CN101378151B - 基于光学变换理论的高增益分层透镜天线 - Google Patents

Abstract

一种基于光学变换理论的高增益分层透镜天线，包括矩形馈电波导，在矩形馈电波导连接有金属导体喇叭，在金属导体喇叭内嵌入分层透镜，分层透镜充满喇叭并且每层透镜与喇叭口径面平行，分层透镜由非均匀、各向异性的人工电磁材料构成，电场方向垂直于纸面，第k层满足：

α_k＝1+(k-δ_k)(b-a)/(na)，其中

表示第k层透镜x方向的磁导率，

为第k层透镜y方向的磁导率，为第k层透镜z方向的介电常数，z方向垂直于纸面，α_k为与第k层透镜相关的一个中间变量，n为透镜的总层数，其取值范围在10到50之间的某一整数，k为透镜所在层数，取值在1到总层数n之间，δ_k为0到1之间的某一取定常数，a为馈电波导的宽度，b为喇叭天线的口径宽度。喇叭的夹角β在60度到150度之间。本发明形状简单、增益高。

Description

基于光学变换理论的高增益分层透镜天线

技术领域

本发明涉及一种高增益分层透镜天线，尤其涉及一种应用光学变换原理设计的、具有较好定向性、高增益的多层透镜天线，可用在卫星通信中，以实现特定宽频段内高定向性的通信。

背景技术

光学变换原理是英国皇家理工大学Pendry教授、杜克大学Schrig博士和Smith教授2006年共同提出的一种设计各向异性新型人工电磁材料的工具(“Controlling Electromagnetic Fields，”Science312，1780，2006)。目前，很多科研工作者应用光学变换方法来设计隐身大衣、电磁波集中器等变换光学器件。2007年，山东大学的F.Kong等人首次把光学变换原理应用到天线设计中来，他们应用光学变换原理设计一种等价于抛物面天线的新型小型天线(“Planar focusing antenna design by using coordinate transformationtechnology，”Applied Physics Letters91，253509，2007)。喇叭天线作为天线家族的一个重要成员，起着由波导模到自由空间模平滑过渡的作用。这种平滑过渡可以减小反射，从而达到提高辐射效率的效果。喇叭天线具有增益高、反射小和工作频带宽等特点，且工艺上容易实现。常用的喇叭天线由波导段与具有一定张角的长度的喇叭组成，具有较好的方向性和较高的增益。文献中很多学者用相位补偿方法来设计透镜并将其安置在喇叭天线口径面上来构成透镜天线。但是，迄今为止尚无人应用光学变换原理来设计高增益透镜天线。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种基于光学变换理论的高增益分层透镜天线，该透镜天线在特定频段内具有较高增益。

技术方案：一种基于光学变换理论的高增益分层透镜天线，包括矩形馈电波导1)，在矩形馈电波导1)连接有金属导体喇叭2)，在金属导体喇叭2)内嵌入分层透镜3)，分层透镜充满喇叭2)并且每层透镜与喇叭口径面平行，分层透镜3)由非均匀、各向异性的人工电磁材料构成，电场方向垂直于纸面，第k层满足： ${\mathrm{\μ}}_x^k={\mathrm{\ϵ}}_z^k=1,$ ${\mathrm{\μ}}_y^k=1/{\mathrm{\α}}_k^2,$ α_k＝1+(k-δ_k)(b-a)/(na)，其中

表示第k层透镜x方向的磁导率，

为第k层透镜y方向的磁导率，

为第k层透镜z方向的介电常数，z方向垂直于纸面，α_k为与第k层透镜相关的一个中间变量，n为透镜的总层数，其取值范围在10到50之间的某一整数，k为透镜所在层数，取值在1到总层数n之间，δ_k为0到1之间的某一取定常数，a为馈电波导的宽度，b为喇叭天线的口径宽度。喇叭的夹角β在60度到150度之间。本发明中的电磁参数可以用常见的双开口环谐振器结构(SRR)来实现。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明首次将光学变换原理和透镜天线设计结合在一起，进一步提高了喇叭天线的增益，且有较好的定向性，仿真结果参见图3。透镜的电磁参数由光学变换原理计算得到，并可由人工电磁材料制作而成。如果将这种透镜嵌入到普通喇叭天线中，则得到的透镜天线增益比喇叭天线的增益能够高出6dB左右。

2、本发明中所设计的透镜天线中采用的透镜，其电磁参数与喇叭的地段宽度、口径宽度及所在层数有关，所以可以根据喇叭天线的具体形状和结构进行设计和加工，自由度高、适用范围广。

3、以往应用相位补偿方法设计的透镜天线，通常呈双曲面形状，形状复杂，难于制作，本发明中所设计的透镜天线，形状简单，易于制作。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。图中包括矩形馈电波导1，在矩形馈电波导1连接有金属导体喇叭2，在金属导体喇叭2内嵌入分层透镜3，分层透镜充满喇叭2并且每层透镜与喇叭口径面平行。喇叭的夹角β在60度到150度之间。

图2是本发明的电场分布图和传统喇叭天线电场分布图比较。(a)为本发明的电场分布图，图中可以看出，口径面上场强分布比较均匀；(b)为普通喇叭天线的电场分布图。两个结果是在相同馈源和相同边界条件下的仿真得到。

图3是本发明的上述条件下仿真得到的方向图与普通喇叭天线方向图比较。蓝色实线为本发明的远场方向图，绿色虚线为普通喇叭天线的远场方向图。从图中可看出本发明的增益高于普通喇叭天线增益6dB。

具体实施方式

一种基于光学变换理论的高增益分层透镜天线，包括矩形馈电波导1，在矩形馈电波导1连接有金属导体喇叭2，在金属导体喇叭2内嵌入分层透镜3，分层透镜3充满喇叭并且每层透镜与喇叭口径面平行，分层透镜3由非均匀、各向异性的人工电磁材料构成，电场方向垂直于纸面，第k层满足： ${\mathrm{\μ}}_x^k={\mathrm{\ϵ}}_z^k=1,$ ${\mathrm{\μ}}_y^k=1/{\mathrm{\α}}_k^2,$ α_k＝1+(k-δ_k)(b-a)/(na)，其中

表示第k层透镜x方向的磁导率，

为第k层透镜y方向的磁导率，

为第k层透镜z方向的介电常数，z方向垂直于纸面，α_k为与第k层透镜相关的一个中间变量。n为透镜的总层数，其取值范围在10到50之间的某一整数，如10层、20层；k为透镜所在层数，取值在1到总层数n之间，这里最下面为第一层，逐层往上数；δ_k为0到1之间的某一取定常数，如0.5，a为馈电波导的宽度，如5厘米，b为喇叭天线的口径宽度，如25厘米；喇叭的夹角β在60度到150度之间，如60度，90度。

本发明中，基于光学变换原理的高增益分层透镜天线包括矩形馈电波导1、由金属片构成的喇叭两壁2、和嵌入在喇叭段的透镜3。馈电矩形波导长度要大于一个波长，具体长度可以根据工程需要选取。透镜的每一层由非均匀、各向异性新型人工电磁材料制作而成，其每层等效的电磁参数与喇叭口径宽度、矩形波导的宽度及喇叭段的长度有关。这里设计的透镜只对y方向的磁参数有要求，所以制作起来比较方便、自由度比较高。

图2给出了上述发明的电场仿真分布图及传统的喇叭天线的近场分布图，而图3给出了远场方向图的比较。图2和图3是在相同激励源和相同边界条件下的仿真结果。从图2的近场分布图比较可以看出，嵌入透镜的喇叭天线，口径面上的电场分布比较均匀，从而有较高的增益和定向性。图3的远场方向图比较也说明了这一点，从图3可以看出，所设计的分层透镜天线比普通的喇叭天线增益要高6dB，且定向性也增强了很多。

Claims (2)

1.一种基于光学变换理论的高增益分层透镜天线，其特征在于包括矩形馈电波导(1)，在矩形馈电波导(1)连接有金属导体喇叭(2)，在金属导体喇叭(2)内嵌入分层透镜(3)，分层透镜(3)充满喇叭并且每层透镜与喇叭口径面平行，分层透镜(3)由非均匀、各向异性的人工电磁材料构成，电场方向垂直于纸面，第k层满足：

α_k＝1+(k-δ_k)(b-a)/(na)，其中表示第k层透镜x方向的磁导率，

为第k层透镜y方向的磁导率，

为第k层透镜z方向的介电常数，z方向垂直于纸面，y方向与波导口径面垂直，x方向与波导的宽边平行，z方向与波导的长边平行，α_k为与第k层透镜相关的一个中间变量，n为透镜的总层数，其取值范围在10到50之间的某一整数，k为透镜所在层数，取值在1到总层数n之间，δ_k为0到1之间的某一取定常数，a为馈电波导的宽度，b为喇叭天线的口径宽度。

2.根据权利要求1所述的高增益分层透镜天线，其特征在于喇叭的夹角β在60度到150度之间。

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