线圆极化转换超构表面及FP谐振腔天线

线圆极化转换超构表面及fp谐振腔天线
技术领域
1.本发明属于微波通信技术领域，尤其涉及一种极化转换超构表面及fabry-perot谐振腔天线。


背景技术：

2.fabry-perot(简称fp)谐振腔天线是一种高增益天线，其通过简单的结构就能产生非常高的增益，因此在很多场合都得到了应用。特别是随着印刷电磁周期结构的兴起，将其作为部分反射表面(partially reflection surface,简称prs)覆层设计的fp谐振腔天线具有结构简单，性能稳定等特点，极大地促进了fp谐振腔天线向易加工、低剖面、低造价等方向发展。但目前的fp谐振腔天线大都是线极化辐射的，实现圆极化辐射是fp谐振腔天线的难点和研究的重点。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种可以实现极化转换的线圆极化转换超构表面及具有高增益特性的圆极化fp谐振腔天线。
4.为了实现上述目的，本发明采取如下的技术解决方案：
5.线圆极化转换超构表面，包括若干超构表面单元，所述超构表面单元包括上下叠放的上层介质板和下层介质板，所述上层介质板和所述下层介质之间设置金属地板；所述上层介质板的上表面设置有用于辐射圆极化电磁波的辐射贴片，所述辐射贴片为切除了两对角的正方形，所述辐射贴片上设置有第一金属化过孔，所述第一金属化过孔的中心和所述辐射贴片的中心不重合；所述下层介质板的下表面设置有和所述辐射贴片对应设置的用于接收线极化电磁波的接收贴片，所述接收贴片上设置有第二金属化过孔；所述金属地板上设置有通孔，所述第一金属化过孔、所述第二金属化过孔及所述通孔的中心重合。
6.进一步的，所述辐射贴片为轴对称图形，对称轴为其所在正方形的对角线。
7.进一步的，所述辐射贴片被切除的对角的面积和所述辐射贴片的面积的比不超过0.2。
8.进一步的，所述辐射贴片所在的正方形的边长为所述辐射贴片的边长，所述辐射贴片的边长为8.5mm～9.5mm。
9.进一步的，所述第一金属化过孔的中心和所述辐射贴片的x轴方向上的中心线之间的距离为1.2mm～1.6mm。
10.进一步的，所述第一金属化过孔的中心和所述辐射贴片的y轴方向上的中心线之间的距离为0.45mm～0.7mm。
11.进一步的，所述接收贴片为正方形金属贴片。
12.本发明还提供了一种fp谐振腔天线，包括：前述线圆极化转换超构表面；间隔设置于所述线圆极化转换超构表面下方的地板，所述线圆极化转换超构表面与所述地板形成谐振腔；位于所述线圆极化转换超构表面和所述地板之间的线极化馈源。
13.进一步的，所述线极化馈源为缝隙耦合贴片天线。
14.进一步的，所述线极化馈源包括上层馈源介质板、下层馈源介质板、馈源地板、馈源辐射贴片及馈电线，所述馈源辐射贴片设置于所述上层馈源介质板的上表面且其中心和所述上层馈源介质板的中心重合，所述馈电线设置于所述下层馈源介质板的下表面，所述馈源地板设置于上下叠放的所述上层馈源介质板和所述下层馈源介质板之间，所述馈源地板为所述地板，所述馈源地板上开设有一耦合缝隙，所述耦合缝隙和所述馈源地板的侧边平行且过所述馈源地板的中心，所述馈电线从所述下层馈源介质板的一侧边缘延伸至所述下层馈源介质板的中心，且所述馈电线和所述耦合缝隙相垂直。
15.由以上技术方案可知，本发明设计了能够对透射或者反射的电磁波的极化特性进行灵活调控的极化转换超构表面，该超构表面的反射相位和透射极化能够独立调控，具有较高反射率的同时对透射过的电磁波进行极化转换，将线极化波转换成圆极化波。将该线圆极化转换超构表面用作fp谐振腔天线的部分反射表面，与线极化馈源组成fp谐振腔天线，能够使fp谐振腔天线在保持高增益特性的同时实现圆极化辐射，实现了很好的高增益圆极化辐射特性，可以在卫星通讯的领域得到很好的应用。
附图说明
16.图1为本发明实施例线圆极化转换超构表面的平面示意图；
17.图2a为本发明实施例超构表面单元的结构示意图；
18.图2b为本发明实施例辐射贴片的结构示意图；
19.图2c为本发明实施例接收贴片的结构示意图；
20.图2d为本发明实施例金属地板的结构示意图；
21.图3a为不同边长的辐射贴片的超构表面单元的反射系数图；
22.图3b为第一金属化过孔的中心和辐射贴片的x轴方向上的中心线之间的距离不同时超构表面单元的反射系数图；
23.图4a和图4b为本发明实施例超构表面单元的参数图；
24.图5为本发明实施例fp谐振腔天线的结构示意图；
25.图6为本发明实施例fp谐振腔天线的部分剖切示意图；
26.图7为本发明实施例线极化馈源的结构示意图；
27.图8为本发明实施例fp谐振腔天线实际测试及仿真测试的反射系数图；
28.图9为本发明实施例fp谐振腔天线实际测试及仿真测试的增益图和轴比图；
29.图10为本发明实施例fp谐振腔天线实际测试及仿真测试的方向图；
30.图11为本发明实施例fp谐振腔天线实际测试及仿真测试的天线轴比随角度的变化图。
31.下面结合附图和各实施例对本发明进一步详细说明。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是，附图采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方
1c的边长w1可为8.5mm～9.5mm。图3a为不同边长的辐射贴片的超构表面单元(接收贴片的边长为7.6mm)的反射系数图，当辐射贴片的边长w1不同时，超构表面单元的反射系数也相应不同。图3b为第一金属化过孔a的中心和辐射贴片1-1c的x轴方向上的中心线l1之间的距离d不同时超构表面单元的反射系数图，当d的取值不同时，超构表面单元的反射系数也相应不同，第一金属化过孔a的中心和辐射贴片1-1c的x轴方向上的中心线l1之间的距离d可为1.2mm～1.6mm。通过调整w1、d的取值来调整超构表面的反射系数，使天线获得高增益。此外，还可以通过调整第一金属化过孔a的中心和辐射贴片1-1c的y轴方向上的中心线l2之间的距离d1的取值，来调整辐射圆极化波的轴比，d1可为0.45mm～0.7mm。可以通过仿真实验来优化w1、d、d1的取值，使超构表面单元在保持高反射率的同时，实现透射的线极化波到圆极化波的转换。本实施例的w1＝9mm、d＝1.4mm、d1＝0.6mm，w2＝7.6mm，辐射贴片1-1c被切除的等腰直角三角形区域的直角边的边长为4mm，本实施例的超构表面单元的s参数如图4a和图4b所示。从图4a和图4b可以看出，本实施例的超构表面单元的反射幅度为0.9，反射相位为18
°
，同时超构表面单元对两种极化波的透射幅度相等而相位相差90
°
，超构表面单元的透射波为圆极化波。
38.参照图5和图6，本实施例fp谐振腔天线包括线圆极化转换超构表面1、线极化馈源2及地板(2-3)，线圆极化转换超构表面1和地板形成谐振腔。本实施例的谐振腔天线的地板同时也是线极化馈源2的地板，即将线极化馈源2设置于地板上，线极化馈源2的地板同时也为谐振腔天线的地板可以简化天线的结构。谐振腔由线极化馈源2激励，线极化馈源2辐射线极化的电磁波，并在谐振腔内部形成线极化谐振，线圆极化转换超构表面1在提供高反射率的同时具有线极化波到圆极化波转换的能力，当谐振腔中的线极化电磁波透过线圆极化转换超构表面1到达腔体外部时将会被转化成圆极化波，从而使天线实现高增益圆极化辐射。线圆极化转换超构表面1和地板之间的间隔h根据谐振腔天线的谐振条件设置，可通过以下公式确定：
[0039][0040]
式中的为线圆极化转换超构表面的反射相位，为地板的反射相位，λ为电磁波波长，n可为任意整数，n＝0，
±
1，
±
2，
……
。本实施例的线极化馈源2采用缝隙耦合贴片天线，结合图5、图6和图7所示，线极化馈源2包括上层馈源介质板2-1、下层馈源介质板2-2、馈源地板2-3、馈源辐射贴片2-4及馈电线2-5。馈源辐射贴片2-4设置于上层馈源介质板2-1的上表面，且其中心和上层馈源介质板2-1的中心重合。馈电线2-5设置于下层馈源介质板2-2的下表面，馈源地板2-3设置于上下叠放的上层馈源介质板2-1和下层馈源介质板2-2之间，馈源地板2-3上开设有一耦合缝隙s，以实现从馈电线2-5到馈源辐射贴片2-4的耦合馈电。耦合缝隙s平行于馈源地板2-3的侧边并过馈源地板2-3的中心。馈源辐射贴片2-4为方形金属贴片，馈电线2-5为金属馈线。本实施例的馈源辐射贴片2-4是边长lp为6.6mm的正方形，耦合缝隙s的长度ls为5.5mm、宽度为0.7mm，馈电线2-5的宽度w0为2.1mm。馈电线2-5从下层馈源介质板2-2的一侧边缘延伸至下层馈源介质板2-2的中心，馈电线2-5和耦合缝隙s相垂直。
[0041]
图8为对本实施例fp谐振腔天线进行实际测试及采用cst电磁仿真软件进行仿真得到的反射系数图。图8中的sim.曲线为仿真测试的反射系数曲线，mea曲线为实际测试的
反射系数曲线，从图8可以看出，本实施例的fp谐振腔天线的-10db反射系数带宽为9.78～10.26ghz。
[0042]
图9为对本实施例fp谐振腔天线进行实际测试及仿真测试得到的增益图和轴比图，从图9可以看出，天线增益在10ghz处达到最大值，仿真结果为18.1dbi，测试结果为17.8dbic，此时天线的效率为53.3％。测试的增益最大值比仿真的增益最大值低了0.3db。天线实际测试的3db增益带宽为9.8～10.2ghz。天线在10ghz处的实际测试轴比为0.3db，轴比小于3db的带宽为9.7～10.3ghz。综合考虑天线的阻抗带宽、增益带宽和轴比带宽，天线的工作带宽为9.8～10.2ghz。
[0043]
图10为对本实施例fp谐振腔天线进行实际测试及仿真测试得到的在10ghz处两个平面内的方向图，从图10可看出，天线呈现出良好的方向图特性，实际测试的天线主波束与仿真结果几乎相同，天线的副瓣电平小于-15db，交叉极化电平均在-18db以下。
[0044]
图11为对本实施例fp谐振腔天线进行实际测试及仿真测试得到的天线轴比随角度的变化图，从图11可以看出，天线在所有频率处主辐射方向
±
15
°
范围内的轴比均小于3db，这一范围覆盖了天线的半功率波束宽度。
[0045]
从以上仿真和测试结果可知，包含了本发明的线圆极化转换超透表面的fp谐振腔天线采用线极化接收贴片接收电磁波，圆极化辐射贴片辐射电磁波，且线圆极化转换超构表面的反射性能和投射性能可以独立调控，能够通过简单的结构实现高增益圆极化辐射，天线的口径效率高，具有良好的主波束。
[0046]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。