[发明专利]一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线

权利要求书

1.一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线，包括各向异性超表面主反射镜(1)、有源超表面副反射镜(2)、支撑结构(3)和固定在各向异性超表面主反射镜(1)中心位置的馈源(4)，其特征在于，有源超表面副反射镜(2)和各向异性超表面主反射镜(1)平行设置在支撑结构(3)两端，有源超表面副反射镜(2)的中心法线与各向异性超表面主反射镜(1)的中心法线重合，馈源(4)的相位中心与有源超表面副反射镜(2)的焦点重合；所述各向异性超表面主反射镜(1)采用由M行N列个均匀排布的各向异性单元(11)组成的平面阵结构，M≥12,N≥12；每个各向异性单元包括第一介质层(111)、印制在第一介质层(111)一个侧面的正交环贴片(112)和另一个侧面的金属地板(113)；每个正交环贴片(112)包括主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)，主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)分别沿各向异性单元(11)两条相互垂直的边分布，主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)的中心均与各向异性单元(11)上表面中心重合，主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)能够分别针对主极化波和交叉极化波进行独立调制；通过计算每个主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)的相位补偿值后，再经过仿真实验得到每个各向异性单元(11)中主极化矩形环(1121)和交叉极化矩形环(1122)相位值相对应的尺寸；所述有源超表面副反射镜(2)采用由P×Q个相同的极化转化单元(21)组成的平面阵结构，P≥4，Q≥4，每个极化转化单元(21)包括第二介质层(211)、贴片结构(212)、两条金属带线(213)、两根金属柱(214)、第三介质层(215)和金属层(216)；所述第二介质层(211)上表面印制贴片结构(212)，下表面印制金属带线(213)；所述贴片结构(212)包括矩形金属斜环(2121)和变容二极管(2122)，矩形金属斜环(2121)沿第二介质层(211)上表面的主对角线分布,电容值可变的变容二极管(2122)嵌入矩形金属斜环(2121)的两条长边中间的开口处，所述有源超表面副反射镜(2)在变容二极管(2122)的V₁偏置电压状态产生右旋圆极化波，V₂偏置电压状态产生左旋圆极化波；所述金属带线(213)与极化转化单元(21)的一边平行，两条金属带线(213)通过两条金属柱(214)分别与矩形金属斜环(2121)的两个短边相连；所述第三介质层(215)下表面印制金属层(216)。

2.根据权利要求1所述一种极化可重构的涡旋多波束超表面卡塞格伦天线，其各向异性超表面主反射镜(1)相位补偿值的公式如下：

其中，以uvw为坐标轴建立空间直角坐标系，u代表主极化方向，v代表交叉极化方向，坐标轴u和坐标轴v组成的平面平行于各向异性超表面主反射镜(1)的上表面，坐标轴w垂直于坐标轴u和坐标轴v组成的平面，表示第m行第n列各向异性单元(11)中主极化矩形环(1121)的相位补偿值，表示第m行第n列各向异性单元(11)中交叉极化矩形环(1122)的相位补偿值，1≤m≤M，1≤n≤N，k₀表示自由空间中电磁波的波数，| |表示求绝对值操作，表示第m行第n列各向异性单元(11)的中心坐标，表示各向异性超表面主反射镜(1)的焦点坐标，Arg表示求角度操作，∑表示求和操作，N表示涡旋多波束超表面天线产生的涡旋波束总数，N≥2，exp表示以自然对数e为底的指数操作，j表示虚数单位符号，l_p表示涡旋多波束超表面天线产生的第p个波束的模态值，表示第m行第n列各向异性单元(11)的方位角度，表示涡旋多波束超表面天线产生的第p个波束的指向，θ_p表示涡旋多波束超表面天线产生的第p个波束的俯仰角，表示涡旋多波束超表面天线产生的第p个波束的方位角，表示涡旋多波束超表面天线产生的第p个波束主极化方向的初始相位，表示涡旋多波束超表面天线产生的第p个波束交叉极化方向的初始相位。