CN102122762B

CN102122762B - 毫米波360o全向扫描介质柱透镜天线

Info

Publication number: CN102122762B
Application number: CN 201110026393
Authority: CN
Inventors: 吴锡东; 朱道虹
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-01-25
Filing date: 2011-01-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-01-25
Also published as: CN102122762A

Abstract

本发明公开了一种毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线。它包括三个介质柱透镜、三个扫描范围分别为120^o的馈源天线阵列和四个金属圆盘；四个金属圆盘间分别同轴安装有一个介质柱透镜，相邻两个金属圆盘边缘中间处分别安装一个所述馈源天线阵列，所述三个馈源天线阵列在水平投影面上两两相差120^o，所述每一个馈源天线阵列的相位中心平面与各自的介质柱透镜的焦平面重合。本发明在水平方向实现了360^o全向扫描；三个介质柱透镜天线之间有金属圆盘形平行板相隔，各个均匀介质柱透镜的扫描不受其它两个透镜的干扰，因此每层柱透镜天线的扫描波束完全一致；可以方便地与印刷集成电路连接。在在航天通信、卫星通信以及电子对抗等领域中应用。

Description

毫米波360o全向扫描介质柱透镜天线

技术领域

本发明涉及天线，尤其涉及一种毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线。

背景技术

国际上很早就对毫米波多波束天线系统开展了一系列的研究，传统的方法包括采用抛物面反射天线、以及Rotman透镜等，但是这些方法要么结构复杂、扫描范围有限，要么损耗大、工作频带窄，因此都不能满足现代毫米波系统应用的要求。最能体现当今毫米波多波束天线研究水平的是将光学领域中透镜技术的概念应用到毫米波段，这包括了介质透镜、球透镜以及柱透镜天线等，这些透镜天线最大的特点是结构简单、扫描范围宽，可以实现低损耗的宽带工作。下面我们将简要介绍几种典型的毫米波多波束天线系统的结构及其性能指标，并以此提出本发明的内容。

密歇根大学的Prof. G. M. Rebeiz所带领的研究组在1993年提出了一种特别适合于毫米波段工作的介质透镜天线[1]，这种天线最大的特点是可以消除毫米波天线的表面波损耗，1997年进一步，提出这种天线可以用于产生多波束扫描，其馈电天线可以很简单地集成在透镜的焦平面上[2]。多伦多大学于2001年采用这种介质透镜天线在八毫米波段实现了31个圆极化波束的扫描，可以覆盖±23^o的锥形扫描范围，圆极化带宽（3dB轴比）达1GHz[3]。然而，这种介质透镜天线的扫描范围还是有限，真正实现大角度毫米波多波束扫描的是在2001年由多伦多大学和密歇根大学共同研制的均匀球透镜天线[4]，这是第一次在国际上研制出了工作在77GHz，并能产生覆盖范围宽达180^o的多波束扫描。该球面透镜天线由33个渐变槽天线组成的水平面半圆阵列进行馈电，每个单元产生的3dB波束宽度为5.5^o，这样能覆盖 33×5.5 = 181.5^o的水平扫描范围。该馈电阵列可以很方便地印刷在同一个平面介质基片上，并放置于球面透镜的赤道平面上，由于球面透镜的自对称性，每个馈电单元产生的扫描波束几乎一致，这使得球面透镜的扫描角度非常宽，可以很方便地达到180度扫描。透镜加工则可选用Teflon (ε_r = 2.08)塑料材料制成，这种材料在毫米波段具有很低的损耗，而且价格便宜、加工方便，所以特别适合毫米波段的应用。在77GHz的实验测试结果表明，该球面透镜天线能产生定向性非常好的扫描波束，方向图也非常的干净整齐，在E面和H面的旁瓣电平都低于-20dB，辐射效率高达54%。

由于球透镜天线在加工制作、系统固定等方面存在一些实际困难，这时可以采用更为简单的柱面透镜天线来实现多波束扫描 [5 - 6]。该柱面透镜天线放置于平行板波导之间，馈电仍可采用渐变槽天线组成的半圆阵列，水平放置在两平行板导体之间，以产生180^o多波束扫描。当该平行板波导的高度选为 /2<h <

时（其中，是自由空间的波长），就能在平行板之间激励起TE₁₀模，因此该天线极化方向为水平极化。

这种柱面透镜天线产生的方向图为扇形波束，它在水平面内可以实现窄波束扫描，而在垂直面内则产生较宽的波束。文献[6]中报道的均匀柱面透镜天线在 30GHz的工作频率上实现了E面扫描波束宽度为6^o，H面波束宽度为60^o。这种柱面透镜天线可以通过改变透镜直径来调节其E面波束宽度，而H面的波束宽度则取决于H面的有效辐射口径。另外必须要指出的是，当工作于TE₁₀模时，该柱面透镜为一种色散型透镜，柱面透镜的焦距是跟工作频率和透镜的高度有关，因而，这种结构是一种窄带结构，测量结果显示，均匀柱面透镜天线的工作带宽大约在10% - 15%。

在均匀柱面透镜天线的基础上，文献[7]中提出了一种新型的柱面Luneberg透镜天线。该天线采用在平行板之间部分填充介质的方法来改变透镜天线的等效介电常数，从而实现Luneberg透镜所需的连续可变的折射率。这种方法加工简单，只需要加工上下两层介质材料的光滑表面，就能实现Luneberg定律所需的介电常数的连续变化，这种结构可进一步很方便的拓展到毫米波高端的应用，而不会带来性能指标的下降。其它文献报道的实现Luneberg透镜的传统方法，例如在透镜材料上打孔，通过控制小孔密度来控制其等效介电常数 [8]，或者采用多层同心球面 (或柱面) 的介质材料结构，控制每层介质材料的介电常数来模拟Luneberg透镜 [9 - 10]，这些方法或者由于加工精度要求高，在毫米波段难以实现，或是其性能在毫米波段会大大下降，总之都不适合于毫米波段的应用。

在文献 [7] 中，采用了一种塑料材料 (Rexolite, ε_r = 2.54) 加工制成Luneberg透镜，这种材料价格低廉、易于加工、且损耗极低，特别适合毫米波段的应用。该Luneberg透镜天线在 26.5 - 37 GHz的测试频段内，实际测得的天线效率在 43% - 72% 之间，旁瓣电平低于 -18 dB，交叉极化低于 -25 dB。此外，该Luneberg透镜的焦点就位于透镜边缘位置，因此在该透镜天线中，馈电天线不需要占用额外的尺寸，因此整个天线系统就能做到最小化。目前这种柱透镜技术已被加拿大一公司应用于新一代飞机起降雷达系统内。

综上所述，国际上毫米波多波束天线的研究，现在正朝着集成化、系统化的方向走向实际应用。国内在毫米波集成多波束天线系统的研究方面还处于起步阶段。近年来，南京理工大学利用透镜天线在产生多波束方面开展了不少研究工作，他们的工作目前主要集中在微波波段，还没有进入毫米波段。

然而，国内国际上对毫米波多波束天线的研究还局限于实现大角度扫描，所以对于实现360⁰全向扫描的方案比较少，而360⁰全向扫描对于航空航天、卫星通信以及军事等领域都有着非常重要的意义。

参考文献

[1] D.F. Filipovic, S.S. Gearhart and G.M. Rebeiz, “Double-slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses,” IEEE Trans Microwave Theory Tech., MTT-41, pp. 1738-1749, Oct. 1993.

[2] D.F. Filipovic, G.P. Gauthier, S. Raman and G.M. Rebeiz, “Off-axis properties of silicon and quartz dielectric lens antennas,” IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-45, No.5, pp. 760-766, May 1997.

[3] X. Wu, G.V. Eleftheriades and T. E. van Deventer, “Design and characterization of single and multiple beam mm-wave circularly polarized substrate lens antennas for wireless communications,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-49, pp. 431-441, March 2001

[4] B. Schoenlinner, X. Wu, G.V. Eleftheriades and G.M. Rebeiz, “Wide-scan spherical-lens antennas for automotive radars,” IEEE Trans. Microwave Theory Tech., MTT-50, pp. 2166-2175, Sept. 2002.

[5] G. Peeler, D. Archer, “A two-dimensional microwave Luneberg lens,” IRE Trans. Antennas and Propagation, AP-1, pp. 12-23, July 1953.

[6] X. Wu and J.-J. Laurin, “MM-wave wide-scan cylindrical dielectric lens antennas,” Proc. IEEE AP-S Symp., pp. 1387-1390, Monterey, CA, June 2004.

[7] X. Wu, J.-J. Laurin, “Fan-beam millimeter-wave antenna design based on the cylindrical Luneberg lens”, IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-55, pp. 2147-2156, Aug. 2007.

[8] K. Sato and H. Ujiie, “A plate Luneberg lens with the permittivity distribution controlled by hole density,” Proc. ISAP, pp. 975-978, Fukuoka, Japan, 2000.

[9] A. J. Emerson and A. J. Cuming, “Stepped-index Lüneberg lenses: antennas and reflective devices,” Electronic. Design, 1960.

[10] G. Peeler and H. Coleman, “Microwave stepped-index Luneberg lenses,” IRE Trans. Antennas and Propagation, pp. 202-207, Apr. 1958。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线。

本发明采用的技术方案是：

本发明它包括三个介质柱透镜、三个扫描范围分别为120^o的馈源天线阵列和四个金属圆盘；四个金属圆盘形间分别同轴安装有一个介质柱透镜，相邻两个金属圆盘边缘中间处分别安装一个所述馈源天线阵列，所述三个馈源天线阵列在水平投影方向两两相差120^o，所述每一个馈源天线阵列的相位中心平面与各自的介质柱透镜的焦平面重合。

所述的介质柱透镜为均匀介质柱透镜。

所述的馈源天线阵列由多个等间距布置的对拓渐变槽天线构成。

所述的对拓渐变槽天线两边刻有完全相同的周期性狭槽。

与背景技术相比，本发明具有的有益效果是：

在水平方向实现了360^o全向扫描。天线结构紧凑，口径效率高，旁瓣和后瓣较低，扫描波束为扇形波束，水平方向为窄波束，俯仰方向为宽波束。其次，由于三个介质柱透镜天线之间有金属圆盘形平行板相隔，各个均匀介质柱透镜的扫描不受其它两个透镜的干扰，因此每层柱透镜天线的扫描波束完全一致。再次，馈源阵列对拓渐变槽天线阵列可以方便地与印刷集成电路连接。另外由于主体部分结构简单，因而加工精度要求低，实现简单，造价便宜。毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线在诸如航天通信、卫星通信以及电子对抗等领域有着极其广泛的应用。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是图1的剖视图；

图3是图1的对拓渐变槽天线阵列的正面结构示意图；

图4是图1的对拓渐变槽天线阵列的反面结构示意图；

图5是图1的对拓渐变槽天线阵列单元的整体结构示意图；

图6是图1的对拓渐变槽天线阵列单元的正面结构示意图；

图7是图1的对拓渐变槽天线阵列单元的反面结构示意图

图中：1、介质柱透镜，2、馈源天线阵列，3、金属圆盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明在水平极化的情况下，为保证相邻两个金属圆盘构成的平行板波导激发的是TE₁₀模，平行板波导的高度必须大于半个波长，同时小于一个波长。这种模式的传播常数k与平行板波导的高度也即介质柱透镜的高度有关，同时柱透镜天线的效率也取决于该高度。因而选择平行板波导的高度为

Figure 201110026393X100002DEST_PATH_IMAGE002

，这样既可以保证柱透镜天线具有最高的效率，同时又能使柱透镜的焦距较小，减小电磁波在金属圆盘间的散射从而降低旁瓣和后瓣水平。采用射线追踪法估算出均匀介质柱透镜的最佳馈源位置-焦点位置，然后将馈源天线的相位中心与该介质柱透镜的焦点重合，从而天线达到最优的口径效率。聚焦时均匀介质柱透镜天线为扇形波束，即在E面（水平面）为窄波束，H面（俯仰面）则是很宽的波束。这种扇形波束特别适用于毫米波段多波束、大范围扫描的应用。再利用均匀介质柱透镜天线结构上的对称性，采用对拓渐变槽天线布成阵列进行馈电，保证相邻馈电单元间隔为均匀介质柱透镜天线E面的3dB波束宽度，并且使对拓渐变槽天线的相位中心平面与均匀介质柱透镜的焦平面重合，从而实现了单层均匀介质柱透镜天线在水平方向的多波束扫描。通过阻挡效应的研究，发现单层均匀介质柱透镜天线的扫描范围在120^o-150^o,因而利用介质柱透镜天线可以层叠的优点，采用三层完全相同的均匀介质柱透镜天线上下层叠，每层介质柱透镜天线覆盖120^o的扫描范围，这要求每层介质柱透镜天线中的对拓渐变槽天线阵列在水平方向两两相差120^o，从而实现了水平方向 360^o全向扫描。通过加宽的金属圆盘将三层介质柱透镜天线完全隔开，同时保证对拓渐变槽天线阵列完全在平行板波导以内，这样三层介质柱透镜的辐射方向图完全一致，相互之间不受任何干扰，所产生的扫描波束完全相同。

如图1、图2所示，它包括三个介质柱透镜1、三个扫描范围分别为120^o的馈源天线阵列2和四个金属圆盘3；四个金属圆盘3间分别同轴安装有一个介质柱透镜1，相邻两个金属圆盘3边缘中间处分别安装一个所述馈源天线阵列2，所述三个馈源天线阵列2在水平投影面上两两相差120^o，所述每一个馈源天线阵列2的相位中心平面与各自的介质柱透镜1的焦平面重合。介质柱透镜1为均匀介质柱透镜，由Rexolite材料加工而成，其相对介电常数ε_r= 2.54；四个金属圆盘3由三个均匀介质柱透镜支撑，且4个金属圆盘3和三个均匀介质柱透镜关于中心轴对称；相邻两个金属圆盘3构成的平行板波导的边缘中间处设有馈源天线阵列2，馈源天线阵列2为对拓渐变槽天线阵列，对拓渐变槽天线阵列的相位中心平面与均匀介质柱透镜的焦平面重合；相邻两个金属圆盘3、支撑的介质柱透镜以及相邻金属圆盘3之间的对拓渐变槽天线阵列构成一个多波束扫描介质柱透镜天线；三个多波束扫描介质柱透镜天线上下层叠，相邻两个对拓渐变槽天线阵列在水平投影面上两两相差120^o。

如图2所示，所述对拓渐变槽天线阵列为水平阵列，且固定在嵌在相邻两个金属圆盘3边缘的弧形金属板中间。

如图3、图4所示，所述的对拓渐变槽天线阵列为120^o弧形阵列，实施例中采用17个馈电单元组成，各单元间相隔角度完全相同，为天线E面3dB波束宽度。

如图5、图6、图7所示，所述的对拓渐变槽天线单元为对拓渐变槽天线，该天线为对拓结构，末端通过圆弧形过渡段与微带线相连，天线的两边刻有完全相同的周期性狭槽。

以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及发明中提到的一些替代方式制作出本毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线。本发明馈源对拓渐变槽天线阵列可以实现宽带工作，且易于同印刷集成电路连接。

Claims

1.一种毫米波360^o全向扫描介质柱透镜天线，其特征在于：它包括三个介质柱透镜（1）、三个扫描范围分别为120^o的馈源天线阵列（2）和四个金属圆盘（3）；四个金属圆盘形（3）间分别同轴安装有一个介质柱透镜（1），相邻两个金属圆盘（3）边缘中间处分别安装一个所述馈源天线阵列（2），所述三个馈源天线阵列（2）在水平投影方向两两相差120^o，所述每一个馈源天线阵列（2）的相位中心平面与各自的介质柱透镜（1）的焦平面重合；

所述的介质柱透镜为均匀介质柱透镜；

所述的馈源天线阵列（2）由多个等间距布置的对拓渐变槽天线构成；

所述的对拓渐变槽天线两边刻有完全相同的周期性狭槽。