[发明专利]基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线

说明书

本发明公开了一种基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线，主要解决现有涡旋场天线焦距大，相位补偿误差大，天线整体所占空间大的问题。其包括载体(1)、主反射镜(2)、副反射镜(3)、馈源(4)和支撑结构(5)，载体采用凹面结构，主反射镜与载体共形，主、副反射镜均采用相位突变超表面结构，主反射镜的焦距小于载体的几何焦距，用于实现短焦效果，主反射镜为抛物柱面结构，该主反射镜包括主介质层、主反射层和主相位调控层，其中主相位调控层由多个均匀排列，且按螺旋状整体分布的主金属环微结构组成，用于产生涡旋电磁波。本发明能缩短卡塞格伦涡旋场天线的焦距，降低相位补偿误差，高效激发涡旋电磁波，可用于通信和雷达。

技术领域

本发明属于天线技术领域，特别涉及一种卡塞格伦涡旋场天线，可用于通信和成像。

技术背景

近年来通信容量需求急剧增长，而涡旋电磁波通信由于其不同模态具有良好正交性，可形成大量同频复用通道，极大的提高频谱利用率和通信容量，因此成为人们研究的重点。涡旋电磁波通信中，高效地激发涡旋电磁波是其中的关键环节，而具有良好定向性和高质量螺旋状相位分布的涡旋场天线可实现涡旋电磁波的远距离传输、识别和复用。卡塞格伦天线是在抛物面天线基础上增加双曲面副反射面，电磁波经过副反射面和主反射面反射后得到高度定向性的辐射方向图。相比于普通抛物面天线，卡塞格伦天线增加的副反射面可优化天线辐射性能，馈源放置在靠近主反射面顶点处，显著缩短馈线长度，降低损耗和系统噪声系数，且在主副反射面上引入相位梯度变化小的超表面结构，可以实现涡旋场相位精准调控，能够高效地激发涡旋电磁波。

然而卡塞格伦天线的抛物面主反射面的几何结构确定后，天线焦距也会随之确定，无法实现焦距的灵活可调，若要缩短焦距，则抛物面主反射面的曲率变大，且同口径下的主反射面高度增加，对天线加工提出更高的要求。

现有研究多采用微波反射面构建涡旋场天线，激发涡旋电磁波，如中国专利，申请公布号为CN 105322285A，名称为“一种轨道角动量天线”的发明，公开了一种轨道角动量天线，包括抛物面反射面和螺旋天线馈源，所述螺旋天线馈源最小半径螺旋所对应的中心位于抛物面反射面焦点处，螺旋天线馈源产生涡旋电磁波，经过抛物面反射后得到出射波。这种天线虽能在一定程度上实现涡旋电磁场的激发，但其由于涡旋电磁波为馈源直接产生，馈源配置复杂，且馈源必须放置在抛物面几何焦距的位置，无法缩短焦距，天线所占空间较大。

发明内容

本发明目的在于针对上述现有技术存在的不足，提出一种基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线，以简化天线结构,减小相位补偿误差，降低卡塞格伦涡旋场天线的焦距，节约天线所占空间。

为实现上述目的，本发明基于超表面的卡塞格伦涡旋场天线，包括

载体1、主反射镜2、副反射镜3、馈源4和支撑结构5，主反射镜2与载体1共形,共形为中心镂空结构，馈源4采用角锥喇叭天线，支撑结构5由四根硬质塑料棍组成，每根塑料棍分别连接主反射面2和副反射面3的同侧端点；其特征在于：

所述载体1采用凹面结构；主反射镜2采用基于广义斯涅尔定律构建的相位突变凹面超表面结构，且主反射镜2焦距小于载体1的几何焦距，用于降低天线整体的高度；副反射镜3采用基于广义斯涅尔定律构建的双曲特性相位突变超表面结构；

所述主反射镜2，包括主介质层21、主反射层22和主相位调控层23，该主相位调控层23由m×n个均匀排布的主金属环微结构231组成，且每个副金属环微结构的散射参数相位不同，所有主金属环微结构231按螺旋状整体分布，用于产生涡旋电磁波，m≥12，n≥12。

作为优选，所述载体1采用的凹面结构为开口向上的抛物线经平移后形成的凹状抛物面柱形结构，且沿柱形表面母线的垂直方向从中心到两侧边缘向上弯曲，弯曲程度遵从开口向上的抛物面方程，中心厚度小于边缘厚度。

作为优选，所述主反射镜2与载体1的共形中心的镂空横截面大小与角锥喇叭天线波导部分的截面大小相同，镂空位置安装馈源4。