本發(fā)明涉及基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線及其性能實(shí)現(xiàn)方法，屬于圓極化天線設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的快速發(fā)展和無(wú)線電設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合的日益擴(kuò)展，系統(tǒng)集成度越來(lái)越高，天線的寬頻帶和多極化已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外天線領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。圓極化天線相較于線極化天線諸多優(yōu)點(diǎn)：旋向正交性；接收任意極化波，其輻射波也可被任意極化天線接收。因此，圓極化天線在電子偵查和抗干擾領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

在實(shí)際的衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，考慮到抗干擾因素，上下行頻率一般不同，同時(shí)圓極化方向在兩個(gè)頻率上是正交的。雷達(dá)和通信定位系統(tǒng)等領(lǐng)域迫切需要雙頻雙極化微帶天線來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率復(fù)用、收發(fā)雙工和天線共用，尤其雙頻雙圓極化天線的研究。

電磁超表面是厚度小于電磁波波長(zhǎng)的人工電磁材料，近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注。電磁超表面可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波相位、偏振模式和傳播方式的靈活有效調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)超表面進(jìn)行大量的研究，實(shí)現(xiàn)了一系列應(yīng)用，其中之一就是利用電磁超表面的加載優(yōu)化微帶天線性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線及其性能實(shí)現(xiàn)方法，通過(guò)共面波導(dǎo)饋電的平面單極子印刷天線加載電磁超表面的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化天線性能的同時(shí)大大簡(jiǎn)化了雙頻雙圓極化天線的設(shè)計(jì)難度。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案：

基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線，包括電磁超表面、全向雙頻線極化天線、電磁超表面和全向雙頻線極化天線之間的空氣匹配層；所述電磁超表面包括介質(zhì)基板，介質(zhì)基板的下表面覆有銅箔，上表面蝕刻有金屬單元陣列，所述金屬單元陣列由金屬單元從上到下、從左到右排列而成；金屬單元包括矩形金屬貼片、第一和第二金屬圓弧貼片，第一金屬圓弧貼片和第二金屬圓弧貼片完全相同，第一和第二金屬圓弧貼片以矩形金屬貼片的中心為中心對(duì)稱排布，且第一和第二金屬圓弧貼片構(gòu)成一個(gè)圓環(huán)，第一金屬圓弧貼片的一端與第二金屬圓弧貼片的一端之間存在縫隙，第一金屬圓弧貼片的另一端與第二金屬圓弧貼片的另一端之間存在縫隙，兩個(gè)縫隙的中心與圓環(huán)的圓心組成一條直線，矩形金屬貼片置于圓環(huán)內(nèi)，且矩形金屬貼片與上述直線垂直；電磁超表面的中心與全向雙頻線極化天線的中心位于同一條直線。

作為本發(fā)明天線的一種優(yōu)選方案，所述全向雙頻線極化天線為共面波導(dǎo)饋電的平面單極子印刷天線。

作為本發(fā)明天線的一種優(yōu)選方案，所述共面波導(dǎo)饋電的平面單極子印刷天線包括基板，基板的上表面蝕刻有變形叉型金屬貼片、第一和第二矩形金屬貼片；變形叉型金屬貼片包括矩形中空金屬貼片、t型金屬貼片、第三矩形金屬貼片；矩形中空金屬貼片一條長(zhǎng)邊的中間有間隙，t型金屬貼片由第四、第五矩形金屬貼片互相垂直構(gòu)成，第四矩形金屬貼片與矩形中空金屬貼片的長(zhǎng)邊平行，第五矩形金屬貼片的一端與第四矩形金屬貼片的中間接觸，第五矩形金屬貼片的長(zhǎng)度大于矩形中空金屬貼片寬邊的長(zhǎng)度，第五矩形金屬貼片從間隙中間穿過(guò)，另一端與矩形中空金屬貼片另一條長(zhǎng)邊的中間接觸；第三矩形金屬貼片與矩形中空金屬貼片長(zhǎng)邊垂直，一端與矩形中空金屬貼片另一條長(zhǎng)邊的中間接觸，另一端與基板一條側(cè)邊的中間接觸，第一、第二矩形金屬貼片分別位于該條側(cè)邊對(duì)應(yīng)的兩個(gè)角上；基板下表面與介質(zhì)基板上表面之間有空氣匹配層。

基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線性能實(shí)現(xiàn)方法，利用電磁超表面的交叉極化轉(zhuǎn)化性能，使得上方加載的全向雙頻線極化天線背瓣輻射反射正交極化的電磁波，從而在全向雙頻線極化天線的主輻射方向形成兩個(gè)幅值相同的正交線極化波，結(jié)合空氣匹配層產(chǎn)生的±90°反射相位差，實(shí)現(xiàn)雙頻雙圓極化。

作為本發(fā)明天線性能實(shí)現(xiàn)方法的一種優(yōu)選方案，所述雙頻雙圓極化包括左旋圓極化和右旋圓極化。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明通過(guò)電磁超表面構(gòu)建一種雙頻雙圓極化天線，輻射左旋圓極化波和右旋圓極化波，有效了提高天線增益。

2、本發(fā)明通過(guò)共面波導(dǎo)饋電的平面單極子印刷天線加載電磁超表面的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化天線性能的同時(shí)大大簡(jiǎn)化了雙頻雙圓極化天線的設(shè)計(jì)難度。

3、本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)通俗，工藝簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)靈活，功能性強(qiáng)等特點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線的整體架構(gòu)圖。

圖2(a)、圖2(b)均是本發(fā)明電磁超表面正視圖。

圖3是本發(fā)明共面波導(dǎo)饋電的平面單極子印刷天線正視圖。

圖4是本發(fā)明基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線側(cè)視圖。

圖5是本發(fā)明電磁超表面的反射波極化特性圖。

圖6是本發(fā)明電磁超表面的反射波相位特性圖。

圖7是本發(fā)明圓極化波產(chǎn)生示意圖。

圖8是本發(fā)明雙頻雙圓極化天線回波損耗圖。

圖9是本發(fā)明雙頻雙圓極化天線軸比圖。

圖10是本發(fā)明加載超表面后天線在4.1-4.5ghz主極化和交叉極化增益對(duì)比圖。

圖11是本發(fā)明加載超表面后天線在5.7-6.5ghz主極化和交叉極化增益對(duì)比圖。

圖12是本發(fā)明加載超表面前后天線的主輻射方向增益對(duì)比圖。

圖13是本發(fā)明“類法布里-珀羅諧振腔”中多次反射示意圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對(duì)本發(fā)明的限制。

如圖1、圖2(a)、圖2(b)所示，為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電磁超表面1由5×5單元周期性排布而成，每個(gè)單元由兩個(gè)與45°斜金屬貼片9對(duì)稱的金屬圓弧7、8和覆銅箔11介質(zhì)基板6構(gòu)成，金屬圓弧7、8構(gòu)成一個(gè)圓環(huán)，圓環(huán)的尺寸隨天線頻率的提高而減小。圖5給出了在x極化波入射時(shí)，該電磁超表面反射波的極化特性，由圖可知，在4.1ghz-8.6ghz內(nèi)交叉極化轉(zhuǎn)換率都大于90％，圖6給出了反射波的相位隨頻率變化圖。

圖3是一個(gè)單極子共面波導(dǎo)印刷天線2，由變形“叉”型金屬貼片3和左右對(duì)稱的矩形金屬貼片4、10以及基板5構(gòu)成，該天線是一個(gè)線極化全向天線，天線的饋線和單極子貼片結(jié)構(gòu)滿足50ω匹配條件。

如圖7所示，這是該雙頻雙圓極化天線的原理圖分析，左側(cè)為電磁超表面結(jié)構(gòu)，右側(cè)為單極子源天線，天線沿正z方向輻射的電場(chǎng)為沿負(fù)z方向的電場(chǎng)為從電磁超表面反射的電場(chǎng)為因而整個(gè)結(jié)構(gòu)沿z方向的總電場(chǎng)為單極子源天線輻射的電磁波為x線極化波，由于電磁超表面的交叉極化轉(zhuǎn)換作用，反射的電磁波為y極化波。

如圖4所示，為基于電磁超表面的雙頻雙圓極化天線側(cè)視圖。單極子天線和電磁超表面之間有空氣匹配層12，利用空氣層實(shí)現(xiàn)反射y極化波和主輻射方向的x極化波的90°相位差，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)結(jié)構(gòu)的圓極化特性。再結(jié)合圖6的反射相位圖，得到優(yōu)化的空氣層厚度為4.5mm，圖8是該天線的阻抗帶寬圖，在3.8～7.3ghz頻帶內(nèi)天線的回波損耗低于-10db滿足阻抗匹配。圖9是本發(fā)明雙頻雙圓極化天線軸比圖。

如圖10和圖11所示，分別實(shí)現(xiàn)了在4.15～4.45ghz左旋圓極化的特性，在5.75～6.4ghz右旋圓極化的特性。由于主輻射方向的電場(chǎng)是由反射電場(chǎng)和正向電場(chǎng)的疊加，因此如圖12所示，在工作頻帶內(nèi)，天線的增益與不加載電磁超表面時(shí)相比提高了4dbi。此外，圖13給出了交叉極化轉(zhuǎn)換的原理示意圖，將超表面極化轉(zhuǎn)換器視作一個(gè)耦合系統(tǒng)，電磁波在超表面和地板之間的所有可能的相互作用都可以精確地計(jì)算出來(lái)。如圖所示，入射的x極化波部分經(jīng)由超表面反射到空氣中，另一部分入射到介質(zhì)層中。由于超表面的極化轉(zhuǎn)換作用，反射的電磁波中存在x極化分量和y極化分量，透射的電磁波也存在x極化和y極化分量。因此，反射電磁波有兩個(gè)反射系數(shù)，同時(shí)投射電磁波也有兩個(gè)透射系數(shù)。透射的電磁波在介質(zhì)中傳輸，到達(dá)金屬背板后以-1的反射系數(shù)反射。全向雙頻線極化天線的基板和電磁超表面的介質(zhì)基板之間形成了一個(gè)“類法布里-珀羅”諧振腔，eix為入射波電場(chǎng)，erxj和eryj(j＝1,2,3……)分別為第j次同極化和交叉極化部分反射波電場(chǎng)。入射波在介質(zhì)板內(nèi)多次反射，同極化反射波干涉相消使得同極化反射波減弱，而交叉極化反射波相干疊加使得交叉極化反射波增強(qiáng)，從而導(dǎo)致了高效的交叉極化轉(zhuǎn)換效率。

以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。