[发明专利]基于全息超表面的共形表面波天线

说明书

本发明提出了一种基于全息超表面的共形表面波天线，包括单极子馈源和全息阻抗表面，全息阻抗表面包括m×n个周期性排布的阻抗表面单元，阻抗表面单元包括介质板、印制在介质板上表面中心位置的方形金属贴片和下表面的金属地板，阻抗表面单元的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，该干涉图分布对应的参考波为单极子馈源产生的圆柱形表面波，目标波为端射辐射的平面波。利用单极子馈源产生圆柱形表面波，经过全息阻抗表面的阻抗调制后形成平整的平面波前，在共形表面波天线的端射方向上实现定向辐射，当遇到曲面突起时，还可实现表面波的绕射传播。

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种共形表面波天线，具体涉及一种基于全息原理和人工阻抗表面的共形表面波天线，可用于飞行器系统和通讯系统。

技术背景

基于人工电磁结构的表面波天线因为具有低剖面、小体积、空气阻力小等特点而易于安装在各种表面上，因此可以很好地用作毫米波通讯系统的发射或接收天线，并广泛应用于飞行器系统和通讯系统中。

现有研究中基于人工电磁结构的表面波天线涉及平面结构和曲面共形结构，可实现端射或边射辐射。例如，2014年，王朝旭在名为“新型表面波天线的设计”的硕士论文中，公开了一种基于穿孔介质材料的表面波转换透镜天线，利用准保角光学变换和模式转换理论设计了一种表面波平面透镜，对表面波的传播路径进行调控，实现了端射辐射。又如，授权公告号为CN104112901B，名称为“全息人工阻抗表面共形天线”的中国专利，公开了一种全息人工阻抗表面共形天线，实现了将平面全息天线共形到任意复杂物体曲面上，将表面波转化为漏波辐射实现了边射辐射。

综上所述，现有研究均实现了特定场景中表面波天线的设计，但只针对于单一的平面或曲面共形结构，由于各自的局限性，并不能解决平面上传播的电磁波在遇到曲面突起后进行绕射传播，并在端射方向上产生定向辐射的问题。全息人工阻抗表面作为一种新的人工电磁表面，具有易于共形、剖面低和易于加工等特点，可以精确地对表面波进行调控。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于全息超表面的共形表面波天线，能够实现平面上传播的电磁波在遇到曲面突起后进行绕射传播，并形成天线端射方向上的高定向性波束辐射。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案，包括全息阻抗表面1和单极子馈源2，其中：

所述全息阻抗表面1，包括m×n个周期性排布的阻抗表面单元11，m≥40，n≥40，所述阻抗表面单元11包括介质板111、印制在介质板111上表面中心位置的方形金属贴片112和下表面的金属地板113；所述全息阻抗表面1的中间部分为圆柱状曲面，该圆柱状曲面曲率变化方向的两端分别连接有平面结构，且两个平面结构共面，所有阻抗表面单元11的表面阻抗基于全息原理的干涉图分布，所述方形金属贴片112的尺寸通过其所处位置的表面阻抗确定，所有方形金属贴片112形成明暗相间的V字形条纹；

所述单极子馈源2固定在全息阻抗表面1中任意一个平面结构上；

所述全息阻抗表面1通过将单极子馈源2产生的圆柱形表面波调制成平整的平面波前，实现在该全息阻抗表面1的端射方向上高定向性波束；

所述基于全息原理的干涉图分布，其对应的参考波为单极子馈源2产生的圆柱形表面波，对应的目标波为全息阻抗表面1端射方向上的辐射平面波，其中：

圆柱形表面波的电场ψ_ref的表达式为：

辐射平面波的电场ψ_obj的表达式为：

其中，k₀为自由空间波数，n为全息阻抗表面的平均表面折射率，r₁为全息阻抗表面上任意一点沿表面与单极子馈源的距离，为全息阻抗表面上任意一点相对于单极子馈源所在位置的位置矢量，为辐射平面波的波矢，其中：