[实用新型]一种基于非色散超构表面的双频高增益天线

说明书

一种基于非色散超构表面的双频高增益天线，其由圆极化喇叭馈源和非色散超构表面组成，其中圆极化喇叭馈源提供照射的圆极化球面波，非色散超构表面在两个独立的频点处将喇叭辐射的球面波转化为平面波；上述非色散超构表面，由准周期排布的PB相位单元构成，所述的PB相位单元，由底层金属地板，中间介质层以及上层刻蚀的特定金属结构组成；所述的特定金属结构，由开口的外环和外环中央的“工”形结构组成。其中圆极化馈源提供照射的圆极化球面波，超构表面负责在8.6GHz与12.8GHz附近补偿相位从而将球面波转化为平面波，达到提高天线增益的目标。本实用新型通过采用高低频独立设计的方法来设计无色散的超构表面，提高天线的辐射效率。

技术领域

本实用新型涉及天线技术领域，特别涉及一种基于非色散超构表面的双频高增益天线。

背景技术

超构表面，英文名metasurface(MS)，由于其强大的电磁波前调控能力，自诞生之日起就受到了研究人员的广泛关注。通过设计亚波长尺寸的谐振单元，并将其按照一定的分布方式排布在二维平面上，可以实现对电磁波波前、极化等特性的灵活调控。将超构表面与天线相结合则可以通过补偿相位来实现高增益辐射，相比于传统抛物面天线和阵列天线，基于超构表面的高增益天线大大地降低了天线的体积，压缩了成本，同时也降低了系统损耗。基于这些优点，超构表面在天线设计领域具有广阔的应用前景。

CN201710482090.6公开了超表面透镜天线，该超表面透镜天线由圆锥喇叭天线和亚波长厚度的波束聚焦超表面组成。波束聚焦超表面利用具有抛物型交叉极化透射相位空间分布的透射型线极化转换单元结构阵列构成。透射型线极化转换单元结构从下到上依次为：金属栅、介质基板、金属椭圆形开口谐振环、介质基板和金属栅。所述透射型线极化转换单元结构尺寸、周期可以改变波束聚焦超表面的工作频段、带宽、聚焦效率等特性。

本实用新型超表面透镜天线中的核心组成部分波束聚焦超表面采用印刷电路板技术制成，造价低，平面结构，亚波长厚度，同时具有重量轻、体积小、驻波比小、波束窄、增益高等优点，可在任意频段设计实现。

高转化效率、宽频带Pancharatnam-Berry超表面研究(见白洋2015年第十七届全国晶体生长与材料学术会议摘要集)：超表面的出现为调控电磁波提供一种新方法,在波前相位控制、平板透镜、光学漩涡以及全息成像等诸多方面都显示出巨大的应用潜力。对于针对线极化电磁波的透射型超表面来说,其依靠亚波长结构单元的谐振作用,可实现对部分散射波(垂直于入射波的极化方向) 相位和幅值的调控,该调控作用与入射波长相关,最高转化效率约为25％。对于针对圆极化电磁波的透射型超表面来说,其依靠圆极化特征与不同旋向谐振单元的作用,使得部分散射波(与入射波极化方向相反)具有Pancharatnam-Berry 相位,该调控作用与波长无关,因此其工作频带大大展宽,结构单元也更加简单, 但最高转化效率也只有25％。

超构表面通过调节准周期排布的单元结构来实现相位补偿，从而实现对入射电磁波的调控。Pancharatnam-Berry(PB)理论从原理上分析了PB单元对圆极化入射波的调控情况，得出补偿相位φ与单元围绕几何中心旋转角度α之间存在2倍的关系。因此围绕PB理论，研究者们展开了广泛的研究。但是目前基于PB结构的超构表面大多是色散的，也就是说该型超构表面在不同频率处的相位响应是关联的，因此无法在两个乃至更多频点处独立实现相位调制。另外，虽然宽带PB超构表面可以在一定频带范围内实现电磁调控，但是随着频率逐渐偏离中心频点，超构表面的电磁特性也随之恶化。如果将其应用到高增益天线的设计中，那么随着频率偏移中心频率，由于超构表面的色散特性使得天线方向图逐渐恶化，以致天线效率降低，副瓣抬升。

因此，本实用新型核心在于设计非色散的超构表面，并将其应用到双频高增益天线的设计中，从而使得频率间隔较远的两个频点均能保持良好的辐射效果，最终达到双频高效高增益辐射的目标。

实用新型内容