[发明专利]一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜

说明书

本发明提出了一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，主要解决现有电磁波调控设备无法在凹面表面上同时调控极化状态与波束指向的问题，包括载体和覆贴在该载体圆柱形凹面上的超表面，超表面由m×n个超表面单元周期性排列而成，超表面单元包括介质板、金属谐振环贴片和金属地板，金属谐振环贴片采用矩形环结构，其任意一边与入射线极化电磁波的电场方向之间的夹角为45度，用于产生呈90°相位差的主极化和交叉极化两个电场分量，且通过调整矩形环结构的两个边长的尺寸，可以调控极化转换效率和反射相位。本发明可以实现线极化电磁波转换成其它任意极化的电磁波，同时实现波束指向的调控，可用于微波通信与雷达探测系统。

技术领域

本发明属于微波通信技术领域，特别涉及一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，可用于微波通信与雷达探测系统。

技术背景

在无线通信系统中，极化状态与传播方向是利用电磁波进行微波通信的两个最基本的参数。对于不同的无线通信系统，对电磁波的极化状态和传输方向的要求都不尽相同，例如，手机无线通信网络中一般使用全向线极化电磁波进行通信，地面与卫星通信一般使用高定向圆极化电磁波进行通信，而雷达探测则需要多种不同类型的天线以适应不同的探测需求。

为了使电磁波满足不同的无线通信系统的需求，需要对电磁波的极化状态或者传播方向进行调控。现有研究对于电磁波的调控设计，通常只能单一地实现极化转换或者改变电磁波的传输方向，难以实现极化状态与波束指向的同时调控。例如，授权公告号为CN104638321 B，名称为“基于多层频率选择表面的极化转换器”的中国专利，公开了一种周期性单元组成的平面结构，周期性单元使用切角型方形贴片和方环组合的结构，实现了线极化电磁波到其它极化电磁波的转化，但是每个周期性单元的结构尺寸都是相同的，无法同时调控电磁波的传输方向，且很难应用于凹形结构的曲面外形上。再如，授权公告号为CN102983413 B，名称为“反射阵列天线的反射面”的中国专利，公开了一种平面反射面结构，该结构使用不同尺寸的人造结构单元，实现了对波束指向的调控，提高了天线的增益，但是该人造结构单元使用了平面雪花状的结构，无法同时调控电磁波的极化状态，同样很难应用于凹形结构的曲面外形上。

综上所述，现有研究对于电磁波极化状态或者传输方向的调控，只能实现其中一个参数的调控，且仅限于平面结构。然而，随着科技的日益发展，卫星等无线通信系统朝着多功能化、小型化、易于集成到载体的方向发展，把天线等电磁波的发射和接收设备覆贴到卫星等通信载体的圆柱腔体内部的凹形曲面上将进一步实现一体化设计，可以大大减小通信设备的尺寸，对卫星等无线通信系统具有重要的意义。但利用凹形曲面操控电磁波很难实现极化在不同位置处都转换成相同的状态，更难以同时调控电磁波的方向，因此现有的电磁波极化转换装置和波束指向调控的设备的应用范围难以推广到凹形曲面上进行加载。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，通过在圆柱形凹面载体上覆贴一层超表面结构，利用多个不同尺寸斜45度的亚波长矩形环贴片，可以将线极化平面电磁波转换成其它任意极化的平面电磁波，同时实现对反射波束方向的自由调控。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种极化状态与波束指向同时调控的超表面凹面反射镜，包括载体1和超表面2，其中：

所述载体1，采用外侧表面为圆柱形凹面的立体结构。

所述超表面2，由m×n个超表面单元21周期性排列而成，m≥5，n≥5，所述超表面单元21包括介质板211、印制在介质板211一个侧面的金属谐振环贴片212和另一个侧面的金属地板213，所述金属谐振环贴片212采用矩形环结构，其任意一边与入射线极化电磁波的电场方向之间的夹角为45度，用于产生呈90°相位差的主极化和交叉极化两个电场分量，所述矩形环结构两个边长的尺寸，由该矩形环结构在超表面2上所处位置的极化转换效率η和主极化反射相位确定。