[发明专利]一种高增益低交叉极化的全息阻抗调制表面天线设计方法及天线

说明书

技术领域

本发明涉及天线技术领域，尤其涉及一种高增益低交叉极化的全息阻抗调制表面天线设计方法及天线。

背景技术

现代无线通信技术的迅猛发展，对无线通信电子设备提出了更高的要求。一切无线通信都是通过电磁波来收发信号，天线在现代无线通信系统中扮演着重要的角色，电磁波的接收和发射均需要通过天线来完成，它是现代无线通信系统中的核心器件之一，它的电磁特性和物理性能直接影响无线通信系统的整体工作性能。高增益、低交叉极化已成为当前天线研究设计的发展趋势。然而，目前天线设计所采用的传统设计方法有着一些固有的弊端[1-3]。

现有技术的缺陷和不足：

1.传统反射面天线的剖面较高，不利于系统的集成，其馈源不易遮挡，容易暴露自身的位置；

2.传统的透镜天线具有特定的轮廓，体积笨重；

3.平面透镜天线制作过程复杂，材料加工的难度较大；

4.微带天线阵列需要引入复杂的馈电网络，产生较大的损耗，使得天线的效率大大降低；

5.波导缝隙天线频带较窄，难以实现偏离法向的辐射。

[1]C.Mateo-Segura,A.Dyke,H.Dyke,et al.,Flat luneburg lens via transformation optics for directive antenna applications,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.62,no.4,pp.1945-1953,2014；

[2]X.Wan,W.X.Jiang,H.F.Ma,et al.,A broadband transformation-optics metasurface lens,Applied Physics Letters,vol.104,no.15,pp.151601,2014；

[3]M.Ando,K.Sakurai,N.Goto,Characteristics of radial line slot antenna for 12GHz band satellite Tv reception,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.34,no.10,pp.1269-1272,1986。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种高增益低交叉极化的全息阻抗调制表面天线设计方法及天线，解决现有的相关传统技术不能有效实现高增益天线的情况的问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种高增益低交叉极化的全息阻抗调制表面天线设计方法，包括以下步骤：

S1：建立正方形金属贴片结构的晶格单元的仿真模型，并基于该仿真模型，再求解本征频率，进而得到表面阻抗值；

S2：固定晶格单元的大小，计算得到不同贴片尺寸情况下的表面阻抗值，并建立金属贴片几何参数与表面阻抗值之间的数学关系式；

S3：构建全息表面阻抗调制公式，按照所需天线对包括尺寸、增益和方向图在内的方面的要求，对表面阻抗进行调制，得到天线平面内的表面阻抗分布情况；

S4：基于步骤S2得到的金属贴片几何参数与表面阻抗值之间的数学关系式、以及步骤S3得到的天线平面内的表面阻抗分布情况，计算得到天线平面面内各点的贴片参数值，并建立整个全息阻抗调制表面天线的模型；

S5：在步骤S4的建立整个全息阻抗调制表面天线的模型的基础上，将模型的边沿部分设置为渐变结构，所述的渐变结构的焦点位置处放置有单极子天线；并加上介质基板材料，建立全息阻抗调制表面天线的仿真模型；

S6：对步骤S5得到的全息阻抗调制表面天线进行仿真计算。

进一步地，步骤S1中所述的正方形金属贴片结构的晶格单元的仿真模型包括三层结构，由上至下分别为正方形金属贴片、介质材料和金属地板。

进一步地，在步骤S1中，在求解本征频率时，需要在所述的晶格单元上由下而上设置第一空气腔和第二空气腔，并对仿真模型的边界设置为周期边界条件；同时，第二空气腔设置为理想匹配层。

一种高增益低交叉极化的全息阻抗调制表面天线，采用所述的方法获得。

本发明的有益效果是：本发明的设计方法设计得到的天线通过采用渐变结构的全息阻抗调制表面天线形式，能够有效提高天线的增益，降低交叉极化，提高天线的整体性能。同时，本发明设计的全息阻抗调制表面天线具有平面结构，不需要额外引入馈源和馈电网络，结构简单，还能实现偏离法线方向的辐射。