一種基于超表面的變極化多功能微帶陣天線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微帶陣天線技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種基于超表面的變極化多功能微帶 陣天線。
【背景技術(shù)】
[0002] 反射陣天線運一概念最早由Berry等人于1963年首次提出并得到實驗驗證，主要 依靠校正陣列單元的相位實現(xiàn)所需的福射性能。但由于采用了開口波導作為相移單元，其 體積龐大且重量笨重，直到上世紀九十年代，隨著印刷電路工藝的不斷成熟和平面微帶天 線研究的逐步興起，反射陣天線重新激起了世界研究人員的濃厚興趣和研究熱潮，成為天 線領(lǐng)域和學術(shù)界的研究熱點，相關(guān)應用研究也進入了空前繁榮時期。微帶平面反射陣天線 是將反射面天線和陣列天線有機結(jié)合而形成的一種新型天線，由微帶反射陣列和初級饋源 組成，工作原理是通過調(diào)節(jié)微帶單元反射系數(shù)相位來補償陣面相位，從而實現(xiàn)特定形狀的 方向圖。與相控陣天線、拋物面天線相比，反射陣天線一般采用印刷結(jié)構(gòu)和空饋形式，只需 對單元附加特定的相位就可W實現(xiàn)特定方向的波束掃描，無需復雜的波束形成饋電網(wǎng)絡(luò)和 收發(fā)組件，具有設(shè)計簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、增益高、剖面低、重量輕、損耗小、易與載體表面共形、 便于折疊和展開、易于制作和成本低等優(yōu)點。同時，由于單元相位獨立可控，反射陣天線可 實現(xiàn)大角度范圍波束掃描、波束賦形甚至多極化、變極化和雙頻工作。目前，國內(nèi)外對微帶 反射陣天線的研究主要集中在W下=個方面。一是反射陣單元結(jié)構(gòu)設(shè)計和特性研究，如何 尋求結(jié)構(gòu)合理、性能優(yōu)越、相位易控的反射陣單元是首要解決的核屯、技術(shù)問題，是整個反射 陣天線系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。二是反射陣天線的寬頻/多頻技術(shù)研究，運得益于寬/多頻天線 在減小通信設(shè)備體積和重量W及降低系統(tǒng)復雜程度等方面具有舉足輕重的作用。=是反射 陣天線的應用研究。相比于反射陣天線，透射陣天線的研究則要晚很多，始于1997年，由于 其工作原理與反射陣天線極為相似，幾乎繼承了反射陣天線的所有特性，如高增益、高方向 性等，但同時又能克服反射陣天線的饋源遮擋問題W及無饋源遮擋反射陣天線的非對稱口 徑和大角度入射問題，因此廣泛受到工程研究人員的青睞，發(fā)展極為迅速。
[0003] 雖然研究人員在微帶反射陣、透射陣天線領(lǐng)域取得了很大進展，但也面臨一些挑 戰(zhàn)。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)反射、透射陣單元由于半波諧振，尺寸較大，單元在滿足幅度要求時相移范 圍有限，很難完全達到360°覆蓋。另一方面，根據(jù)福斯特電抗定理可知，無源電路中單元的 相位響應對頻率的導數(shù)總是正數(shù)且在諧振處色散強烈，相位變化劇烈且?guī)捠蹷ode-Fano 約束條件限制，天線的工作帶寬和效率受到限制。作為異向介質(zhì)的一種二維平面形式，超表 面應運而生，由于其獨特的電磁特性和平面結(jié)構(gòu)且能與飛機、導彈、火箭W及衛(wèi)星等高速運 行目標共形而不破壞其外形結(jié)構(gòu)及空氣動力學等特性，近年來受到研究人員的青睞和廣泛 關(guān)注。超表面按折射率/相位是否漸變可分為梯度超表面（GradientMetasurfaces,GMS) 和均勻超表面（化mogenousMetasurfaces，HMS)。2011年，廣義Snell折射/反射定律的發(fā) 現(xiàn)開辟了人們控制電磁波和光的全新途徑和領(lǐng)域，正在推動該領(lǐng)域產(chǎn)生一場技術(shù)革新，GMS 也因此成為異向介質(zhì)新的分枝和研究熱點。由于GMS作為一種基于相位突變和極化控制思 想設(shè)計的二維梯度結(jié)構(gòu)，可對電磁波的激發(fā)和傳輸進行靈活控制，實現(xiàn)奇異折射/反射、極 化旋轉(zhuǎn)化及非對稱傳輸?shù)绕娈惞δ?，具有更加強大的電磁波調(diào)控能力，GMS在隱身表面、共 形天線、數(shù)字編碼、平板印刷等方面顯示了巨大的潛在應用價值，成為各國搶奪的一個學科 制高點和學科前沿。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種可復用性好、集成度高的變極化多功能微帶陣天線。
[0005] 本發(fā)明設(shè)計的微帶陣天線，由饋源和微帶陣兩部分組成，饋源放置于微帶陣的焦 點巧止，用于對微帶陣上所有單元的激勵；參見圖9所示。其中，所述饋源為寬帶Vivaldi 天線且采用微帶禪合饋電，由上層開槽金屬、中層介質(zhì)板W及下層微帶線組成，其中，上層 中的開槽包括圓孔開槽(諧振環(huán)）和由窄逐漸變寬的縫隙區(qū)域，所述縫隙區(qū)域由兩根按指數(shù) 規(guī)律變化的漸變槽線構(gòu)成，漸變縫隙區(qū)域與開槽金屬構(gòu)成一對互補天線，且完成從饋電處 到自由空間的寬帶阻抗匹配；所述Vivaldi天線工作于整個X波段，由其福射的電磁波由縫 隙區(qū)域逐漸向外福射且為沿X方向極化(為線極化波)，增益較高；所述微帶陣由N*N個GMS 單元組成，其口徑面積為化巧化y;設(shè)D=Npx或化y，微帶陣的中屯、工作頻段為/。，焦距為 微帶陣口徑為焦徑比：巧〇 ;3,/7為Vivaldi天線的長和寬，^/1為Vivaldi天線縫隙區(qū)域終端 的寬度。運里，px、py分別為GMS單元在X、y方向的長度(周期)，N為整數(shù)且大于4An/px， 入。為電磁波在自由空間中的波長。
[0006] 本發(fā)明中，所述GMS單元由S層金屬結(jié)構(gòu)和兩層介質(zhì)板構(gòu)成，每層金屬結(jié)構(gòu)通 過在方形貼片上刻蝕不同旋轉(zhuǎn)角度的互補雙開口環(huán)諧振器（ComplementaryDual-Split RingResonator,CDSRR)得到，其中，上、中、下層結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，只是CDSRR依次順時 針旋轉(zhuǎn)45°，如圖1所示。工作時，橫電磁波（TEM波）沿Z軸垂直入射，電場沿X軸極化且 與開口方向同向，運里定義+Z軸入射為前向入射，-Z軸入射為后向入射，分別用上標巧口A 表不。
[0007] 為實現(xiàn)E、H面較對稱的福射方向圖和福射強度，本發(fā)明采用方形口徑，即GMS單 元在X、y方向的周期相等（PX=Py);同時為便于對微帶陣口徑相位的調(diào)控和良好的天線性 能，天線口徑應至少大于4A。;最后為緩解微帶陣口徑相位的劇烈變化，//D不宜太小，而 為了減小微帶陣天線的剖面尺寸，巧〇又不宜太大(根據(jù)實驗表明，巧0的選取范圍可為： 0. 2<//D<0. 8)。由于Vivaldi天線的端射福射特性W及水平極化，為實現(xiàn)對微帶陣的有效 激勵，Vivaldi天線需與微帶陣互相垂直放置，且微帶陣入射面中CDSRR的開口需沿y方向 放置。
[0008] 本發(fā)明中，GMS單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇為：A=A=IO臟一12mm，《=3. 6mm-4. 8mm, 馬=3mm-4. 2mm，滬0. 2mm-0. 4mm?；?、A分別為GMS單元在x、y方向的長度（周期），《、馬 分別為GMS單元中雙開口環(huán)諧振器的內(nèi)半徑和外半徑，（巧雙開口環(huán)諧振器的開口間距。
[0009] 本發(fā)明中，Vivaldi天線前端與微帶陣之間的距離為Z=35mm-40mm。
[0010] 本發(fā)明設(shè)計的微帶陣天線，首次將反射陣天線和透射陣天線相結(jié)合，集反射功能 和透射功于一體，不僅實現(xiàn)了微帶陣在反射、雙向福射W及透射之間的功能切換，同時還實 現(xiàn)了同極化和交叉極化之間的極化狀態(tài)切換。由于本發(fā)明將多種功能集成在一塊板子上， 具有可復用性好、集成度高和功能多等特性；同時由于運些功能工作在不同頻率處，一定程 度上拓展了天線的工作帶寬，而且多功能微帶陣天線只需2層介質(zhì)板即可實現(xiàn)，相比于W往多層設(shè)計，具有設(shè)計簡單、加工方便等優(yōu)點。
【附圖說明】
[0011] 圖1為GMS單元的拓撲結(jié)構(gòu)。其中，（a)全視圖；（b)上層結(jié)構(gòu)；（C)中層結(jié)構(gòu)；（d) 底層結(jié)構(gòu)。單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為：!，樂1=4. 8mm，馬=4. 2mm和滬0. 2mm。
[001引圖2為電場沿y軸極化時GMS單元的典型S參數(shù)。其中，（a)后向激勵；（b)前向 激勵。
[001引圖3為電場沿X軸極化時GMS單元的典型S參數(shù)。其中，（a)后向激勵；（b)前向 激勵。
[0014]圖4為GMS單元幅度和相位。
[001引圖5為GMS單元隨嚷化的I*:曲線。其中，（a)不同rf的幅度曲線；（b)8. 25細Z下幅度和相位的掃描結(jié)果。單元結(jié)構(gòu)參數(shù)為A=A=IOmm,K=4. 8mm和滬0. 2mm。
[001引 圖6為GMS單元隨《變化的苗.曲線。其中，（a) 6臟；（b) 2臟。單元的 其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為A二巧二10臟，滬0. 2mm。
[0017] 圖7為GMS單元隨（a)缺口巧P(b)周期A變化的曲線，單元其余結(jié)構(gòu)參數(shù)為 A=A=IO臟，《=4. 8mm和尸0. 6mm。
[0018] 圖8為不同頻率下GMS單元隨馬變化的（a)幅度和（b)相位曲線，單元結(jié)構(gòu)參數(shù) 為A=A= 10臟，滬〇?