一种新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线

1.本发明属于透射阵技术领域，尤其涉及一种新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线。


背景技术：

2.目前，透射阵作为一类新型平面高增益天线，能够将介质透镜天线和微带阵列天线的优势有机结合，具有体积小、重量轻、馈电简单、波束可赋形和控制、易于加工、成本低廉等特点，已在远距离无线通信系统中应用。透射阵一般由馈源和透射阵列组成，馈源置于透射阵列上方一定距离，虽然天线能够获得很好的高增益波束，但整个辐射系统的纵向剖面较高。为了克服这一缺陷，近年来关于折叠透射阵天线技术的研究逐渐兴起。折叠透射阵天线通常由上层透射阵列和下层反射型极化旋转表面构成，馈源置于下层反射型极化旋转表面中心位置。通过在上层透射阵列和下层反射型极化旋转表面之间引入两次电磁波路径折叠，该天线的纵向剖面高度可以降低至普通透射阵的1/3，同时能够在远场区域产生高增益辐射波束，因此在远距离通信系统中具有良好的应用前景。
3.然而，目前大多数折叠透射阵天线的总高度可以降低至普通透射阵的1/3，其纵向剖面高度的降低程度非常有限。而且，现有折叠透射阵天线仅能工作在线极化状态，在一定程度上限制了其应用范围。通常情况下，圆极化天线能够在复杂的电磁环境中接收来自不同方向的信号，抗干扰能力强，在雷达、通信、电子对抗等领域中应用广泛。圆极化折叠透射阵天线作为一种在工作频带内实现圆极化高增益波束的天线技术，是目前折叠透射阵天线技术的研究热点。为了实现圆极化折叠透射阵，目前普遍采用的方法是将馈源设计为圆极化天线，并将上层透射阵列单元设计成具有不同旋向圆极化反、透射波选择能力的单元结构。虽然这种方法使现有的折叠透射阵能够产生高增益圆极化辐射波束，但整个天线仅能工作在单一的圆极化状态，无法实现双圆极化工作状态切换，从而导致其应用范围受限。而且，现有圆极化折叠透射阵天线的总高度仅能降低至普通透射阵的1/3，无实现天线总高度的进一步降低，使其不易与系统集成。
4.虽然现有的折叠透射阵天线技术已经获得了广泛的应用，但随着现代无线通信系统集成度的不断提高和双圆极化天线的广泛应用，通信系统迫切要求一款结构简单的双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，但同时满足这些要求非常困难。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：（1）高度限制：现有的折叠透射阵天线虽然可以将纵向剖面高度降低至普通透射阵的1/3，但其纵向剖面高度的降低程度仍然有限。这限制了天线在一些应用场景中的集成性能。
6.（2）单极化状态：现有折叠透射阵天线仅能工作在单一的线极化状态，无法实现双圆极化工作状态切换。这限制了天线在复杂的电磁环境中的应用范围。
7.（3）集成困难：现有圆极化折叠透射阵天线的总高度仅能降低至普通透射阵的1/3，难以进一步降低天线的总高度，使其不易与现代无线通信系统的集成。
8.（4）结构复杂：为实现圆极化折叠透射阵，目前采用的方法是将馈源设计为圆极化天线，并将上层透射阵单元设计成具有不同旋向圆极化反、透射波选择能力的单元结构。这种结构增加了天线的复杂性，可能增加制造成本和加工难度。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线。
10.本发明是这样实现的，一种新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，所述透射阵天线用单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化表面单元，采用45
°
十字振子和周期性排布的矩形金属栅条的组合结构作为上层透射阵单元，采用开口波导作为线极化馈源；所述下层反射型超表面是由一系列相同尺寸的单层双i形贴片单元组成，上层透射阵列是由不同尺寸的45
°
十字振子单元沿x和y方向周期型排列而成的。
11.进一步，所述双圆极化折叠透射阵天线的馈源采用线极化开口波导天线并置于下层透射阵的中心位置；通过调节上层透射型阵列各单元的十字振子尺寸实现线极化入射波到圆极化透射波的转换，并获得特定的透射波相位分布，从而保证馈源发出的x（y）极化球面波经上层透射阵各单元透射后再转换为左旋（右旋）圆极化高增益平面波；下层反射型极化转换超表面具有极化转换功能，能够将x(y)极化入射波转换为y(x)极化反射波。
12.进一步，所述上层透射阵单元，用于实现上层透射阵列功能；所述上层透射阵单元由两层介质和三层金属结构组成；其中，两层介质均采用f4b基板（εr=2.65），顶层介质板厚度为t1=4mm，底层介质板厚度t2=0.5mm，顶层和底层介质板之间间隔h=2mm的空气层；前两层金属结构为相同大小的十字振子，分别刻蚀在顶层介质的上、下表面，通过四个完全相同且两两对称的金属化过孔连接，每个金属化过孔圆心同十字振子中心的距离保持相同；第三层金属结构为x方向周期排布的金属栅条，每两个金属栅条之间的间距保持相同；所述上层透射阵单元的中心工作频率为14.5ghz，x极化入射波可以顺利通过单元底层的金属栅条而对y极化入射波全反射，并且通过改变十字振子的臂长lu或lv可以对单元的x极化透射系数进行调节；当底层金属栅条绕z轴旋转90o, 金属栅条沿y方向周期性排布，此时y极化入射波可以顺利通过单元底层的金属栅条而对x极化入射波全反射，并且通过改变十字振子的臂长lu或lv可以对单元的y极化透射系数进行调节。
13.进一步，所述下层反射型极化表面单元，用于实现下层反射型极化转换表面功能；所述下层反射型极化表面单元结构包括三层，从上至下依次是双i形贴片，介质基板和金属地板；介质层采用厚度为0.5mm的f4b板，其介电常数εr=2.65；单元的上层金属贴片与x轴呈45o夹角。
14.进一步，所述上层透射阵列由不同尺寸十字振子单元在x和y方向进行排列组成，用于实现折叠透射阵天线的高增益双圆极化辐射；所述上层透射阵列由136个单元组成，相应的尺寸为120mm
×
120mm(d=120mm)，阵
列的焦距f设置为96mm，阵列中心开凿了40mm
×
20mm的矩形通孔，用于在阵列中心集成馈源开口波导。
15.进一步，所述单层双i形贴片单元，用于实现折叠透射阵天线的宽带圆极化工作以及对x极化波的透射；所述单层双i形贴片单元构建了由24
×
24个单元组成的反射型极化转换表面，其口面尺寸同上面的透射阵结构相同。
16.进一步，所述天线的双圆极化和超低剖面的工作机制具体为：(1)当馈源开口波导工作在x极化状态时，馈源发出的x极化球面波首先入射到下层反射型极化旋转表面被转换为y极化球面波，y极化球面波再入射到上层透射阵底部的金属栅条结构（此时栅条方向与x轴垂直）上被反射为y极化球面波，然后该y极化球面波再次入射到下层反射型极化旋转表面被转换为x极化球面波,最后该x极化球面波穿过上层透射阵列形成左旋圆极化（lcp）平面波，从而实现左旋圆极化高增益辐射；(2)当馈源和上层透射阵底部的金属栅条结构同时绕z轴旋转90o时，馈源开口波导工作在y极化状态，馈源发出的y极化球面波首先入射到下层反射型极化旋转表面被转换为x极化球面波，x极化球面波再入射到上层透射阵底部的金属栅条结构（此时栅条方向与y轴垂直）上被反射为x极化球面波，然后该x极化球面波再次入射到下层反射型极化旋转表面被转换为y极化球面波,最后该y极化球面波穿过上层透射阵列形成右旋圆极化（rcp）平面波，从而实现右旋圆极化高增益辐射。
17.进一步，所述位于上层透射阵列中心的馈源等效于距离透射阵下方一定高度f的镜像馈源；由于馈源发出的入射波在上层透射阵、下层反射型极化转换表面之间经历四次反射，从而使天线的高度能够降低至传统透射阵焦距的1/4。
18.进一步，所述通过调整馈源和上层透射阵底部的金属栅条结构的空间旋转角度，用于实现可自由切换的双圆极化高增益辐射。
19.结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：本发明提供的新型双圆极化折超低剖面叠透射阵天线采用了单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化转换表面的单元，实现反射波交叉线极化转换；再通过合理调节上层透射阵单元上的45o十字振子的臂长lu和lv实现透射波相位的独立控制。将不同尺寸的45o十字振子单元沿x和y方向排列组成透射阵；将单层双i形贴片单元沿x和y方向周期性排列组成反射型极化转换超表面。在此基础上，将设计的透射阵列置于上方，将设计的反射型极化转换超表面置于下方，采用开口波导作为线极化馈源，从而构成双圆极化超低剖面折叠透射阵天线。设计的折叠透射阵天线能够工作频带内实现高增益双圆极化辐射波束，且其纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4。
20.传统折叠透射阵天线的纵向剖面高度仅能降低至常规透射阵天线的1/3，且其极化方式单一，无法实现双圆极化，这极大地限制了其应用范围。相比较而言，本发明所提出的新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，利用不同尺寸的45o十字振子单元组成的透射
阵形成特定的透射波相位分布，实现了高增益圆极化平面透射波；利用单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化转换表面的单元，实现反射波交叉线极化转换。通过采用透射阵列、反射型极化转换超表面和馈源开口波导，有效地实现了双圆极化超低剖面圆极化折叠透射阵。因此，相比于传统折叠透射阵天线而言，本发明设计的新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，结构简单新颖，无需利用圆极化馈源，仅仅采用两种功能不同的电磁超表面和一种线极化馈源，就能在工作频带内实现双圆极化高增益波束，而且通过通过同时调整馈源开口波导和金属栅条的旋转角度，就可以实现天线在不同旋向圆极化的自由切换。此外，本发明设计的折叠透射阵天线的纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，其系统集成度也明显提高，本发明有力地促进了折叠透射阵天线技术的发展和应用，上述技术优势也正是本发明的创新点所在。所以本发明适合双圆极化超低剖面折叠透射阵天线设计。
21.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：和现有的透射阵天线相比，本发明所提出的超低剖面折叠透射阵天线，能够将其自身纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的近1/4，实现了其系统集成度的显著提高。在此前提下，仅仅使用单个线极化馈源，并通过同时调整馈源和上层阵列金属栅条的旋转角度，实现折叠透射阵天线的双圆极化高增益辐射模式自由可灵活切换。
22.第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：（1）本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明的技术方案填补了国内外折叠透射阵天线实现双圆极化高增益辐射且不同圆极化工作模式能自由切换的技术空白。目前，国内外现有的折叠透射阵天线技术仅能实现单一线极化或圆极化工作模式，且极化方式单一固化。
23.（2）本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：本发明的技术方案解决了折叠透射阵天线的双圆极化高增益辐射且不同圆极化工作模式能自由切换的技术难题，通过合理设计天线结构，并在此基础上同时调整线极化馈源和上层阵列金属栅条的旋转角度，实现折叠透射阵天线自由可灵活切换的双圆极化工作模式。目前，国内外现有的折叠透射阵天线技术仅能实现单一线极化或圆极化工作模式，且极化方式单一固化。
附图说明
24.图1是本发明实施例提供的双圆极化超低剖面折叠透射阵功能示意图；图2是本发明实施例提供的上层透射阵单元的结构图；（a）为结构侧视图；（b）为结构俯视图；图3是本发明实施例提供的底层金属栅条沿x方向周期排布时，上层透射阵单元在不同lu下x极化透射系数txx和y极化反射系数ryy的幅度和相位随频率的变化曲线；（a）为txx的幅度；(b) 为txx的相位；(c)为 ryy的幅度；（d）为ryy的相位；图4是本发明实施例提供的上层透射阵单元双圆极化工作机理，(a) 为x极化-左旋圆极化转换；(b)为 y极化-右旋圆极化转换；图5是本发明实施例提供的不同入射角度照射下的上层透射阵单元电磁性能；(a)
为垂直照射条件下的 tuu 幅度随lu的变化；(b)为垂直照射条件下的 tuu 相位随lu的变化；(c)为不同斜入射角度下的 tuu 幅度随lu的变化；(b)为不同斜入射角度下的 tuu 相位随lu的变化；图6是本发明实施例提供的反射型极化转换单元结构图；(a)为侧视图；(b)为俯视图；图7是本发明实施例提供的反射型极化旋转超表面单元的电磁性能；(a)为 rxy和ryy的幅度；(b)为 rxy和ryy的相位；(c)为不同斜入射角度下rxy的幅度；(d)为不同斜入射角度下rxy的相位；图8是本发明实施例提供的上层透射阵列表面示意图；图9是本发明实施例提供的反射型极化转换表面示意图；图10是本发明实施例提供的馈源开口波导天线结构图；图11是本发明实施例提供的双圆极化超低剖面折叠透射阵天线结构图；图12是本发明实施例提供的折叠透射阵天线不同频率处xoz面归一化辐射方向图；(a)为 x极化馈源激励，14ghz；(b)为y极化馈源激励，14ghz；(c)为 x极化馈源激励，14.5ghz；(d)为 y极化馈源激励，14.5ghz；(e) 为x极化馈源激励，14.9ghz；(f) 为y极化馈源激励，14.9ghz；图13是本发明实施例提供的天线在不同极化下的性能；(a)左旋圆极化状态下的增益和轴比；(b)右旋圆极化状态下的增益和轴比；图14是本发明实施例提供的线极化馈源开口波导天线的增益随频率变化曲线图。
实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
27.本发明的目的在于克服传统折叠透射阵仅能实现单一圆极化和纵向剖面高度降低程度有限等不足，提出了一种新型双圆极化超低折叠透射阵天线。该天线结构简单新颖，通过利用一种透射电磁表面作为上层透射阵列，利用一种反射型极化转换电磁表面作为下层副反射器，采用开口波导作为线极化馈源。和传统单圆极化折叠透射阵天线设计方法相比，本发明所设计的折叠透射阵天线结构相对简单，其纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，而且能够实现双圆极化自由切换。这种双圆极化超低剖面折叠透射阵天线的提出和设计，有力地推进了折叠透射阵天线技术的发展和应用。
28.为了实现上述目的，本发明采用单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化超表面单元，采用45o十字振子和周期性排布的矩形金属栅条的组合结构作为上层透射阵单元，采用开口波导作为线极化馈源。馈源发射出的线极化电磁波在上、下层阵列结构中折叠4次，最终穿过上层透射阵列，从而将其纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，实现超低剖面。此外，该天线通过合理调节上层透射阵不同位置双层45o十字的尺寸、馈源开口波导及极化栅的旋转角度，能够将馈源发出的线极化球面波转换为不同旋向的高增益圆
极化平面波。技术方案具体描述如下：本发明所设计的双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征包括：用单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化表面单元，采用45o十字振子和周期性排布的矩形金属栅条的组合结构作为上层透射阵单元，采用开口波导作为线极化馈源。
29.其中，下层反射型超表面是由一系列相同尺寸的单层双i形单元组成，上层透射阵列是由不同尺寸的45o十字振子单元沿x和y方向周期型排列而成的。该双圆极化折叠透射阵天线的馈源采用线极化开口波导天线并置于下层透射阵的中心位置。通过调节上层透射型阵列各单元的十字振子尺寸实现线极化入射波到圆极化透射波的转换，并获得特定的透射波相位分布，从而保证馈源发出的x（y）极化球面波经上层透射阵各单元透射后再转换为左旋（右旋）圆极化高增益平面波；下层反射型极化转换超表面具有极化转换功能，能够将x(y)极化入射波转换为y(x)极化反射波。本发明设计出的双圆极化超低剖面折叠透射阵天线功能如图1所示。
30.该天线的双圆极化和超低剖面的工作机制如下：(1)当馈源开口波导工作在x极化状态时，馈源发出的x极化球面波首先入射到下层反射型极化旋转表面被转换为y极化球面波，y极化球面波再入射到上层透射阵底部的金属栅条结构（此时栅条方向与x轴垂直）上被反射为y极化球面波，然后该y极化球面波再次入射到下层反射型极化旋转表面被转换为x极化球面波,最后该x极化球面波穿过上层透射阵列形成左旋圆极化（lcp）平面波，从而实现左旋圆极化高增益辐射；(2)当馈源和上层透射阵底部的金属栅条结构同时绕z轴旋转90o时，馈源开口波导工作在y极化状态，馈源发出的y极化球面波首先入射到下层反射型极化旋转表面被转换为x极化球面波，x极化球面波再入射到上层透射阵底部的金属栅条结构（此时栅条方向与y轴垂直）上被反射为x极化球面波，然后该x极化球面波再次入射到下层反射型极化旋转表面被转换为y极化球面波,最后该y极化球面波穿过上层透射阵列形成右旋圆极化（rcp）平面波，从而实现右旋圆极化高增益辐射；其中，位于上层透射阵列中心的馈源等效于距离透射阵下方一定高度f的镜像馈源，从而使设计的折叠透射阵天线性能具有和传统透射阵天线同样的性能。由于馈源发出的入射波在上层透射阵、下层反射型极化转换表面之间经历四次反射，从而使天线的高度能够降低至传统透射阵焦距的1/4。与此同时，通过调整馈源和上层透射阵底部的金属栅条结构的空间旋转角度，该天线实现了可自由切换的双圆极化高增益辐射。
31.从图1可以看出，为了实现折叠透射阵天线的超低剖面和双圆极化高增益辐射，要求设计的上层透射阵列能够能够反射一种线极化波；同时要求设计的上层透射阵列将另一种正交线极化入射波转换为特定旋向圆极化波。
32.为了实现如图1所示的上层透射阵列功能，本发明提出的上层透射阵单元的结构如图2所示。
33.该单元由两层介质和三层金属结构组成。其中，两层介质均采用f4b基板（εr=2.65），顶层介质板厚度为t1=4mm，底层介质板厚度t2=0.5mm，顶层和底层介质板之间间隔h=2mm的空气层。前两层金属结构为相同大小的十字振子，分别刻蚀在顶层介质的上、下表面，通过四个金属化过孔连接。第三层金属结构为x方向周期排布的金属栅条。该单元的中心工作频率为14.5ghz，x极化入射波可以顺利通过单元底层的金属栅条而对y极化入射波
全反射，并且通过改变十字振子的臂长lu或lv可以对单元的x极化透射系数进行调节。需要说明的是，当底层金属栅条绕z轴旋转90o, 金属栅条沿y方向周期性排布，此时y极化入射波可以顺利通过单元底层的金属栅条而对x极化入射波全反射，并且通过改变十字振子的臂长lu或lv可以对单元的y极化透射系数进行调节。图3给出了底层金属栅条沿x方向周期排布时，该单元在不同lu下x极化透射系数txx和y极化反射系数ryy的幅度和相位随频率的变化曲线。从图3可以看出，当lu从7.5mm变化到8.5mm， txx在12到15ghz范围内的幅值始终在0.8以上，相位变化范围始终在300o以上，且幅度和相位曲线都近似平行。如图3(c)和(d)所示，在不同lu下的ryy在12-15ghz范围内的幅值在0.99以上，相位曲线保持平行。所以，以上结果表明本发明提出的透射阵单元可以对一种线极化波入射，而对另一种正交线极化波反射，并且通过改变十字振子臂长对透射波相位进行调节。
34.该单元的双圆极化工作原理如图4所示。从图4(a)可以看出，当底层金属栅条沿x方向周期排布时，x极化入射波可以顺利通过金属栅条，然后穿过顶层的十字振子。由于十字振子与x轴呈45o夹角，将xoy坐标系旋转45o角得到uov坐标系，x极化透射波可以沿u轴和v轴分解为两个幅度相等的线极化分量。在此基础上，通过合理调节十字振子的臂长lu和lv，可以使这两个透射波分量之间保持90o相位差，从而形成左旋圆极化透射波；同样，从图4(b)可以看出，当底层金属栅条被旋转90o时，y极化入射波可以顺利通过金属栅条。此时，如果图4（b）中的十字振子的臂长lu，lv和图4(a)保持一致，y极化透射波仍然可以沿u轴和-v轴分解为两个幅度相等的线极化分量，但这两个透射波分量之间保持-90o相位差，从而形成右旋圆极化透射波。因此，该单元可以实现双圆极化工作。
35.图5(a)和(b)给出了单元在不同lv的情况下14.5ghz处的tuu(u极化透射系数)幅度和相位随lu的变化曲线。由图可知，当lu从3变化到13mm，tuu幅度在0.5以上，相位变化范围在300o以上。而且，随着lv的逐渐增大，tuu的幅度和相位曲线变化很小，这些结果表明该结构的u极化和v极化透射系数之间的互耦作用很小。该单元在不同斜入射角度下的t
uu
在14.5ghz处的幅度和相位随lu的变化曲线如图5(c)和(d)所示。可以看出，t
uu
的幅度在斜入射角度θi从0o到40o的区间内始终保持在0.5以上，相位曲线近似保持平行，说明单元在斜入射角度从0o到40o的区间内的电磁性能比较稳定。所以，以上结果表明本发明提出的透射阵单元能够通过分别调节lu和lv实现对tuu和tvv(v极化透射系数)300o以上相位的独立控制，从而使单元u极化和v极化透射波能够保持
±
90o相位差，进而实现双圆极化。同时，它的性能在斜入射角度小于40o的范围内基本保持稳定。在此基础上，通过对透射阵上各个单元十字振子臂长lu和lv，就可以在阵列上形成特定的透射相位分布，进而实现折叠透射阵天线的高增益圆极化辐射波束。
36.为了实现如图1所示的下层反射型极化转换表面功能，设计的单元结构如图6所示。整个单元结构包括三层，从上至下依次是双i形贴片，介质基板和金属地板。介质层采用厚度为0.5mm的f4b板，其介电常数εr=2.65。单元的上层金属贴片与x轴呈45o夹角。图7 (a)和(b)给出了该结构反射系数r
xy
和r
yy
的幅度谱和相位谱。可以看出r
xy
在9-19ghz的幅值大于0.95，r
yy
和r
xy
相位曲线基本平行且相位差保持在90o左右。图7 (c)和(d)给出了r
xy
在不同斜入射角度θi的频谱。由图可知，当θi从0o变化到45o时，r
xy
在工作频段内的幅度保持在0.8以上，且同一频率处的幅值差别不超过0.2。与此同时，不同θi下r
xy
的相位曲线基本保持平行。直到θi大于45o时，r
xy
的幅度和相位曲线才会明显恶化。以上仿真结果表明设计的单
元能够在较宽的频带内实现反射波的极化旋转，并且其电磁性能在斜入射角度不超过40o的范围内保持稳定。因此，以上结果说明该单元能够在较宽的频带内（9-19ghz）将x(y)极化入射波转换为y(x)极化反射波。同时，它的性能在斜入射角度小于40o的范围内基本保持稳定。在此基础上，将单元沿x和y方向周期性排列组成透射型极化转换超表面并作为折叠透射阵天线的下层副反射器，实现反射波交叉线极化转换功能。
37.为了实现折叠透射阵天线的高增益双圆极化辐射，本发明设计了由不同尺寸十字振子单元在x和y方向进行排列组成的上层透射阵列，由132个单元组成，相应的尺寸为120mm
×
120mm(d=120mm)，阵列的焦距f设置为96mm，其结构如图8所示。需要说明的是，阵列中心开凿了十字通孔是为了在阵列中心集成馈源开口波导，并用于调整馈源开口波导和下层金属栅条的旋转角度。
38.为了实现折叠透射阵天线的宽带圆极化工作以及对x极化波的透射，本发明采用前面所设计的单层双i形贴片单元，构建了由24
×
24个单元组成的反射型极化转换表面，其口面尺寸同上面的透射阵结构相同，其结构如图9所示。
39.由于开口波导天线具有辐射线极化电磁波，工作频带宽和结构简单等优点，因此本发明采用开口波导天线作为折叠透射阵的馈源天线，其结构如图10所示。该开口波导在工作频段内的增益在6-12db左右，s11低于-10db左右。
40.在此基础上，将透射阵列置于上方，将设计的反射型极化转换表面置于下方作为副反射器，得到如图11所示的双圆极化超低剖面折叠透射阵天线模型。该天线采用口面尺寸为25.4mm
×
12.7mm的开口波导作为馈源，置于上层透射阵中心位置，开口波导沿-z方向伸出超表面的高度为l=12mm。设计天线的纵向剖面高度h=(f+l)/4=27mm，相应的高度口径比为0.225。通过同时调节馈源的极化状态和金属栅条栅的旋转角度，天线能够实现左、右旋圆极化高增益波束的灵活切换。
41.图12给出了设计的折叠透射阵天线不同频率处xoz面归一化辐射方向图。可以看出，在14，14.5，14.9ghz处的方向图基本一致。而且，当馈源开口波导工作在x极化且上层透射阵列底部金属栅条沿x方向排布时，天线在各频率处的主波束极化方式均为左旋圆极化；同时将馈源开口波导和底层金属栅条旋转90o，天线主波束极化方式均为右旋圆极化。图13(a)和(b)分别给出了该天线在左旋和右旋圆极化模式下的增益和轴比随频率的变化曲线。由图13(a)可知，天线在左旋模式下的3-db增益带宽达到11.2%（13.5-15.1ghz），在13.9-14.9ghz范围内的轴比值低于3db，在14.4ghz处的增益均达到峰值19.9dbi。由图13 (b)可知，在右旋模式下的3-db增益带宽达到10.5%（13.6-15.1ghz），在13.8-15.1ghz范围内的轴比值低于3db，在14.5ghz处的增益均达到峰值19.3dbi。上述结果表明设计的折叠透射阵天线能够在工作频带内实现高增益双圆极化辐射波束，并且通过同时调整馈源开口波导和金属栅条的旋转角度，就可以实现天线在不同旋向圆极化的自由切换，从而验证了本发明的有效性。更进一步来说，本发明提出的折叠透射阵天线，仅仅采用两种功能不同的电磁表面和一种线极化馈源，就实现了双带圆极化高增益辐射，其纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，实现了超低剖面。天线结构简单新颖，系统集成度明显提高。
42.通过上述技术方案，设计出了一种新型双圆极化折超低剖面叠透射阵天线。本方案采用了单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化转换表面的单元，实现反射波交叉线极化转换；再通过合理调节上层透射阵单元上的45o十字振子的臂长lu和lv实现透
射波相位的独立控制。将不同尺寸的45o十字振子单元沿x和y方向排列组成透射阵；将单层双i形贴片单元沿x和y方向周期性排列组成反射型极化转换超表面。在此基础上，将设计的透射阵列置于上方，将设计的反射型极化转换超表面置于下方，采用开口波导作为线极化馈源，从而构成双圆极化超低剖面折叠透射阵天线。设计的折叠透射阵天线能够工作频带内实现高增益双圆极化辐射波束，且其纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4。
43.传统折叠透射阵天线的纵向剖面高度仅能降低至常规透射阵天线的1/3，且其极化方式单一，无法实现双圆极化，这极大地限制了其应用范围。相比较而言，本发明所提出的新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，利用不同尺寸的45o十字振子单元组成的透射阵形成特定的透射波相位分布，实现了高增益圆极化平面透射波；利用单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化转换表面的单元，实现反射波交叉线极化转换。通过采用透射阵列、反射型极化转换超表面和馈源开口波导，有效地实现了双圆极化超低剖面圆极化折叠透射阵。因此，相比于传统折叠透射阵天线而言，本发明设计的新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，结构简单新颖，无需利用圆极化馈源，仅仅采用两种功能不同的电磁超表面和一种线极化馈源，就能在工作频带内实现双圆极化高增益波束，而且通过通过同时调整馈源开口波导和金属栅条的旋转角度，就可以实现天线在不同旋向圆极化的自由切换。此外，本发明设计的折叠透射阵天线的纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，其系统集成度也明显提高，本发明有力地促进了折叠透射阵天线技术的发展和应用，上述技术优势也正是本发明的创新点所在。所以本发明适合双圆极化超低剖面折叠透射阵天线设计。
44.二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
45.（1）本发明设计的折叠透射阵天线结构简单，其纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，具有超低剖面特征，同时具有高增益辐射特性，在对系统集成度要求较高的卫星通信、雷达探测等领域具有良好的应用前景。
46.（2）首先，本发明设计的折叠透射阵天线辐射圆极化波，可以在抗干扰通信系统（比如卫星通信）具有广泛应用。
47.（3）本发明设计的折叠透射阵具有双圆极化辐射特性，且不同旋向圆极化辐射模式可以通过同时调整线极化馈源和上层阵列金属栅条的旋转角度灵活自由切换，能够满足现代雷达、卫星通信对不同圆极化工作模式的灵活多变的功能需求，对多功能通信系统发展提供新的解决方案。
48.应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
49.三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积
极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
50.本发明所设计的折叠透射阵天线，取得了超低剖面、高增益、双圆极化且不同旋向圆极化可以灵活自由切换等积极效果。
51.图1给出了设计的天线结构。从图1可以看出，该折叠透射阵天线的纵向剖面高度为h，其中h的值为(f+l)/4=27mm；f=96mm，代表传统透射阵天线的焦距，l=12mm，代表折叠透射阵的馈源波导天线伸出上层透射阵下方的距离。结合图1，普通透射阵纵向剖面高度f=96mm，而本发明提出的折叠透射阵天线的纵向剖面高度h=27mm。所以，和普通透射阵天线相比，本发明设计的折叠透射阵纵向剖面高度能够降低至普通透射阵的1/4，具有超低剖面特征。
52.为了说明本发明所设计的折叠透射阵天线取得高增益的积极效果，图14给出了本发明所使用的线极化馈源开口波导天线的增益随频率变化曲线图。图14的试验结果表明，线极化馈源开口波导天线在14-15ghz的增益为8.9-9.4db；图13的试验结果表明，设计的折叠透射阵天线在左旋、右旋圆极化工作模式下，14-15ghz的增益约在16.3-19.9db。相比于单个馈源开口波导，设计的折叠透射阵天线增益净增至少7.4db以上。所以，本发明设计的折叠透射阵天线在左、右旋圆极化工作模式下均取得高增益的积极效果。
53.为了说明本发明所设计的折叠透射阵天线取得双圆极化且不同旋向圆极化可以灵活自由切换的积极效果，图12给出了设计的折叠透射阵天线不同频率处xoz面归一化辐射方向图。其中，图12(a)，(c)，(e)给出的是馈源开口波导工作在x极化且上层透射阵列底部金属栅条沿x方向排布的情形下，设计的折叠透射阵天线在14，14.5，14.9ghz处的辐射方向图；图12(b)，(d)，(f)给出同时将馈源开口波导和底层金属栅条旋转90o的情形下(此时馈源开口波导工作在y极化且上层透射阵列底部金属栅条沿y方向排布)，设计的折叠透射阵天线在14，14.5，14.9ghz处的辐射方向图。从图12(a)，(c)，(e)可以看出，天线在各频率处的方向图基本一致，且主波束极化方式均为左旋圆极化；从图12(b)，(d)，(f)可以看出，天线在各频率处的方向图仍然保持一致，但主波束极化方式均为右旋圆极化。因此，上述结果表明，通过同时调整线极化馈源和上层阵列金属栅条的旋转角度，设计的折叠透射阵天线取得双圆极化且不同旋向圆极化可以灵活自由切换。进一步，图13(a)和(b)分别给出了该天线在左旋和右旋圆极化模式下的增益和轴比随频率的变化曲线。其中，轴比值是反映天线圆极化性能的重要技术指标；通常情况下，轴比值低于3db，表明天线实现了圆极化。由图13(a)可知，当天线在左旋圆极化工作模式下，其轴比值低于3db的频率范围为14-14.9ghz；由图13 (b)可知，在右旋圆极化工作模式下，轴比值低于3db的频率范围为14-15.2ghz。图13的试验结果也表明了本发明提出的折叠透射阵天线在一定的工作频带内实现了双圆极化。
54.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述透射阵天线用单层介质板结构的双i形贴片作为下层反射型极化表面单元，采用45
°
十字振子和周期性排布的矩形金属栅条的组合结构作为上层透射阵单元，采用开口波导作为线极化馈源；所述下层反射型超表面是由一系列相同尺寸的单层双i形贴片单元组成，上层透射阵列是由不同尺寸的45
°
十字振子单元沿x和y方向周期型排列而成的。2.如权利要求1所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述双圆极化折叠透射阵天线的馈源采用线极化开口波导天线并置于下层透射阵的中心位置；通过调节上层透射型阵列各单元的十字振子尺寸实现线极化入射波到圆极化透射波的转换，并获得特定的透射波相位分布，从而保证馈源发出的x（y）极化球面波经上层透射阵各单元透射后再转换为左旋（右旋）圆极化高增益平面波；下层反射型极化转换超表面具有极化转换功能，能够将x(y)极化入射波转换为y(x)极化反射波。3.如权利要求1所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述上层透射阵单元，用于实现上层透射阵列功能；所述上层透射阵单元由两层介质和三层金属结构组成；其中，两层介质均采用f4b基板（εr=2.65），顶层介质板厚度为t1=4mm，底层介质板厚度t2=0.5mm，顶层和底层介质板之间间隔h=2mm的空气层；前两层金属结构为相同大小的十字振子，分别刻蚀在顶层介质的上、下表面，通过四个完全相同且两两对称的金属化过孔连接，每个金属化过孔圆心同十字振子中心的距离保持相同；第三层金属结构为x方向周期排布的金属栅条，每两个金属栅条之间的间距保持相同；所述上层透射阵单元的中心工作频率为14.5ghz，x极化入射波可以顺利通过单元底层的金属栅条而对y极化入射波全反射，并且通过改变十字振子的臂长lu或lv可以对单元的x极化透射系数进行调节；当底层金属栅条绕z轴旋转90
o
, 金属栅条沿y方向周期性排布，此时y极化入射波可以顺利通过单元底层的金属栅条而对x极化入射波全反射，并且通过改变十字振子的臂长lu或lv可以对单元的y极化透射系数进行调节。4.如权利要求1所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述下层反射型极化表面单元，用于实现下层反射型极化转换表面功能；所述下层反射型极化表面单元结构包括三层，从上至下依次是双i形贴片，介质基板和金属地板；介质层采用厚度为0.5mm的f4b板，其介电常数ε
r
=2.65；单元的上层金属贴片与x轴呈45
o
夹角。5.如权利要求1所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述上层透射阵列由不同尺寸十字振子单元在x和y方向进行排列组成，用于实现折叠透射阵天线的高增益双圆极化辐射；所述上层透射阵列由136个单元组成，相应的尺寸为120mm
×
120mm(d=120mm)，阵列的焦距f设置为96mm，阵列中心开凿了40mm
×
20mm的矩形通孔，用于在阵列中心集成馈源开口波导。6.如权利要求1所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述单层双i形贴片单元，用于实现折叠透射阵天线的宽带圆极化工作以及对x极化波的透射；所述单层双i形贴片单元构建了由24
×
24个单元组成的反射型极化转换表面，其口面
尺寸同上面的透射阵结构相同。7.如权利要求1所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述天线的双圆极化和超低剖面的工作机制具体为：(1)当馈源开口波导工作在x极化状态时，馈源发出的x极化球面波首先入射到下层反射型极化旋转表面被转换为y极化球面波，y极化球面波再入射到上层透射阵底部的金属栅条结构（此时栅条方向与x轴垂直）上被反射为y极化球面波，然后该y极化球面波再次入射到下层反射型极化旋转表面被转换为x极化球面波,最后该x极化球面波穿过上层透射阵列形成左旋圆极化（lcp）平面波，从而实现左旋圆极化高增益辐射；(2)当馈源和上层透射阵底部的金属栅条结构同时绕z轴旋转90
o
时，馈源开口波导工作在y极化状态，馈源发出的y极化球面波首先入射到下层反射型极化旋转表面被转换为x极化球面波，x极化球面波再入射到上层透射阵底部的金属栅条结构（此时栅条方向与y轴垂直）上被反射为x极化球面波，然后该x极化球面波再次入射到下层反射型极化旋转表面被转换为y极化球面波,最后该y极化球面波穿过上层透射阵列形成右旋圆极化（rcp）平面波，从而实现右旋圆极化高增益辐射。8.如权利要求7所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述位于上层透射阵列中心的馈源等效于距离透射阵下方一定高度f的镜像馈源；由于馈源发出的入射波在上层透射阵、下层反射型极化转换表面之间经历四次反射，从而使天线的高度能够降低至传统透射阵焦距的1/4。9.如权利要求7所述新型双圆极化超低剖面折叠透射阵天线，其特征在于，所述通过调整馈源和上层透射阵底部的金属栅条结构的空间旋转角度，用于实现可自由切换的双圆极化高增益辐射。

技术总结
本发明属于透射阵技术领域，公开了一种新型双圆极化折超低剖面叠透射阵天线，采用单层介质板结构的双I形贴片作为下层反射型极化转换表面的单元，实现反射波交叉线极化转换；再通过合理调节上层透射阵单元上的45


技术研发人员：钟显江 王毅辰 王鹏 肖秦琨 董绵绵 崔曼 郭小路
受保护的技术使用者：西安工业大学
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/9/19