一种超表面多波束极化天线

技术领域

本发明涉及一种多波束天线，特别是一种超表面多波束极化天线。

背景技术

对于需要多路复用的通信系统，通常使用不同极化方向的天线来进行信号传输。传统的多波束天线馈电网络复杂，体积庞大，不利于系统集成。

因此，亟需一种超表面多波束极化天线。

发明内容

本发明公开了一种线极化超表面多波束天线，天线单元采用双谐振环圆形超表面单元结构，通过改变圆形金属贴片的轴长来分别对水平线极化波和垂直线极化波的相位进行独立调控，且调控相位区间覆盖2π。通过广义斯涅尔定律计算得到超表面阵列每个单元的相位分布，并将其转换成相应的贴片尺寸分布，从而实现了超表面天线多波束的辐射效果。具体技术方案如下：

一种超表面多波束线极化天线，所述超表面多波束线极化天线由多个超表面单元组成的超表面阵列构成，每个超表面单元内设置有线极化贴片，所述线极化贴片用于对不同极化方向的线极化波产生不同的相位相应；所述超表面陈列通过多个不同相位相应的所述线极化贴片，产生极化方向不同的波束。

优选的，每个所述超表面单元内的线极化贴片的轴长不同，通过预设轴长对不同极化方向的线极化波产生不同的相位响应。

优选的，所述线极化贴片为椭圆形，所述轴长包括长轴长度和短轴长度。

优选的，所述极化贴片包括：边框、谐振环、椭圆贴片；所述边框为正方向金属框，所述谐振环为所述边框内切的圆形金属环，所述椭圆贴片设置在所述谢振环内，且所述椭圆贴片与所述谐振环不接触。

优选的，所述超表面阵列内的每个所述超表面单元按照预设位置设置。

优选的，每个所述超表面单元的位置设置通过如下公式确定：

其中，

优选的，每个所述超表面单元内设置有多层所述线极化贴片，设置在通一个超表面单元的所述线极化贴片形状相同，每层线极化贴片之间用介质基板相隔开。

优选的，所述线极化贴片设置有四层，所述介质基板设置有三层，所述线极化贴片与所述介质基板间隔设置。

优选的，每层介质基板的厚度为1.6mm，谐振环宽度皆为0.1mm。

优选的，所述介质基板的材料为介电常数为2.2的F4B。

本发明的有益效果如下：

本发明公开了一种线极化超表面多波束天线，天线单元采用双谐振环圆形超表面单元结构，通过改变圆形金属贴片的轴长来分别对水平线极化波和垂直线极化波的相位进行独立调控，且调控相位区间覆盖2π。通过广义斯涅尔定律计算得到超表面阵列每个单元的相位分布，并将其转换成相应的贴片尺寸分布，从而实现了超表面天线多波束的辐射效果。其中两个波束的极化方向为水平极化，另外两个波束的极化方向为垂直极化，辐射角度分别为(phi＝0°，theta＝11°)、(phi＝0°，theta＝-11°)、(phi＝90°，theta＝11°)、(phi＝90°，theta＝-11°)，各波束能量比相同。通过使用超表面结构，可以大幅简化多波束天线的馈电网络，并对各个波束进行独立的调控。

附图说明

图1是一种超表面多波束极化天线的天线阵列结构图；

图2是一种超表面多波束极化天线的天线三维远场散射方向图之一(水平极化)；

图3是一种超表面多波束极化天线的天线三维远场散射方向图之一(垂直极化)；

图4是一种超表面多波束极化天线的天线三维远场散射方向图之一(45°极化)；

图5是一种超表面多波束极化天线的天线远场散射方向图测试结果与仿真对比图；

图6是一种超表面多波束极化天线的天线单元结构示意图。

具体实施方式

为使本说明书的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施例及其相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅是本说明书一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本文件保护的范围。

以下结合图1，详细说明本说明书各实施例提供的技术方案。

具体实施例1：

本发明公开了一种线极化超表面多波束天线，天线单元采用双谐振环圆形超表面单元结构，通过改变圆形金属贴片的轴长来分别对水平线极化波和垂直线极化波的相位进行独立调控，且调控相位区间覆盖2π。通过广义斯涅尔定律计算得到超表面阵列每个单元的相位分布，并将其转换成相应的贴片尺寸分布，从而实现了超表面天线多波束的辐射效果。具体技术方案如下：

一种超表面多波束线极化天线，所述超表面多波束线极化天线由多个超表面单元组成的超表面阵列构成，每个超表面单元内设置有线极化贴片，所述线极化贴片用于对不同极化方向的线极化波产生不同的相位相应；所述超表面陈列通过多个不同相位相应的所述线极化贴片，产生极化方向不同的波束。

优选的，每个所述超表面单元内的线极化贴片的轴长不同，通过预设轴长对不同极化方向的线极化波产生不同的相位响应。

优选的，所述线极化贴片为椭圆形，所述轴长包括长轴长度和短轴长度。

优选的，所述极化贴片包括：边框、谐振环、椭圆贴片；所述边框为正方向金属框，所述谐振环为所述边框内切的圆形金属环，所述椭圆贴片设置在所述谢振环内，且所述椭圆贴片与所述谐振环不接触。

优选的，所述超表面阵列内的每个所述超表面单元按照预设位置设置。

优选的，每个所述超表面单元的位置设置通过如下公式确定：

其中，

优选的，每个所述超表面单元内设置有多层所述线极化贴片，设置在通一个超表面单元的所述线极化贴片形状相同，每层线极化贴片之间用介质基板相隔开。

优选的，所述线极化贴片设置有四层，所述介质基板设置有三层，所述线极化贴片与所述介质基板间隔设置。

优选的，每层介质基板的厚度为1.6mm，谐振环宽度皆为0.1mm。

优选的，所述介质基板的材料为介电常数为2.2的F4B。

具体实施例2：

超表面单元为圆形贴片，通过改变轴长ax和ay能对不同极化方向的线极化波产生不同的相位响应，阵列单元的外形如图1所示，其周期为8mm，每层介质基板的厚度为1.6mm，谐振环宽度皆为0.1mm，基板材料为介电常数为2.2的F4B。

在CST2019里对天线单元进行建模分析，分别设置端口辐射波为水平极化波和垂直极化波，由结果可知，垂直极化波的透射特性仅与轴长ay有关，如图2所示，中心频率处，其相位覆盖一个周期，幅度大于0.8。

超表面天线的馈源极化方向为45°时，可以通过对水平极化和垂直极化分量进行不同的相位补偿，从而在phi＝0°面上获得两束传播方向不同的水平极化波束，在phi＝90°面上获得两束传播方向不同的垂直极化波束。此时，天线将辐射四束传播方向不同的线极化波束，其天线阵列的水平极化和垂直极化相位分布可以由公式计算得到。

其中，d为馈源天线的相位中心，f1，f2，f3，f4分别为四束波束的位置矢量。通过计算得到天线水平极化和垂直极化分量的相位分布，从而实现不同的分束效果。计算得到15×15规模的阵列上每个单元的相位分布，通过将每个单元的相位离散成0°，90°，180°，270°，并转换成相应的单元的尺寸分布，从而使得超表面能按广义斯涅尔定律理论结果朝不同方向辐射极化方向不同的波束，阵列天线的相位分布和模型如图3所示。

将阵列天线与馈源天线在CST里进行远场联合仿真，仿真结果如图4，图5所示，可知当入射波为水平极化波时，阵列天线的出射波为两束在phi＝0°面上传播方向分别为-11°和11°的水平极化波；当入射波为垂直极化波时，阵列天线的出射波为两束在phi＝90°面上传播方向分别为-11°和11°的垂直极化波；当入射波为45°极化波时，阵列天线的出射波为四束，传播方向与上述四束波束相同，各波束能量比相同。可知，通过对阵列各单元轴长设计，可以实现对电磁波水平极化和垂直极化分量的独立调控，从而实现多波束的分束效果，其仿真结果与理论分析基本一致。

以上所述仅为本说明书的优选实施例而已，并不用于限制本说明书，对于本领域的技术人员来说，本说明书可以有各种更改和变化。凡在本说明书的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本说明书的保护范围之内。