[发明专利]一种大口径平面消色差反射阵天线

说明书

本发明提供一种大口径平面消色差反射阵天线，包括喇叭馈源、在馈源下方的多层超材料以及在贴于底层超材料的反射层；其中，每层超材料包含介质板以及在介质板正面印刷的非周期性排列的金属谐振单元。利用超材料对入射电磁波的电磁响应可以人工调制的优势，通过优化算法得到在一定频段内满足消色差聚焦时所需要的相位分布，再根据该相位分布利用不同结构的金属谐振单元改变入射的宽带电磁波的响应从而实现宽带连续消色差聚焦。本发明采用了新的超材料结构和相位排布方式，所述天线具有结构简单，口径大，工作带宽大，成本低等优势，而且所述天线对所有极化响应相同，适用于各种极化的电磁波。

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，尤其涉及一种大口径平面消色差反射阵天线。

背景技术

传统的微波天线一般是由金属抛物面与位于金属抛物面焦点的馈源组成，利用金属抛物面的高反射特性将外界入射的电磁波收集到馈源处或将馈源发射的电磁波反射出去。该类天线虽然结构简单，工作频带宽，但它的体积庞大，隐蔽性差，难以运输，并且在高频处对曲面结构加工精度要求高。

近年来，利用电磁性能可调控的超材料，科研人员提出了平面反射阵天线，通过对阵中每个单元进行设计使其将外界入射的电磁波的相位或者将馈源辐射波的相位进行一定程度的调节，使得经反射阵反射的场在阵列口面上形成所需的相位分布，从而得到与传统微波天线类似的辐射特性。此类天线的优势在于重量轻，体积小，结构简单，加工成本低并且便于收藏与展开，无复杂的馈电网络，损耗小，效率较高。但由于金属谐振单元响应带宽窄，不同频率存在传输色散影响等原因，传统的反射阵天线的有效带宽通常都较窄。并且由于传统反射阵天线的单元尺寸较大，不适用于大口径反射阵天线。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一类基于超材料原理的新的单元结构和相位排布方式，设计了一类大口径平面消色差反射阵天线，该类天线在微波段连续频段内能将外界入射的任意极化电磁波反射到馈源处或将馈源的辐射波反射到空间中，其工作带宽比(有效工作带宽/工作带宽中间频率)20％。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：提出了一种大口径平面消色差反射阵天线，所述天线包括馈源、位于馈源下方的N层超材料以及紧贴于第N层超材料层的反射层构成；其中，每层超材料层包括介质板以及非周期排布于介质板上的多种金属谐振单元。

进一步地，所述馈源为喇叭馈源，所述馈源中轴线位于所述多层超材料中心上方；所述多层超材料能将外界入射的宽带电磁波反射到所述馈源处。

进一步地，所述N层超材料中N的取值为1,2,3,4或5。

进一步地，所述金属谐振单元为矩形金属环、圆形金属环或椭圆金属环的一种，所述环形金属环在一个周期内的数目为一、二或三个，其周期p的取值为3mm≦p≦10mm。

本发明结果的有益效果在于：

本发明结构采用新的超材料结构和相位排布方式，所述天线具有结构简单，口径大，工作带宽大，成本低等优势，并且所述天线对所有极化响应相同，适用于各种极化的电磁波。本发明所述多层超材料上的金属谐振单元分布通过优化算法得到，其计算过程程序化、代码化，有益于大规模的推广。

附图说明

图1为本发明的超材料金属谐振单元结构示意图；其中图1(a)为单个周期内有1个金属环的结构，图1(b)为单个周期内有2个金属环的结构，图1(c)为单个周期内有3个金属环的结构。

图2为本发明的结构示意图；图2(a)为所述大口径平面消色差反射阵天线侧视图，图2(b)为所述多层超材料的正视图。图中1为馈源，2为多层超材料，3为反射层。

图3为本发明的所涉及的聚焦过程示意图；图中4为所述超材料层上的任意一个金属谐振单元。