镜2和馈源3；

所述副反射镜2包括第一长方形介质基板21，该介质基板的板面与平行平板波导1的两个金属平板垂直，其一个侧面印制有由2×20个均匀排列的环形金属贴片22组成的超表面，另一侧面印制有金属底板23；

所述馈源3采用矩形喇叭天线结构，位于副反射镜2印制环形金属贴片22的一侧，其喇叭辐射口与第一长方形介质基板21的板面平行；所述馈源3的波导两侧各固定有一个主透射镜4；

所述主透射镜4采用由6个相互层叠的第二长方形介质基板41组成的介质层结构，该介质层结构中每个第二长方形介质基板41的板面与第一长方形介质基板21的板面平行，其中距离第一长方形介质基板21最近的一块为奇数位置的第一块介质基板，各奇数位置第二长方形介质基板41面向第一长方形介质基板21的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由2×46个均匀排列的环形缝隙42组成的超表面，偶数位置的介质基板面向第一长方形介质基板21的侧面上印制有由2×46个均匀排列的金属条带43组成的超表面，且距离第一长方形介质基板21最远的第二长方形介质基板41背向第一长方形介质基板21的侧面上印制有金属贴片，金属贴片上蚀刻有由2×46个均匀排列的环形缝隙42组成的超表面。

本发明的工作原理为：电磁波从馈源3出射，经过副反射镜2反射后，从主头射镜4透射后形成高方向性的辐射方向图；本发明的优势在于电磁波从主透射镜4透射，由于馈源3必须小于副反射镜2，因此从主透射镜4辐射所带来的电磁波遮挡更小。

参照图2，第一长方形介质基板21采用长为100mm，宽为9.6mm，厚度为1mm，介电常数为4.4的介质基板；每个环形金属贴片22按4.8mm*3mm的周期均匀排列，该环形金属贴片22的尺寸为dy₁＝2.9mm,w＝0.2mm；所述副反射镜2的相位补偿依赖于dx₁的变化，由环形金属贴片22所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似双曲面对电磁波的相位补偿特性；金属底板23采用长为100mm，宽为9.6mm的长方形金属贴片。

参照图3，第二长方形介质基板21采用长为142.05mm，宽为9.6mm，厚度为0.5mm，介电常数为4.4的介质基板；每个环形缝隙42按4.8mm*3mm的周期均匀排列，该环形缝隙42的尺寸为dy₂＝2.9mm,w＝0.2mm；每个金属条43按a＝4.8mm且b＝3mm的周期均匀排列，金属条带43的长为4.8mm，宽为0.3mm；所述的主透射面4的相位补偿依赖于dx₂的变化，由环形缝隙42所在位置的电磁波入射角和散射参数相位决定，实现类似抛物面对电磁波的相位补偿特性；

参照图4，副反射镜2和主透射镜4的相位补偿原理具体描述如下：

副反射镜2采用广义斯涅尔定理实现，是将以从馈源3辐射的柱面波转换成以副反射镜2与主反射镜1之外某一点F1为相位中心的柱面波，实现与双曲面类似的电磁波相位补偿特性，因此副反射镜2上环形金属贴片22其所在位置相位补偿数值满足如下公式：

其中，Φ(x)表示副反射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθ_i-sinθ_r)dx表示Φ(x)对x的导数，θ_i(x,y)＝arctan(x/l)为入射电磁波相对于副反射镜的入射角，θ_r(x,y)＝arctan(x/f-l)为反射电磁波相对于副反射镜的反射角，x为每个环形金属贴片的位置，f为主透射镜焦距，l为副反射镜与主透射镜之间的距离，且满足f>l，k为电磁波传播常数，Φ₀为任意常数相位值。在本实施例中，其焦距f＝178mm，主副镜之间的距离l为119mm。根据计算得到的入射电磁波相对于副反射镜2的入射角以及副反射镜2上x坐标位置处环形金属贴片22的相位补偿数值，我们通过仿真软件，调节环形金属贴片22的外径长度dx₁，观察S11参数相位数值，直到波端口S11参数相位数值满足我们计算得到的每个单元对应的相位数值，便可确定对应的尺寸。

主透射镜4采用广义斯涅尔定理实现，是将以某点F2为相位中心的柱面波转换成平面波，实现与抛物面类似的电磁波相位补偿特性，因此主透射镜4上每个环形缝隙42其所在位置相位补偿数值满足如下公式：

其中，Φ(x)表示主透射镜上的相位补偿数值，dΦ＝k(sinθ_t-sinθ_i)dx表示Φ(x)对x的导数，θ_i(x)＝arctan(x/f)为入射电磁波相对于主透射镜的入射角，θ_t(x)＝0为透射电磁波相对于主透射镜的透射角，x为每个环形缝隙的位置，f为主透射镜4焦距，k为电磁波传播常数，Φ(x)为任意常数相位值。在本实施例中，其焦距f＝178mm。根据计算得到的入射电磁波相对于主透射镜4的入射角以及主透射镜4上x坐标位置处环形缝隙42的相位补偿数值，我们通过仿真软件，调节环形缝隙42的外径长度dx₂，观察S21参数相位数值，直到波端口S21参数相位数值满足我们计算得到的每个单元对应的相位数值，便可确定对应的尺寸。

所述的馈源为H面矩形喇叭天线结构，由矩形波导和H面喇叭组成，矩形波导为标准的WR62波导，其内径的H面和E面长度分别为15.8mm和7.9mm，外径的H面和E面长度分别为17.83mm和9.6mm；参照图4，其H面喇叭为的尺寸为：A₁＝32.5mm，A₂＝17.83mm，L_h＝50.8mm。

本实施例中，如图1所示，以馈源3的中心建立如图1所示的坐标系，由于需要校准的电磁波相位分布关于yoz面对称，故设计的天线整体结构也关于yoz面对称，在这里给出yoz面x正半轴一侧环形金属贴片22和环形缝隙42的尺寸，x轴负半轴一侧环形金属贴片22和环形缝隙42的尺寸与其关于yoz面对称；另外，副反射镜2和主透射面4上下两排单元的相位补偿程度相同，因此这里仅需给出其中一排环形金属贴片22和环形缝隙42的尺寸变化。

对于副反射镜2，x轴正半轴一侧的相位补偿与结构尺寸变化如下：

副反射镜2上坐标x的变化区间为x∈[0mm,24mm]的环形金属贴片22共有8个，入射角θ_i分别为0.7°，2.2°，3.6°，5°，6.5°，7.9°，9.3°，10.8°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₁分别为2.62mm，2.62mm，2.63mm，2.64mm，2.66mm，2.67mm，2.69mm，2.71mm，实现的散射参数相位分别为7°，5°，2°，-1°，-6°，-12°，-20°，-29°。

副反射镜2上坐标x的变化区间为x∈[24mm,48mm]的环形金属贴片22共有8个，入射角θ_i分别为12.1°，13.5°，14.8°，16.2°，17.5°，18.8°，20.8°，21.3°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₁分别为2.73mm，2.76mm，2.79mm，2.82mm，2.86mm，2.91mm，2.96mm，3.03mm，实现的散射参数相位分别为-39°，-49°，-60°，-72°，-84°，-97°，-110°，-124°。

对于主透射镜4，x轴正半轴一侧的相位补偿与结构尺寸变化如下：

主透射镜4上坐标x的变化区间为x∈[12mm,36mm]的环形缝隙42共有8个，入射角θ_i分别为4.3°，5.3°，6.2°，7.2°，8.1°，9.1°，10°，10.9°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₂分别为4.47mm，4.46mm，4.45mm，4.44mm，4.42mm，4.4mm，4.38mm，4.36mm，实现的散射参数相位分别为41°，45°，51°，57°，64°，73°，82°，91°。

主透射镜4上坐标x的变化区间为x∈[36mm,60mm]的环形缝隙42共有8个，入射角θ_i分别为11.9°，12.8°，13.7°，14.6°，15.5°，16.4°，17.3°，18.1°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₂分别为4.33mm，4.31mm，4.28mm，4.24mm，4.21mm，4.17mm，4.12mm，4.06mm，实现的散射参数相位分别为102°，113°，126°，139°，153°，168°，-176°，-159°。

主透射镜4上坐标x的变化区间为x∈[60mm,84mm]的环形缝隙42共有8个，入射角θ_i分别为19°，19.9°，20.7°，21.6°，22.4°，23.2°，24°，24.8°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₂分别为3.99mm，3.9mm，3.81mm，3.75mm，3.71mm，3.66mm，4.57mm，4.54mm，实现的散射参数相位分别为-142°，-124°，-105°，-86°，-66°，-45°，-24°，-1°。

主透射镜4上坐标x的变化区间为x∈[84mm,108mm]的环形缝隙42共有8个，入射角θ_i分别为25.6°，26.4°，27.1°，27.9°，28.6°，29.4°，30.1°，30.8°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₂分别为4.5mm，4.46mm，4.41mm，4.35mm，4.29mm，4.23mm，4.16mm，4.06mm，实现的散射参数相位分别为21°，45°，69°，94°，120°，146°，173°，-159°。

主透射镜4上坐标x的变化区间为x∈[108mm,132mm]的环形缝隙42共有8个，入射角θ_i分别为31.5°，32.2°，32.9°，33.6°，34.2°，34.9°，35.5°，36.2°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₂分别为3.94mm，3.81mm，3.72mm，3.66mm，4.56mm，4.51mm，4.46mm，4.39mm，实现的散射参数相位分别为-131°，-103°，-74°，-44°，-14°，16°，47°，79°。

主透射镜4上坐标x的变化区间为x∈[132mm,150mm]的环形缝隙42共有6个，入射角θ_i分别为36.8°，37.4°，38°，38.6°，39°，39.7°，方形金属缝隙单元的外径长度dx₂分别为4.31mm，4.23mm，4.14mm，4.02mm，3.86mm，3.74mm，实现的散射参数相位分别为111°，143°，176°，-149°，-115°，-81°。

以下通过仿真实验，对本发明的技术效果作进一步说明。

仿真条件和内容。

1.1仿真条件

使用商业仿真软件CST Microwave Studio对上述实施例进行。

1.2仿真内容：

仿真1，对具体实施例在14.0GHz～16.0GHz的S11参数进行仿真，其结果如图5所示；

仿真2，对具体实施例在15.0GHz频率下的二维辐射增益曲线进行了仿真其结果如图6所示；

仿真3，对具体实施例在15.0GHz频率下的近场辐射方向图进行全波仿真，其结果如图7所示。

1.3仿真结果

参照图5，本发明实施例的卡塞格伦在14.0GHz～16.0GHz的频率区内的S11曲线.仿真结果说明，S11在14.8～15.2GHz的频带范围内低于-10dB，说明在该频带范围内天线能够实现良好的匹配；

参照图6(a)，本实施例在15.0GHz的工作频率下H面的增益随方位角的变化，可以看出，最大辐射方向为0°，增益为15.8dBi，说明在H面实现了精确的相位补偿，实现了较大的增益，在H面具有较小的波束宽度，实现了良好的辐射方向图特性；

参照图6(b)，本实施例在15.0GHz的工作频率下E面的增益随方位角的变化，可以看出，最大辐射方向为0°，增益为15.8dBi，由于在E面未进行相位补偿，因此E面波束较宽，但仍实现了较大的增益，说明在H面实现了精确的相位补偿，较高的提高了增益；

参照图7，展示了具体实施例在xoy面上的电场强度分布，可以看出从馈源发出的入射波经过副反射镜2与主透射镜4，在传播方向上得到平整的平面波前，说明副反射镜2与主透射镜4实现了精准的相位补偿，准确的波前校准，产生了平整的平面波前。

以上描述仅是本发明的优选实施方式，并不对本发明构成限制，对于本领域的普通技术人员来说，均可在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，但这些改变均属于本发明的保护范围。