一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线及设计方法

本发明属于超表面天线，具体为一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线及设计方法。

背景技术：

1、由周期性和非周期性亚波长元单元组成的超表面是源自三维空间结构电磁材料的二维平面结构，即超材料。这些超材料实现了自然界不存在的非凡电磁介质参数，扩大了电磁调制的自由度。此外，从调制功能上看，超材料可分为极化调制、频率调制、振幅调制和相位调制，成功应用于电磁波吸收、频率选择表面辐射器、隐身材料等领域，克服了传统天线受结构设计限制而功能有限的问题。根据电磁波调制机制的不同，超表面可分为表面波调制超表面和空间波调制超表面。在空间波调制超表面中，应用最普遍的是梯度相位曲面，通过广义斯涅尔定律可以产生突然的相位变化。然后，由梯度相位面组成的空间波调制超表面可以利用射线跟踪法开发出透射阵列和反射阵列。与发射阵列相比，反射阵列会增加出射波的屏蔽，因为其馈源与反射波处于同一空间，这限制了其应用场合。

2、专利号为cn117199822a，发明名称为“基于各向异性全息阻抗超表面的圆极化无衍射电磁波天线”的发明专利，公开了一种基于各向异性全息阻抗超表面的圆极化无衍射电磁波天线，解决了现有天线无法产生兼具圆极化和高聚束特性电磁波的问题。然而，单层介质板的存在会在其他恶劣环境(如极冷和极热)中产生漏洞，从而破坏基板介电常数的稳定性并改变介质的强度，导致阵列变形，影响天线的整体性能。此外，没有介质层的发射阵列不仅能减少介质损耗，还能作为透镜承受高功率微波辐照。这种双重功能在军事领域有着广阔的应用前景。人们提出了纯金属反射阵列和透射阵列，其配置包括四层级联平面金属层、三层级联平面金属层、双层级联平面金属层和单层金属，大大提高了系统的环境适应性和性能稳定性。

3、相对于空间波调制超表面不可或缺的外部空馈结构所造成的系统高调，表面波调制超表面中的馈送结构可以与其表面融为一体，大大提高了系统的集成性能。在表面波调制超表面中，最具代表性的结构是全息阻抗面，根据单元的结构特征，可分为各向同性全息阻抗和各向异性全息阻抗面。同样，为了克服恶劣环境的不利影响，保持天线的性能指标，提出了基于增材制造的纯金属调制元面天线的全息阻抗面，在一定程度上拓展了天线的适应性和调节能力。然而，单元的纵向不均匀生长结构增加了加工复杂度，同时降低了系统的平面集成性能。

4、现有的设计方法只能应用于带有介质基板的金属贴片的结构，当整体采用纯金属结构时，传统的设计方法在计算单元尺寸时不再适用，并且纯金属结构需要额外考虑金属结构之间的连接关系。

技术实现思路

1、本发明的提供了一种无人机用冗余舵机减速装置，解决了传统的设计方法在计算单元尺寸时不再适用，并且纯金属结构需要额外考虑金属结构之间的连接关系的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线，包括透射阵列，所述透射阵列中心处设置有单极子天线，所述透射阵列包括多个阵列排布的阻抗单元，所述阻抗单元包括下层金属地板和上层镂空金属板，两层金属板之间设置有空气层；

4、每个单元的上层金属板由圆形镂空和穿过镂空中心的长方形金属结构构成，所述上层金属板与透射阵列水平面之间有夹角。

5、优选地，所述透射阵列包括49×49个阻抗单元。

6、优选地，所述上层金属板厚度和下层金属板厚度相同，所述空气层的厚度为上层金属板厚度的2倍。

7、一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，包括：

8、确定波束的照射方向，根据波束照射方向获取各阻抗单元阻抗张量的分量；

9、根据各阻抗单元阻抗张量的分量获取等效标量阻抗和表面波爬行方向的关系；

10、根据等效标量阻抗和表面波爬行方向的关系绘制椭圆曲线；

11、根据椭圆曲线获取等效标量阻抗的最大值和上层金属板与透射阵列水平面之间的夹角；

12、根据等效标量阻抗的最大值获取圆形镂空的半径。

13、优选地，确定波束的照射方向，根据波束照射方向获取各阻抗单元阻抗张量的分量的步骤具体为：

14、

15、其中kz表示z轴方向上的波数，k0表示自由空间中的波数，是归一化的等效标量阻抗，zxx，zxy，zyy分别为阻抗张量z的三个分量。

16、优选地，所述阻抗分量根据阻抗单元上单极子天线的表面电流场和单极子天线的电场获得。

17、优选地，阻抗张量z的分量还包括zyx，根据能量守恒定律和所提出单元的对称性特征，阻抗张量z为纯虚矩阵，zxy＝zyx。

18、优选地，根据等效标量阻抗和表面波爬行方向的关系绘制椭圆曲线具体为：

19、对于不同位置的阻抗单元，获取各向异性表面阻抗的等效各向同性阻抗值随着表面波不同爬行角度θk的变化曲线，表面波在张量阻抗表面不同传播方向上等效标量阻抗值的变化呈现椭圆曲线形式。

20、优选地，根据椭圆曲线获取等效标量阻抗的最大值具体为：

21、椭圆曲线所在的长轴对应着等效标量阻抗的最大值。

22、优选地，上层金属板与透射阵列水平面之间的夹角为椭圆曲线的长轴与x轴的夹角加上90度。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线，其特征在于，包括透射阵列，所述透射阵列中心处设置有单极子天线，所述透射阵列包括多个阵列排布的阻抗单元，所述阻抗单元包括下层金属地板和上层镂空金属板，两层金属板之间设置有空气层，每个单元的上层金属板由圆形镂空和穿过镂空中心的长方形金属结构构成，所述上层金属板与透射阵列水平面之间有夹角，采用纯金属扁平结构将表面波转化为漏波，该各向异性全息阻抗面具有制造简单、超薄型和易于集成的独特特性。

24、本发明还提供了一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，由于纯金属结构与带有介质基板的贴片结构存在结构上互补的特性，根据巴比涅原理，只需要将原先长轴对应角度增加90度变为短轴对应角度作为旋转角度即可被用于设计纯金属结构单元。结合全息原理，漏波理论以及巴比涅原理，直接计算出纯金属结构的单元其张量阻抗与单元几何参数之间的映射关系，建立了纯金属各向异性阻抗全息超表面模型。与采用增材制造工艺实现的非扁平纯金属调制张量阻抗超表面以及纯金属空间波调制发射阵列和反射阵列相比，这种纯金属各向异性阻抗全息超表面具有制造简单、外形超小、易于集成等独特优势。

技术特征：

1.一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线，其特征在于，包括透射阵列，所述透射阵列中心处设置有单极子天线，所述透射阵列包括多个阵列排布的阻抗单元，所述阻抗单元包括下层金属地板和上层镂空金属板，两层金属板之间设置有空气层；

2.根据权利要求1所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线，其特征在于，所述透射阵列包括49×49个阻抗单元。

3.根据权利要求1所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线，其特征在于，所述上层金属板厚度和下层金属板厚度相同，所述空气层的厚度为上层金属板厚度的2倍。

4.一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，包括：

5.根据权利要求4所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，确定波束的照射方向，根据波束照射方向获取各阻抗单元阻抗张量的分量的步骤具体为：

6.根据权利要求5所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，所述阻抗分量根据阻抗单元上单极子天线的表面电流场和单极子天线的电场获得。

7.根据权利要求5所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，阻抗张量z的分量还包括zyx，根据能量守恒定律和所提出单元的对称性特征，阻抗张量z为纯虚矩阵，zxy＝zyx。

8.根据权利要求4所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，根据等效标量阻抗和表面波爬行方向的关系绘制椭圆曲线具体为：

9.根据权利要求4所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，根据椭圆曲线获取等效标量阻抗的最大值具体为：

10.根据权利要求4所述的一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线设计方法，其特征在于，上层金属板与透射阵列水平面之间的夹角为椭圆曲线的长轴与x轴的夹角加上90度。

技术总结
本发明还公开了一种纯金属各向异性全息阻抗超表面天线及设计方法，由于纯金属结构与带有介质基板的贴片结构存在结构上互补的特性，根据巴比涅原理，只需要将原先长轴对应角度增加90度变为短轴对应角度作为旋转角度即可被用于设计纯金属结构单元。结合全息原理，漏波理论以及巴比涅原理，直接计算出纯金属结构的单元其张量阻抗与单元几何参数之间的映射关系，建立了纯金属各向异性阻抗全息超表面模型。与采用增材制造工艺实现的非扁平纯金属调制张量阻抗超表面以及纯金属空间波调制发射阵列和反射阵列相比，这种纯金属各向异性阻抗全息超表面具有制造简单、外形超小、易于集成等独特优势。

技术研发人员：孟祥帅,张浩宇
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23