化和交叉極化之間的切換。根據(jù)上述機(jī)理，微 帶陣上GMS單元的相位要求滿足如下規(guī)律
上式中曲，n分別代表任意GMS單元在微帶陣中的橫、列位置，
i代表任意GMS單元與中屯、GMS單元之間的相位差。根 據(jù)上述GMS單元相位分布并通過(guò)在CST中采用尋根算法和宏建模即可得到微帶陣中各GMS單元的結(jié)構(gòu)尺寸。
[0036]W-個(gè)中屯、工作頻率為/e=9GHz的微帶陣天線為實(shí)施例來(lái)說(shuō)明本發(fā)明天線的多功 能和變極化特性。該實(shí)施例中微帶陣由15*15個(gè)GMS單元組成，其口徑面積為150*150mm2， 焦距F為40mm，焦徑比為F/D=0. 267。Vivaldi天線的介質(zhì)板均采用聚四氣乙締玻璃布板， 介電常數(shù)為ff-i. 3,介質(zhì)板的厚度均為片1mm，電正切損耗tanO=0. 001，銅錐的厚度為 0.036mm。圖10給出了本發(fā)明微帶陣口徑的相位分布，可W看出相位隨著偏離中屯、距離的 增大逐漸增大，由于焦徑比較小口徑相位的變化較為劇烈，口徑中屯、的相位為0°，而邊緣 四個(gè)角的相位為726°，實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，所有大于360°的相位均對(duì)360°作求余處理。基于圖 6 (a)、圖8的掃描結(jié)果W及圖10的口徑相位分布，并通過(guò)在CST中采用尋根算法和宏建模 即可實(shí)現(xiàn)圖9 (b)中微帶陣各單元的結(jié)構(gòu)尺寸。
[0037] 根據(jù)圖8的結(jié)果可W預(yù)測(cè)本發(fā)明微帶陣的相位糾正帶寬，為直觀預(yù)示微帶陣在 相位糾正帶寬下的福射特性，圖11給出了微帶陣口徑上的幅度分布I和平均透射 (T=2UyJ/N)、反射幅度（R=S|rJ/N)?？蒞看出/尸9細(xì)Z處微帶陣口徑具有很高的透射 幅度且均大于0.53,同時(shí)T/R的值在只/〇時(shí)隨著巧勺增大不斷增大而在々/〇時(shí)隨著巧勺增 大不斷減小，而在9. 3GHz處T/RW1。因此微帶陣在具有很純的透射特性和透射峰值增 益，同時(shí)在只9. 3GHz時(shí)微帶陣具有前向透射福射，在9. 3GHz附近的一定帶寬范圍內(nèi)具 有雙向福射，而在/>9. 3GHz時(shí)微帶陣具有后向反射福射。因此在允許一定的增益惡化下， 微帶陣在很寬的帶寬范圍內(nèi)具有很好的福射特性和可重構(gòu)功能。
[0038] 由于Vivaldi天線并非理想點(diǎn)源，需要找到Vivaldi天線的最佳饋電位置。運(yùn)里 基于仿真軟件計(jì)算得到的Vivaldi天線相位中屯、位置、理論焦距并通過(guò)HFSS稍加優(yōu)化即可 得到Vivaldi天線與微帶GMS陣之間的距離。如圖12所示，9GHz處天線XOZ面和yoz面內(nèi) 的福射方向圖結(jié)果表明當(dāng)Vivaldi天線前端與微帶陣之間的距離為Z=38mm時(shí)天線增益達(dá) 到最優(yōu)為17. 3地，此時(shí)Z=38mm為天線的等效焦距。同時(shí)還可W看出微帶陣天線在yoz面內(nèi) 的后向旁瓣較XOZ面內(nèi)大。
[0039] 如圖13 (a)所示，微帶陣在8~12GHz范圍內(nèi)回波損耗均低于10地，具有很好的 阻抗匹配特性。如圖13 (b)所示，微帶陣天線在8. 9GHz時(shí)具有最大前向（0=0° )福射 增益17. 5地；而當(dāng)9. 2GHz時(shí)由于前向福射增益大于后向（0=180。）福射增益為前向 福射；而當(dāng)9. 3GHz時(shí)由于前向福射增益與后向福射增益可W相比擬為雙向福射；而當(dāng) 9. 4GHzIOGHz時(shí)由于前向福射增益小于后向福射增益為后向福射。因此微帶陣天線 實(shí)現(xiàn)了福射方向圖的多樣性，即多功能福射特性。
[0040] 為更直觀地說(shuō)明本發(fā)明微帶陣天線的變極化特性，圖14給出了微帶陣天線與 Vivaldi天線的E、H面電場(chǎng)分量分布?？蒞看出，8、9和IOGHz處Vivaldi天線發(fā)出的準(zhǔn)球 面電磁波經(jīng)過(guò)GMS平板后均變成了平面電磁波，驗(yàn)證了GMS平板的良好聚焦效果和相位糾 正能力。同時(shí)還可W看出Vivaldi天線福射的電磁波只有Ex分量且8和9GHz處Ex分量 經(jīng)GMS平板之后完全轉(zhuǎn)變成了前向透射Ey分量，具有很高的線極化轉(zhuǎn)換效率，驗(yàn)證了微帶 陣天線的變極化特性；而在IOGHz處Ex分量經(jīng)GMS平板之后前向透射Ey分量很小，可W忽 略，后向反射仍為Ex分量，極化不變。
[0041]為更直觀地說(shuō)明本發(fā)明微帶陣天線的多功能福射特性，圖15給出了微帶陣天線 在8、9、9. 3和IOGHz等四個(gè)頻率處的仿真總電場(chǎng)分布和福射方向圖。反射場(chǎng)分布和透射 場(chǎng)分布表明微帶陣天線在上述四個(gè)頻點(diǎn)處均能將Vivaldi天線發(fā)出的準(zhǔn)球面電磁波轉(zhuǎn)變 成平面電磁波，具有一定的聚焦效果且聚焦效果隨著相位偏離理論值(非線性變化）而有不 程度惡化，而透射幅度隨著工作頻率偏離中屯、頻率而不斷惡化，透射電場(chǎng)強(qiáng)度在9GHz處最 強(qiáng)，而在IOGHz處最弱。從福射方向圖可W看下，微帶陣天線在8和9GHz處具有明顯的前 向福射特性，9. 3GHz處為雙向福射，而在IOGHz處為后向福射，所有情形下微帶陣天線均具 有很高的高定向性和增益，與Vivaldi天線相比，微帶陣的半功率波瓣寬度（15° )減小了 40°且所W頻率下增益至少增大6地。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在于：由饋源和微帶陣兩部分 組成，饋源放置于微帶陣的焦點(diǎn)尸處，用于對(duì)微帶陣上所有單元的激勵(lì)；其中，所述饋源為 寬帶Vivaldi天線且采用微帶耦合饋電，由上層開(kāi)槽的金屬、中層介質(zhì)板以及下層微帶線 組成；其中，上層中的開(kāi)槽包括圓孔開(kāi)槽即諧振環(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(kāi)槽的金屬構(gòu)成一對(duì)互補(bǔ)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(gè)X波段，由 其輻射的電磁波由縫隙區(qū)域逐漸向外輻射且為沿X方向極化，增益較高；所述微帶陣由N*N 個(gè)GMS單元組成，其口徑面積為Npx*Npy，設(shè)D=Npx或Npy，微帶陣的中心工作頻段為焦 距為尸，微帶陣口徑為焦徑比："D;這里，px、py分別為GMS單元在x、y方向的長(zhǎng)度，N為整 數(shù)且大于4λ。/坪，λ。為電磁波在自由空間中的波長(zhǎng)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在于：所 述GMS單元由三層金屬結(jié)構(gòu)和兩層介質(zhì)板構(gòu)成，每層金屬結(jié)構(gòu)通過(guò)在方形貼片上刻蝕不同 旋轉(zhuǎn)角度的互補(bǔ)雙開(kāi)口環(huán)諧振器CDSRR得到，其中，上、中、下層結(jié)構(gòu)參數(shù)完全相同，只是 ⑶SRR依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45°。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在于：所述 GMS單元在X、y方向的周期相等，即px=py;天線口徑大于4 λ。。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在于：所述 微帶陣口徑"D為0. 2〈//D〈0. 8。5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在 于：所述Vivaldi天線與微帶陣互相垂直放置，且微帶陣入射面中⑶SRR的開(kāi)口沿y方向放 置。6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在于：所 述GMS單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇為：j〇x=j〇y=lCtam-12臟，7ζ=3· 6臟一4. 8臟，/P2=3mm-4. 2臟， d=Q.2mm-0. 4mm，Τζ、盡分別為GMS單元中雙開(kāi)口環(huán)諧振器的內(nèi)半徑和外半徑，0?雙開(kāi)口 環(huán)諧振器的開(kāi)口間距。7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于超表面的變極化多功能微帶陣天線，其特征在于：所述 Vivaldi天線前端與微帶陣之間的距離為Z=35mm-40mm。
【專利摘要】本發(fā)明屬于微帶陣天線技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種基于超表面的變極化多功能微帶陣天線。本發(fā)明設(shè)計(jì)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(diǎn)處；饋源為寬帶Vivaldi天線且采用微帶耦合饋電，由上層開(kāi)槽金屬、中層介質(zhì)板以及下層微帶線組成；所述微帶陣由N*N個(gè)GMS單元組成，所述GMS單元由三層金屬結(jié)構(gòu)和兩層介質(zhì)板構(gòu)成，每層金屬結(jié)構(gòu)通過(guò)在方形貼片上刻蝕不同旋轉(zhuǎn)角度的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(shí)針旋轉(zhuǎn)45o。本發(fā)明集反射功能和透射功于一體，實(shí)現(xiàn)了微帶陣在反射、雙向輻射以及透射之間的功能切換，實(shí)現(xiàn)了同極化和交叉極化之間的極化狀態(tài)切換。具有可復(fù)用性好、集成度高和功能多等特性。
【IPC分類】H01Q21/28
【公開(kāi)號(hào)】CN105428825
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510788705
【發(fā)明人】許河秀, 湯世偉, 蔡通, 周磊
【申請(qǐng)人】復(fù)旦大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年11月17日