本發(fā)明涉及天線技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及基于超表面平面透鏡的透鏡天線。

背景技術(shù)：

透鏡天線是一種能夠通過電磁波、將點(diǎn)源或線源的球面波或柱面波轉(zhuǎn)換為平面波從而獲得筆形、扇形或其他形狀波束的天線。廣泛應(yīng)用于微波中繼通信中。通過合理設(shè)計(jì)透鏡表面形狀和折射率n，調(diào)節(jié)電磁波的相速以獲得輻射口徑上的平面波前。透鏡可用天然介質(zhì)(n>1)制成，也可用由金屬網(wǎng)或金屬板等構(gòu)成的人造介質(zhì)(n>1或n<1)制成。傳統(tǒng)的透鏡天線，比如非金屬介質(zhì)透鏡天線、人造介質(zhì)透鏡天線、h-面金屬板透鏡天線、e-面金屬板透鏡天線等，其透鏡一般為曲面形狀，不僅體積大，而且加工復(fù)雜。隨著超材料快速發(fā)展，出現(xiàn)了利用超材料單元結(jié)構(gòu)構(gòu)成的透鏡天線比如近零折射率和漸變折射率透鏡天線。然而構(gòu)成這些透鏡的超材料單元結(jié)構(gòu)往往是三維塊狀結(jié)構(gòu)，依然存在體積大、重量大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、駐波比差的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明實(shí)施例提供了一工作于x波段的超表面透鏡天線，可以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題。

一種超表面透鏡天線，所述超表面透鏡天線通過在圓錐喇叭天線口徑面上加載超薄的透射型波束聚焦超表面實(shí)現(xiàn)，所述透射型波束聚焦超表面由多個(gè)透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)組成，每個(gè)所述透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)由三層金屬結(jié)構(gòu)和兩層介質(zhì)基板構(gòu)成，從下至上依次為金屬柵、介質(zhì)基板、金屬橢圓形開口諧振環(huán)、介質(zhì)基板、金屬柵，最上層和最下層的金屬柵相互正交，中間金屬橢圓形開口諧振環(huán)斜置45°，為極化旋轉(zhuǎn)組件。

優(yōu)選地，所述介質(zhì)基板選用厚度為h＝2mm，相對(duì)介電常數(shù)εr＝2.65，損耗角正切值tanδ＝0.001的f4b介質(zhì)基板。

優(yōu)選地，所述金屬橢圓形開口諧振環(huán)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度u、短軸長(zhǎng)度v和開口角度α之間為線性函數(shù)：u＝c1*α+c2，v＝c3*u+c4，其中c1、c2、c3和c4均為系數(shù)。

優(yōu)選地，所述透射型波束聚焦超表面的厚度為d＝4mm，所述超表面透鏡天線焦距為f＝150mm，天線口徑為a＝200mm。

優(yōu)選地，通過所述金屬橢圓形開口諧振環(huán)的開口角度、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度的調(diào)制實(shí)現(xiàn)所述透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)0～180°范圍內(nèi)的線極化轉(zhuǎn)換透射相移；通過所述金屬橢圓形開口諧振環(huán)的90°面內(nèi)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)所述透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)180°～360°范圍內(nèi)的線極化轉(zhuǎn)換透射相移。

本發(fā)明實(shí)施例中的超表面透鏡天線和現(xiàn)有的透鏡天線相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明的超表面透鏡天線由圓錐喇叭天線和透射型波束聚焦超表面組成，波束聚焦超表面采用印刷電路板技術(shù)制成，平面結(jié)構(gòu)、體積小、重量輕，工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低，亞波長(zhǎng)厚度；

2、本發(fā)明的超表面透鏡天線，具有帶寬寬、駐波比小、增益高、旁瓣低等優(yōu)點(diǎn)。

3、本發(fā)明的超表面透鏡天線，通過調(diào)節(jié)透射型線極化轉(zhuǎn)換超表面單元的尺寸、周期，可以改變超表面天線的工作頻段、帶寬、增益等特性，通過調(diào)整波束聚焦超表面的空間線極化轉(zhuǎn)換透射相位分布可調(diào)控超表面透鏡天線的口徑和縱向尺寸。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明超表面透鏡天線設(shè)計(jì)的透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)視圖；

圖2為本發(fā)明超表面透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明超表面透鏡天線中波束聚焦超表面中間層金屬橢圓形開口諧振環(huán)陣列正視圖；

圖4為本發(fā)明超表面透鏡天線中波束聚焦超表面在線極化平面波垂直入射時(shí)的交叉極化透射場(chǎng)幅度分布仿真結(jié)果；

圖5為本發(fā)明超表面透鏡天線中波束聚焦超表面在線極化平面波垂直入射時(shí)，軸向交叉極化透射場(chǎng)幅度分布仿真結(jié)果；

圖6為本發(fā)明超表面透鏡天線中圓錐喇叭天線的s11仿真結(jié)果；

圖7為本發(fā)明超表面透鏡天線中圓錐喇叭天線在中心頻點(diǎn)10ghz處的增益方向圖仿真結(jié)果；

圖8為本發(fā)明超表面透鏡天線的s11仿真結(jié)果；

圖9為本發(fā)明超表面透鏡天線在10ghz處的增益方向圖仿真結(jié)果；

圖10為本發(fā)明超表面透鏡天線、最優(yōu)喇叭天線、超表面透鏡天線中圓錐喇叭天線的峰值增益、e面半功率波束寬度、h面半功率波束寬度；超表面透鏡天線輻射效率和總效率的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

本發(fā)明的超表面透鏡天線為基于波束聚焦超表面加載的新型透鏡天線，該天線通過在圓錐喇叭天線口徑面上加載超薄的透射型波束聚焦超表面實(shí)現(xiàn)，所述透射型波束聚焦超表面由多個(gè)透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)組成。圖1為一個(gè)透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)視圖。

所述透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)由三層金屬結(jié)構(gòu)和兩層介質(zhì)基板構(gòu)成，從下至上依次為金屬柵、介質(zhì)基板、金屬橢圓形開口諧振環(huán)、介質(zhì)基板、金屬柵，最上層和最下層的金屬柵相互正交，中間金屬橢圓形開口諧振環(huán)斜置45°，為極化旋轉(zhuǎn)組件，如圖1(a)。由于斜置金屬橢圓形開口諧振環(huán)的存在，上下兩正交金屬柵構(gòu)成“法布里-珀羅”諧振腔，基于類法布里-珀羅諧振可實(shí)現(xiàn)高效的線極化轉(zhuǎn)換透射率，通過多諧振疊加可實(shí)現(xiàn)寬帶特性。單層介質(zhì)基板厚度為h＝2mm，選用相對(duì)介電常數(shù)εr＝2.65，損耗角正切值tanδ＝0.001的f4b介質(zhì)基板。金屬橢圓形開口諧振環(huán)的長(zhǎng)軸長(zhǎng)度u、短軸長(zhǎng)度v和開口角度α之間為線性函數(shù)：u＝c1*α+c2，v＝c3*u+c4，其中c1、c2、c3和c4均為系數(shù)，如圖1(b)。因此，在透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)的透射率基本保持不變的前提下，通過金屬橢圓形開口諧振環(huán)開口角度、長(zhǎng)軸長(zhǎng)度和短軸長(zhǎng)度的調(diào)制可實(shí)現(xiàn)0～180°范圍內(nèi)的線極化轉(zhuǎn)換透射相移；通過金屬橢圓形開口諧振環(huán)的90°面內(nèi)旋轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)180°～360°范圍內(nèi)的線極化轉(zhuǎn)換透射相移。同時(shí)，交叉極化透射率可保持基本不變，大于-0.5db。

如圖2所示，為所述超表面透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖，通過在圓錐喇叭天線的口徑面上加載d＝4mm厚的透射型波束聚焦超表面實(shí)現(xiàn)透鏡天線，如圖2(a)。超表面透鏡天線焦距為f＝150mm，天線口徑為a＝200mm，其它尺寸參數(shù)如圖2(b)中所示。

根據(jù)所需的超表面透鏡天線的尺寸參數(shù)和天線的工作頻段設(shè)計(jì)波束聚焦超表面。先依據(jù)工作頻段優(yōu)化設(shè)計(jì)透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)，再根據(jù)超表面透鏡天線的尺寸設(shè)計(jì)透射型波束聚焦超表面的空間相位分布，對(duì)透射型線極化轉(zhuǎn)換單元結(jié)構(gòu)的交叉極化透射相位進(jìn)行離散，同時(shí)針對(duì)入射角度進(jìn)行離散，最終確定組成透射型波束聚焦超表面的透射型線極化轉(zhuǎn)換單元種類數(shù)，依據(jù)透射型波束聚焦超表面所需的拋物型空間相位分布設(shè)計(jì)透射型波束聚焦超表面，x-(或y-)極化的平面入射波高效地透射且轉(zhuǎn)換為y-(或x-)極化的聚焦波束。

所述設(shè)計(jì)的x波段的波束聚焦超表面的中間層金屬橢圓形開口諧振環(huán)陣列正視圖如圖3中左圖所示，圖3中右圖為左圖的局部放大圖，所述金屬橢圓形開口諧振環(huán)陣列尺寸為：200mm×200mm。

如圖4所示，為x-極化平面電磁波垂直入射至透射型波束聚焦超表面時(shí)的交叉極化透射場(chǎng)能量密度分布?？梢钥闯觯航徊鏄O化透射波在中心頻點(diǎn)10ghz的寬帶頻率范圍內(nèi)均實(shí)現(xiàn)了很好的波束。

如圖5所示，為仿真得到的x-極化平面電磁波垂直入射時(shí)，軸向交叉極化電場(chǎng)幅度分布，從圖中可以看出，焦距約等于150mm，與設(shè)計(jì)的焦距一致。

如圖6所示，為圓錐喇叭天線的s11仿真結(jié)果，可以看出：在8-12ghz的寬帶頻率范圍內(nèi)，圓錐喇叭天線的s11均小于-10db。

如圖7所示，為中心頻點(diǎn)10ghz處圓錐喇叭天線的增益方向圖仿真結(jié)果，可以看出，天線的e面方向圖中間出現(xiàn)凹陷。

如圖8所示，為本發(fā)明超表面透鏡天線的s11仿真結(jié)果?？梢钥闯觯涸?-12ghz的寬帶頻率范圍內(nèi)，仿真得到的s11均小于-10db。

如圖9所示，為本發(fā)明超表面透鏡天線在中心頻點(diǎn)10ghz處的增益方向圖仿真結(jié)果?？梢钥闯觯撼砻嫱哥R天線的遠(yuǎn)場(chǎng)波束為筆形波束，e面波束寬度等于8°，h面波束寬帶等于10.8°，峰值增益為24.8db。

如圖10所示，為本發(fā)明超表面透鏡天線的主要性能參數(shù)仿真結(jié)果，其中(a)峰值增益，(b)e面半功率波束寬度，(c)h面半功率波束寬度，(d)基于超表面透鏡天線的輻射效率和總效率。

盡管已描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，但本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員一旦得知了基本創(chuàng)造性概念，則可對(duì)這些實(shí)施例作出另外的變更和修改。所以，所附權(quán)利要求意欲解釋為包括優(yōu)選實(shí)施例以及落入本發(fā)明范圍的所有變更和修改。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。