基于低剖面的Ka波段超表面单元及其加载的波束扫描天线

1.一种基于低剖面的Ka波段超表面单元，其特征在于，包括上介质基板(2)和下介质基板(3)，所述上介质基板(2)的上表面、所述下介质基板(3)的下表面以及所述上介质基板(2)的下表面或所述下介质基板(3)的上表面，均印制有相同图案且投影相对的金属层(1)；所述金属层(1)包括K条第一弧形金属线(103)、K条第二弧形金属线(104)和K条金属线(105)；所述K条第一弧形金属线(103)位于第一圆周，且中心对称分布；每条金属线(105)的一端在所述中心处连接，每条金属线(105)的另一端与一条第一弧形金属线(103)的中点相对且具有间距；其中K＞1；所述K条第二弧形金属线(104)位于第二圆周，且中心对称分布；所述第一圆周与所述第二圆周共圆心，且所述第一圆周的半径大于所述第二圆周的半径；所述每条金属线(105)的另一端与一条第二弧形金属线(104)的中点连接；贯通所述上介质基板(2)和下介质基板(3)设置有K个第一金属化过孔(101)和K个第二金属化过孔(102)，所述第一金属化过孔(101)连接各金属层(1)上投影相对的第一弧形金属线(103)；所述第二金属化过孔(102)连接各金属层(1)上投影相对的金属线(105)；通过改变第一弧形金属线(103)、第二弧形金属线(104)和金属线(105)的尺寸实现不同的相位梯度，相位梯度单元越多，在相位补偿时结果越精确。 2.根据权利要求1所述基于低剖面的Ka波段超表面单元，其特征在于，取K＝4，取所述相位梯度的数量为6个，即使用6种Ka波段超表面单元实现对相位进行梯度划分，通过对位于同一直线上的两条金属线(105)所连接的两条第二弧形金属线(104)的中点距离l 1 、第二弧形金属线(104)的角度Theta 1 以及第一弧形金属线(103)的角度Theta 2 进行如下取值，实现全相位的覆盖，并且传输损耗在1.5dB内，得到6种Ka波段超表面单元：第一种Ka波段超表面单元，l 1 ＝3.3mm，Theta 1 ＝10deg，Theta 2 ＝10deg；第二种Ka波段超表面单元，l 1 ＝2.8mm，Theta 1 ＝25deg，Theta 2 ＝15deg；第三种Ka波段超表面单元，l 1 ＝1.87mm，Theta 1 ＝20deg，Theta 2 ＝45deg；第四种Ka波段超表面单元，l 1 ＝3mm，Theta 1 ＝8deg，Theta 2 ＝36deg；第五种Ka波段超表面单元，l 1 ＝3.2mm，Theta 1 ＝13.2deg，Theta 2 ＝35deg；第六种Ka波段超表面单元，l 1 ＝3.15mm，Theta 1 ＝10deg，Theta 2 ＝10deg；所述6种Ka波段超表面单元在29.5-31.2GHz频带内的传输幅度在-1.5dB以上，且在29.5-31.2GHz频带内的传输相位满足60°相位差，在30.4GHz频点处满足60°等相位差，在频带两端能够实现近似的60°相位差。 3.波束扫描天线，其特征在于，包括喇叭天线和Ka波段超表面，所述Ka波段超表面由M×N个权利要求1或2所述基于低剖面的Ka波段超表面单元阵列分布组成，所述Ka波段超表面设置于所述喇叭天线的口面位置，通过不同相位梯度Ka波段超表面单元的规律摆放进行相位补偿，实现波束偏转；其中M≥2，N≥2；所述Ka波段超表面有两个，上下同轴分布，通过与两个Ka波段超表面正交的轴旋转两个Ka波段超表面，实现波束扫描。 4.根据权利要求3所述波束扫描天线，其特征在于，通过如下公式计算由于馈源照射不同位置而引起的空间相位延迟，即每个位置需要的补偿相位 然后在相应的位置上放置对应相位差的Ka波段超表面单元，从而产生垂直于口面的高增益波束；其中，D (i,j) 为馈源的相位中心到第(i,j)个Ka波段超表面单元之间的空间距离， k 0 为自由空间波数，第(i,j)个Ka波段超表面单元的位置坐标为(x (i,j) ,y (i,j) )，z为喇叭天线相位中心和Ka波段超表面之间的距离。 5.根据权利要求4所述波束扫描天线，其特征在于，对于上层的Ka波段超表面，其每个Ka波段超表面单元需要补偿的相位差计算如下：对于下层的Ka波段超表面，其每个Ka波段超表面单元需要补偿的相位差即透射阵口面所需的相移分布 计算如下：式中， 为主波束聚焦方向；φ 0 为参考相位值，其物理含义表示整个口面相移分布为相对值，而非绝对值。 6.根据权利要求4所述波束扫描天线，其特征在于，通过如下步骤计算波束俯仰角θ和方位角 首先，确定两个Ka波段超表面的初始方位角 和 相等；其次，实现仰角波束扫描，并沿垂直于两个Ka波段超表面的同一旋转轴反向旋转两个Ka波段超表面，使 其中ψ 1 、ψ 2 分别表示下层的Ka波段超表面和上层的Ka波段超表面的线性相位下降方向所在的方位面，ψ 1 、ψ 2 在区间[-180°,180°]内；δ 1 、δ 2 分别为下层的Ka波段超表面和上层的Ka波段超表面的旋转角，当两个Ka波段超表面的波束偏转角α 1 和α 2 相等时，即可得到波束俯仰角θ和方位角 7.根据权利要求3所述波束扫描天线，其特征在于，当所述两个Ka波段超表面的偏转角δ＝180°，天线最大辐射方向偏转角度为0°，最大增益21.30dB，副瓣水平为-16.84dB；当所述两个Ka波段超表面的偏转角δ＝90°，天线最大辐射方向偏转角度为35.35°，最大增益19.98dB，副瓣水平为-15.97dB；当所述两个Ka波段超表面的偏转角δ＝0°，天线最大辐射方向偏转角度为50°；其中，δ为δ 1 和δ 2 的差值。 8.根据权利要求3所述波束扫描天线，其特征在于，所述波束扫描天线的工作带宽覆盖29.5-31.2GHz。