[发明专利]一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线

说明书

本发明属于微带阵天线技术领域，具体为一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线。本发明设计的微带阵天线由馈源和微带阵两部分组成，馈源放置于微带阵的焦点处；馈源为宽带Vivaldi天线且采用微带耦合馈电，由上层开槽金属、中层介质板以及下层微带线组成；所述微带阵由N*N个GMS单元组成，所述GMS单元由三层金属结构和两层介质板构成，每层金属结构通过在方形贴片上刻蚀不同旋转角度的CDSRR得到，其中，上、中、下层结构参数完全相同，只是CDSRR依次顺时针旋转45^o。本发明集反射功能和透射功于一体，实现了微带阵在反射、双向辐射以及透射之间的功能切换，实现了同极化和交叉极化之间的极化状态切换。具有可复用性好、集成度高和功能多等特性。

技术领域

本发明属于微带阵天线技术领域，具体涉及一种基于超表面的变极化多功能微带阵天线。

背景技术

反射阵天线这一概念最早由Berry等人于1963年首次提出并得到实验验证，主要依靠校正阵列单元的相位实现所需的辐射性能。但由于采用了开口波导作为相移单元，其体积庞大且重量笨重，直到上世纪九十年代，随着印刷电路工艺的不断成熟和平面微带天线研究的逐步兴起，反射阵天线重新激起了世界研究人员的浓厚兴趣和研究热潮，成为天线领域和学术界的研究热点，相关应用研究也进入了空前繁荣时期。微带平面反射阵天线是将反射面天线和阵列天线有机结合而形成的一种新型天线，由微带反射阵列和初级馈源组成，工作原理是通过调节微带单元反射系数相位来补偿阵面相位，从而实现特定形状的方向图。与相控阵天线、抛物面天线相比，反射阵天线一般采用印刷结构和空馈形式，只需对单元附加特定的相位就可以实现特定方向的波束扫描，无需复杂的波束形成馈电网络和收发组件，具有设计简单、结构紧凑、增益高、剖面低、重量轻、损耗小、易与载体表面共形、便于折叠和展开、易于制作和成本低等优点。同时，由于单元相位独立可控，反射阵天线可实现大角度范围波束扫描、波束赋形甚至多极化、变极化和双频工作。目前，国内外对微带反射阵天线的研究主要集中在以下三个方面。一是反射阵单元结构设计和特性研究，如何寻求结构合理、性能优越、相位易控的反射阵单元是首要解决的核心技术问题，是整个反射阵天线系统设计的关键。二是反射阵天线的宽频/多频技术研究，这得益于宽/多频天线在减小通信设备体积和重量以及降低系统复杂程度等方面具有举足轻重的作用。三是反射阵天线的应用研究。相比于反射阵天线，透射阵天线的研究则要晚很多，始于1997年，由于其工作原理与反射阵天线极为相似，几乎继承了反射阵天线的所有特性，如高增益、高方向性等，但同时又能克服反射阵天线的馈源遮挡问题以及无馈源遮挡反射阵天线的非对称口径和大角度入射问题，因此广泛受到工程研究人员的青睐，发展极为迅速。

虽然研究人员在微带反射阵、透射阵天线领域取得了很大进展，但也面临一些挑战。一方面传统反射、透射阵单元由于半波谐振，尺寸较大，单元在满足幅度要求时相移范围有限，很难完全达到360°覆盖。另一方面，根据福斯特电抗定理可知，无源电路中单元的相位响应对频率的导数总是正数且在谐振处色散强烈，相位变化剧烈且带宽受Bode-Fano约束条件限制，天线的工作带宽和效率受到限制。作为异向介质的一种二维平面形式，超表面应运而生，由于其独特的电磁特性和平面结构且能与飞机、导弹、火箭以及卫星等高速运行目标共形而不破坏其外形结构及空气动力学等特性，近年来受到研究人员的青睐和广泛关注。超表面按折射率/相位是否渐变可分为梯度超表面（Gradient Metasurfaces，GMS）和均匀超表面（Homogenous Metasurfaces，HMS）。2011年，广义Snell折射/反射定律的发现开辟了人们控制电磁波和光的全新途径和领域，正在推动该领域产生一场技术革新，GMS也因此成为异向介质新的分枝和研究热点。由于GMS作为一种基于相位突变和极化控制思想设计的二维梯度结构，可对电磁波的激发和传输进行灵活控制，实现奇异折射/反射、极化旋转以及非对称传输等奇异功能，具有更加强大的电磁波调控能力，GMS在隐身表面、共形天线、数字编码、平板印刷等方面显示了巨大的潜在应用价值，成为各国抢夺的一个学科制高点和学科前沿。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可复用性好、集成度高的变极化多功能微带阵天线。