CN101976755A - 一种基于新型开孔结构的高效率介质透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于无线卫星通信的龙伯透镜天线系统中的介质透镜天线。该介质透镜天线基本结构包括金属反射板部分、馈源支架部分、介质透镜部分和馈源部分。金属反射板部分主要起到屏蔽和反射作用。介质透镜部分由在聚四氟乙烯中钻柱形孔构成，固定于金属反射板之上。馈源支架固定在金属反射板和介质透镜之间，馈源固定在馈源支架之上，通过其在馈源支架上滑行和伸缩，决定了馈源入射和出射的焦距以及波束角度。基于本发明的基本结构，合理改变空气孔的位置、大小、形状，即可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

一种基于新型开孔结构的高效率介质透镜天线

技术领域

本发明属于天线工程技术领域，涉及到一种介质透镜天线，具体来说是一种用于卫星通信的龙伯透镜天线系统的所需介电常数的介质透镜。

背景技术

在卫星无线通信迅速发展的今天，作为信号发送和接收的主要载体，天线对无线通信系统的网络构建起着举足轻重的作用。国内日益重视直播卫星的发展，一线多星接收技术的需求日益增长，本发明正是基于这样的前提并结合自身的一些研究工作，设计了一种高效的一线多星接收天线。

传统的卫星接收天线是抛物面天线和卡塞格林等天线，他们具有增益高，损耗小等优点，但是这类天线常常只用在一线一星的接收中，一线多星接收的设计较为繁琐，并且不同卫星信道的接收性能很可能不一样。同时这类天线的剖面大，抗外界能力不强。

龙伯透镜天线是一种球对称的分层介质透镜天线，介质的介电常数沿径向由中心为2渐变到表面为1.透镜表面的每一个点都可以认为是焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，就可以很容易得到多波束。而且每个波束增益相同，克服了多波束抛物面天线中馈源偏焦导致的增益损失问题，适合多址通信场合。由于透镜的表面是一个焦面，所以只要控制馈源在透镜表面的轨迹，便可控制波束指向，实现波束扫描。透镜的工作频带取决于馈源的频带，而且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，适用于大容量的宽带通信系统中。龙伯透镜天线可同时接收多颗卫星，具有频带宽，安装方便，耐风性强的优点，已成功应用在卫星或用户进行相对运动的卫星跟踪，近年来龙伯透镜天线在毫米波卫星通信领域的应用已成为国内外广泛关注和研究的热点。

传统龙伯透镜天线的工艺实现主要是通过对聚苯乙烯等材料的发泡，但发泡工艺这其中包含了加工特定的模具和摸索不同尺寸不同介电常数透镜天线材料的蒸烤温度和时间等，发泡程度与均匀性难以控制，且模具成本较高。美国专利申请第20040029985号中公开了一种龙伯透镜。该透镜由多个空心球壳和球核构成，该球壳和球核具有不同的介电常数，球核和球壳由含有无机介电材料的合成树脂泡沫制成。该透镜天线的重量轻，所以可以保证实用性。但是该天线的增益性能等不足以满足实际应用。日本住友电气工业株式会社在专利CN101057370中公开了一种龙伯透镜天线，该透镜由多个不同介电常数的球壳和一个球核构成，球核由多个球壳包围组成一个半球体。但是该技术要求对发泡剂、膨胀温度的控制及原材料的选取要求甚是严格，而且对材料的化学物理等特性要求十分苛刻，加工工艺流程的实现十分繁琐复杂，使得龙伯透镜天线的批量生产相对困难。总体来讲，基于发泡工艺的龙伯透镜天线的蒸烤时间、温度控制等对不同介电常数、尺寸、厚度的透镜球壳加工均不同，很难寻找到较为通用的发泡规律，从而得实际工程批量生产困难较大和成本较高。

通过开孔结构来实现龙伯透镜天线的方法很多，与其他的开孔结构相比，D.M.Harrison等在Antennas and Propagation Society International Symposium，1992.上发表题为“A Hemispherical lens antenna for multi-satellite reception”中利用多层开半球孔的聚苯乙烯材料、然后将每层半球孔对齐粘贴制成一个完整的球孔，然后将多个含多个完整球孔的片状聚苯乙烯制成一个半球体，由此制成了等效介电常数为1.52的介质透镜天线，在特定焦距的测量下其增益性能较好，但是由于多层开半球孔，球形孔在实际中加工比较困难，尺寸较小的透镜还能勉强制作，在较大电尺寸的透镜制作上无疑会大大增加了复杂度和成本，此种技术也不利于在实际应用和批量生产。2003年Sebastien Rondineau等在IEEE Antennas Wieless Propagat.Lett.，vol.2，pp.163-166，2003.发表的题为“A Sliced Spherical Luneburg Lens”提出的分层且每层的孔的尺寸大小不同来实现龙伯透镜天线，但是天线效率很低，在26.5GHz仅有30％，而且加工困难，且对于每层的组合也是个难题，对于实际应用，其物理的牢固性也有待考究。美国专利发明者Kurt A.Zimmerman在专利号5677796公开的题为“Luneberg Lens and Method of constructing same”中的利用径向尺寸渐变的钻头设计出沿径向呈锥形孔的介质透镜天线，但是此种设计径向钻孔加工难度较大，且孔数目较多，需考虑材料的形变及机械强度。且此种设计中采用的钻头是类似抛物线形等二次曲线形式的钻头，钻头需特定加工，从而增加了天线设计的成本。Peter C，Strickland等公开的专利号为US3721103B1的题为“Method forfabricating Luneburg lenses”中公开了一种制作龙伯透镜天线的方法。该透镜天线由在橘子瓣形状体的无机材料中按一定分布规律钻不同的大小的柱孔构成，从球体表面到球心，柱孔的半径及孔的密度逐渐减少，从而实现介电常数的渐变。最后将橘子瓣形状体组合成一个球体。但是此种技术加工的柱孔复杂，而且柱孔的尺寸均不一样，需要的加工组件甚多，且整个球体透镜天线的组合固定较为困难，物理牢固性很低，成本极高，此种技术对于实现批量生产及高性能的透镜天线较为困难。KenichiSato等在Electronics and Communications in Japan，Part 1，Vol.85，No.9，2002发表的题为“A Plate Luneberg Lens with the Permittivity DistributionControlled by Hole Density”利用在介质材料上进行柱形开孔和介质厚度变化等在二维平面上控制介电常数变化制成了平板型龙伯透镜天线，还将其与平板开槽天线成功结合发展成新型平面天线，且二维增益性能等具有较好效果，但是此种天线最大缺点是无法实现三位立体扫描，不适用于卫星通信。

与之前提及的发明专利和论文相比，本发明利用常规钻头进行垂直方向的钻柱形孔，结构简单，易于加工，采用材料工艺成熟的聚四氟乙烯等进行加工，从而使得成本大大降低。本发明所设计的特定介电常数的透镜天线可以运用到介电常数渐变的、高性能的、的龙伯透镜天线中。在合适的选取馈源天线、焦距等的情况下可以在方向图、增益、效率、材料的电性能的均匀性、等取得较好的性能。与其他形式实现的龙伯透镜天线相比，本发明的技术的规律简单、明了，易于推广到不同尺寸不同介电常数的高性能的适用于卫星通信的三维扫描的龙伯透镜天线中。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景实现，目的在于对现有技术在应用中存在的问题加以研究和解决，提出了一种新的实现等效介电常数的方法。该装置通过对现有工艺技术成熟的高介电常数的材料基体上钻孔实现低损耗低介电常数材料的等效形式的发明和创新，采用钻柱形孔形式，设计出了一种高效率、高增益、成本低廉、便于加工批量生产的等效介电常数的介质透镜天线。

该介质透镜适用于卫星无线通信中一线多星的龙伯透镜天线系统，它的基本结构包括金属反射板、支架导轨、介质透镜和高效的馈源天线。金属反射板主要起到屏蔽和反射作用。支架导轨由连接块和支撑柱构成，固定于金属反射板和介质透镜之间。馈源插入于支架导轨弧形体凹槽之间，可在导轨上移动并沿导轨径向伸缩，丛而改变馈源入射角和焦距，以求达到最佳的天线性能。

本发明最大的创新在于介质透镜采用在工艺技术成熟高介电常数介质材料基体上开柱形孔构成，这样等效为较低的介电常数等效的介质透镜，并利用等效媒质理论中的ABG法则：

$A-\mathrm{BG}:\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\ϵ}}_h}=(1-p){\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{eff}}}{{\mathrm{\ϵ}}_h}\right)}^{\frac{1}{3}}$

$P=\frac{{\mathrm{n\πr}}^{2}h}{[\mathrm{\π}{(\mathrm{\ρ}+a)}^2-{(\mathrm{\ρ}-a)}^2]}$

介电常数会随着体积比因子P增加而减小。本设计就是利用这一特点，能够在一定体积比内降低介质材料的等效介电常数，从而来实现龙伯透镜天线所需要规格的材料。

本发明实施方式利用将半球透镜天线放置在金属反射板上面，反射板的镜像作用使得半球透镜的等效辐射口径仍为2R，这样天线的物理尺寸减小了一半，但是增益却基本没有变化且利于安装固定。接收信号射入天线，经过球内部，遇到反射板反射，聚焦到轴向的另一端。

本发明开孔结构采用柱形孔，这大大缩减了天线的加工难度和加工成本，使得批量生产得以实现，高效馈源工作在卫星电视接收频段12.5GHz附近，且离开透镜表面一定距离，馈源具有圆对称的辐射特性。天线支架导轨材料是硬铝，设计形状以降低支架遮挡带来的效率下降，仿真结果表明支架导轨经过改进后对天线的增益下降可以控制到0.15dB以下，支架导轨的顶端用了介质棒支撑以免支架形变，底端可以在反射板上滑动，馈源在支架上面可以沿圆弧移动，在进行卫星接收调试时，针对高纬度地区如黑龙江地区的卫星电视用户，在接收的时可以将天线整体适当旋转来抵消天线增益的下降。

附图说明

图1为本发明-一种高效率等效介电常数的介质透镜天线设计俯视图；

图2为本发明-一种高效率等效介电常数的介质透镜天线设计侧视图；

图3为本发明的一种孔结构图；

图4为本发明的一种介质透镜地面孔分布图；

图5为本发明的一种透镜天线0°入射波束的仿真方向图；

图6为本发明的一种透镜天线30°入射波束的仿真方向图；

图7是本发明的一种透镜天线45°入射波束时的仿真测试方向图。

具体实施方案

图1和图2示例性的描述了以一种高效率等效介电常数的介质透镜天线设计装置。依图示描述，此装置主要包括金属反射板、支架导轨、介质透镜以及高效馈源。金属反射板1由超硬铝板制成，当然也可以由其它不锈钢等金属材料制成。该金属反射板主要起到反射内部电磁波以及屏蔽外界干扰的作用。

介质透镜部分2依靠介质支架3固定于金属反射板1上。特别的，在本发明中，此介质透镜的孔结构被设计成一种柱形孔结构。具体来讲是在一个介电常数较大技术成熟的聚四氟乙烯上钻出呈一定规律均匀分布的柱形孔，从而达到所需要的较低的介电常数。

在连接金属反射板1和介质透镜2和馈源4之间为馈源支架3，馈源支架3可分为4部分，第一部分位于连接金属反射板1和导轨支架3的连接板31，连接板有铝制作，当然也可采用其他金属材料做成，第二部分是用于固定馈源的弧形体32，主要用于固定馈源的焦距以及馈源出射和入射波束角度，第三部分介质棒34，主要用于固定馈源支架和介质透镜的相对位置，以便能精确定位卫星的波束信号，第四部分是连接弧形体和介质棒的连接块33构成。通常，导轨支架不仅仅局限于一个或者两个，也不局限于两个完全一致。工程设计人员可根据需要改变任何一个介质片的形状和位置。

馈源喇叭天线4固定于馈源支架的弧形体上，可以精确的定位卫星信号主波束位置，主要用于发射和接收信号。

接下来描述的是此实施方案的具体操作。

一个微波信号从馈源的输入端口21输入，安排合理的焦距经过最佳照射进入介质透镜内部。经过介质透镜后由反射板反射信号波束进入透镜入射信号的轴向对称的另一面透镜进而进入空气发射出去与卫星信号对准以便进行及时通信。

由以上表述可见，馈源天线的焦距的改变与系统天线有直接关系，也就是说与介质透镜的介电常数直接相关。具体来说如图3可得到柱形孔的体积比因子为：

$p=\frac{\mathrm{Nh\π}\left(a_j^2\right)}{h[\mathrm{\π}{({\mathrm{\ρ}}_j+b_j/2)}^2-\mathrm{\π}{({\mathrm{\ρ}}_j-b_j/2)}^2]}$

a_j第j环开孔的直径大小，h为介质高度，ρ_j为第j环中心线距离轴心的距离，b_j每环之间孔的轴心的间距，通过利用上述提到的等效媒质理论中的ABG法则来确定等效介电常数的数值，然后调整孔间距、大小、分布数目等即可调节等效介电常数。当然，孔的数量、形状和间距不局限于图中所示，只要能满足对有效介电常数的有效等效的目的，均属于本发明涉及范围。

图4为基于本发明的一种直径为144mm的等效介电常数为1.71的介质透镜的孔分布效果图。图中详细的给出了所有孔的分布式样。

图5基于本发明的一种天线在12.5GHz的0°垂直极化入射波束时的方向图的仿真图。喇叭相位中心位于透镜天线介电常数为1.71的焦距位置。

图6基于本发明的一种天线在12.5GHz的30°垂直极化入射波束时的方向图的仿真图。喇叭相位中心位于透镜天线介电常数为1.71的焦距位置。

图7是基于本发明的一种天线在12.5GHz的45°垂直极化入射波束时的方向图的仿真和测试图，喇叭相位中心位于透镜天线介电常数为1.71的焦距位置。由图看出仿真增益为24.1dBi，测试增益为23.3dBi，且方向图整体吻合较好。副瓣电平足够低。在45°入射的效率为60.21％。

由以上图可鉴在其他扫描角入射的增益和效率均在60％附近。说明本发明在不同角度的入射波束均可以达到较好的增益性能，由此证明本发明天线的较好的三维电扫描性能。此天线的性能可以达到卫星通信中的实际应用范围。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (7)

1.一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于新型的柱形开孔结构，包括金属反射板、馈源支架导轨部分、介质透镜天线部分以及馈源部分。介质透镜天线部分固定于金属反射板上方。支架部分用来调解馈源的波束扫描角度以及馈源焦距。

2.根据权利要求1所述的一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于等效媒质理论的指定介电常数的介质透镜天线，其特征在于至少包含一个介质透镜，透镜由均匀分布的空气孔在其中构成。

3.根据权利要求1和2所述的一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于等效媒质理论的指定介电常数的介质透镜天线，其特征在于固定装置与金属反射板、介质透镜和馈源相连接。

4.根据权利要求1所述的一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于等效媒质理论的指定介电常数的介质透镜天线，其特征在于介质透镜材料的形状和孔间距和数目以及介质材料种类可以有所调整，以满足不同的设计要求。

5.根据权利要求1所述的一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于等效媒质理论的指定介电常数的介质透镜天线，其特征在于介质透镜天线和反射板组合在支架的馈源天线在可连续改变其与透镜天线部分入射波束的位置，以实现馈源入射波束对透镜天线的不同程度的覆盖，即不同程度的影响对介质透镜部分的入射波束角度、焦距和波束照射，以达到连续改变对准卫星信号波束的目的。

6.根据权利要求1所述的波束，一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于等效媒质理论的指定介电常数的介质透镜天线由在聚四氟乙烯上开均匀分布有一定规律的圆柱形开孔结构构成，从而大大简化了加工制作难度。

7.根据权利要求1所述的一种用于卫星无线通信的高效率龙伯透镜天线基于等效媒质理论的指定介电常数的介质透镜天线，其特征在于可以实现不同介电常数的渐变的龙伯透镜天线，与传统的龙伯透镜天线相比，在增益范围相同的情况下能显著缩小其尺寸，或者说在同样尺寸的情况下可以实现更大增益和效率。

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