CN102176545A - 一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于宽频带大容量卫星通信的分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线。该天线基本结构包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4弧形双导轨。半球龙伯透镜采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核，固定于金属反射板表面。馈源可以沿着弧形双导轨滑动，同时可径向调节焦距以满足在Ku/Ka不同频段馈源入射波束对透镜天线不同程度的覆盖，使波束能够实时对准卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。基于本发明的基本结构，合理改变工业级塑料材料种类、板材数目、板材连结方式，即可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线

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宽频带大容量卫星通信中的基于工业级塑料材料的高性能两层龙伯透镜天线。

背景技术

随着卫星宽带多媒体业务需求的快速增长，为保证高速卫星通信、宽带数字传输及高清电视直播等业务的高可靠性和高利用率，对地面站天线提出新的要求：高增益、宽频带或多频带、灵活的线、圆极化方式且交叉极化分量很低、宽角度范围内多波束且造价较低等。本发明正是基于这样的前提，设计了一种用于Ku/Ka频段卫星通信的高效龙伯透镜天线。

传统的卫星和地面站通信天线常常采用抛物面天线，其性能直接关系到整个卫星通信系统的性能指标。由于抛物面天线只有一个焦点，因此一副抛物面天线一般只能对准一颗卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。若要对准多颗卫星同时进行跟踪并进行通信，则一般需要多副抛物面天线并占据相当大的空间。相控阵系统虽可方便地完成上述功能并获得极快的扫描，但其设计过程中各项容差指标要求极为苛刻，其大量的TR组件使得设计和制作成本很高，尤其在毫米波频段，相移网络损耗巨大不容忽视。

龙伯透镜天线可很方便地应用于上述场合。龙伯透镜天线是一种球对称的介质透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现多波束扫描，跟踪多个目标，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，这在空间卫星通信、无人机侦察截听、微波暗室紧缩场等系统中有着重要的意义；并且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，工作频带取决于馈源的频带，可适用于大容量的宽带通信系统中。

尽管龙伯透镜的概念早在上世纪40年代就已提出，但一直以来由于材料技术和制造水平限制了这种天线的应用。国外学者对龙伯透镜天线进行了系统的分析和研究，提出了一些透镜制作工艺的基本准则和方法，其中最具代表性的是基于塑料树脂材料的热发泡技术、基于钻孔结构实现较低介电常数等效技术及基于现有高介电常数材料技术等。美国专利发明者Michael.P.Carpenter等在专利号US 6433936B1公开的题为“Lens of Gradient Dielectric Constant and Methods of Production”中将热塑性树脂膨胀珠(聚苯乙烯、聚酰胺等)中掺杂陶瓷材料(二氧化钛、二氧化硅等)填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节泡沫模制品的密度及陶瓷含量来控制每层球壳的介电常数。该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂。日本住友电气工业株式会社在专利CN 101057370中详细阐述了龙伯介电透镜及其制造方法，通过模内制模方法对泡沫塑料珠料适当发泡，需严格控制珠料粒度大小、各成分所占体积比、烘烤时间和温度等，已确保球层材料方向均匀性和低损耗，使得实际工程批量生产困难较大且成本较高。美国专利发明者Strickland等在专利号US 6721103B1公开的题为“Method for fabricating luneburg lenses”提出了一种在有限多个等角度的楔形介质片材料上垂直于楔形表面按一定分布规律钻不同大小的柱形孔，沿着楔形径向方向柱形孔的半径及孔的密度逐渐增大，从而实现介电常数渐变，最后将楔形体组合成一个半球龙伯透镜。对于工作于高频段的电大尺寸的介质透镜，将要求更多的楔形介质片(即楔形角度的减小)，以实现介电常数较为准确的渐变，这必然会增加加工成本，且整个半球体龙伯透镜天线的组合固定异常困难，物理牢固性低。美国专利US 5677796公开的题为“Luneberg Lens and Method of Constructing Same”中利用径向尺寸渐变的钻头沿介质球体径向钻锥形孔从而实现渐变介电常数的龙伯透镜天线，锥形孔的定位及加工难度较大，且孔数目较多，需考虑材料球体的形变及机械强度。2003年Sébastien Rondineau等人在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从而避免制作整体的透镜介质，但是天线效率很低，在26.5GHz，效率只有30％，在32GHz，效率只有15％，而且加工困难，且每层介质薄片组合的牢固性也有待考究。1970年Tomos L.AP Rhys在IEEE Trans.Antennas Propag.，vol.18，no.4，p.497-506，1970.发表的题为“The Design of RadiallySymmetric Lenses”设计了更为实际的工作于70GHz的小尺寸单层或两层龙伯透镜天线，采用最常见的聚苯乙烯、石英作分层介质，此种设计是基于最传统的几何光学法和分层方法，未涉及对介质损耗的探讨，且透镜的辐射特性也不是最佳。美国专利US 2002/0174685A1公开的题为“Dielectric Lens and Dielectric Lens Manufacturingmethod”提出了一种将不同直径的圆台形介质片积层成半球介质透镜的方法。将熔融状的介质材料注入恒定压强的模具中冷却并凝固成圆台形介质片，依次将介质材料注入模具中前一片介质表面，前一片介质与此片介质熔融到一起，介质分界面采用凸凹槽以增加机械强度。此工艺虽可避免整块半球介质材料较厚，表面和内部材料收缩比不同，均匀性难以控制导致的介电常数不一致，但模具结构复杂，需要的加工组件甚多，加工难度较大。2006年英国York大学的John Thornton在IEE Proc.-Microw.Antennas Propag.vol.153，no.6，pp.573-578，2006.发表的题为“Wide-scanningMulti-layer HemisphereLens Antenna for Ka Band”中利用聚乙烯作外层，Rexolite材料作内核构成两层透镜天线实现了35dBi高增益，由于其工作频率为28GHz，其实际物理口径尺寸并不大。

与之前提及的发明专利和论文相比，本发明采用工业低损耗塑料(介电常数ε_r：2～3)精密机加工技术，设计出具有最少分层数目(分层数目为2)、直径为650mm的电大尺寸半球龙伯透镜天线。该发明结构简单，工艺流程稳定可控且实用性强，特别适合于天线重量要求可适当放宽的场合。同时，采用优化设计方法适当设计各分层的几何尺寸以及馈源焦距等参数可实现天线整体的高效率，能较好地应用于大容量、宽频带的卫星和地面站通信，多目标跟踪，电视直播卫星的一线多星通信技术等。

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，提出了一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线。采用现有的国内外通用的低损耗工业级塑料材料(εr：2～3)优化设计两层半球透镜天线。采用矢量球面波函数结合差分进化算法对透镜增益进行优化。本发明采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核优化设计出2层直径650mm的电大尺寸半球龙伯透镜天线。利用现有低损耗工业级塑料材料代替传统发泡工艺或钻孔实现较低介电常数等效工艺等方案，可使得天线加工的复杂度大大降低。

该龙伯透镜天线适用于移动式卫星地面站、多目标跟踪、电视直播卫星的一线多星通信技术等，它的基本结构包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4弧形双导轨。半球透镜天线由于反射板的镜像，其辐射口径大小与全球透镜天线一样，但纵向尺寸减半，便于安装固定在载体上；高效Ku/Ka馈源用于收发卫星信号，具有圆对称的辐射特性和低交叉极化特性；半球透镜天线口径面的场主要是金属反射板反射场的贡献，很少部分由馈源直接辐射贡献；馈源可以沿着弧形双导轨滑动，使波束能够实时对准卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。

本发明最突出的创新在于采用矢量球面波函数结合差分进化算法对Ku/Ka频段天线增益进行联合优化，目标函数：

$f^{\left(n\right)}=w_1\·|{\mathrm{\η}}_{0\mathrm{Ku}}-{\left(\frac{{\mathrm{dir}}_{\mathrm{Ku}}}{g_{0\mathrm{Ku}}}\right)}^{\left(n\right)}|+w_2\·|{\mathrm{\η}}_{0\mathrm{Ka}}-{\left(\frac{{\mathrm{dir}}_{\mathrm{Ka}}}{g_{0\mathrm{Ka}}}\right)}^{\left(n\right)}|---\left(1\right)$

其中η_0Ku、η_0Ka分别为Ku、Ka频段透镜天线的目标效率，dir_Ku/g_0Ku、dir_Ka/g_0Ka为计算所得的Ku、Ka频段透镜天线效率，w₁、w₂为相应的加权系数。采用低损耗塑料材料(介电常数损耗正切tanδ在10^-4数量级)优化设计的两层或三层透镜天线在Ku、Ka频段增益均在35dBi以上。相比两层透镜，三层透镜天线增益改善并不明显，考虑加工成本及工程实现的复杂度，可采用两层半球透镜天线。

本发明的特点是采用最少分层数目(分层数目为2)的电大尺寸半球龙伯透镜天线，即能达到传统基于发泡材料的多层龙伯透镜天线增益，大大降低了模具制作难度与成本。该发明结构简单，工艺流程稳定可控且实用性强，便于实际工程的批量生产。同时采用精密机加工技术可保证球壳正负公差精密配合，层间空气间隙小，避免层间空气间隙所导致的透镜辐射特性的恶化。

本发明的另一特点是采用低损耗且方向均匀性良好的聚四氟乙烯和聚乙烯薄板材料，可避免整块半球介质材料较厚，表面和内部材料收缩比不同且均匀性难以控制导致的介电常数不一致。外层聚四氟乙烯球壳由4片密度、介电常数相同的聚四氟乙烯薄板粘接而成，薄板表面采用钠萘处理剂进行离子化处理以便于粘接；聚乙烯内核是由两片聚乙烯材料通过相同材料特性的聚乙烯螺钉连结固定。

本发明实施方式是入射电波穿透球体表面，然后被金属反射板反射汇聚到球体轴向另一端的焦点。不同卫星信号的入射方向不同，在球面上汇聚的焦点位置也不同，只需沿着弧形双导轨移动馈源位置并使其对准所需信号方向，即可完成对不同卫星的跟踪并进行上行或下行链路通信，而不需要改变透镜天线的位置。而实际中保证良好的整体效率，可将透镜天线放置在二维转台上以补偿不同地理位置用户接收同一颗卫星不同仰角的差异。

附图说明

图1为本发明——一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线侧视图；

图2为本发明——一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线俯视图；

图3为本发明龙伯透镜天线透视图；

图4为本发明龙伯透镜天线底部聚乙烯螺钉分布示意图；

图5为本发明龙伯透镜、传统发泡工艺分层透镜及单层K-透镜天线效率对比图；

图6为本发明的龙伯透镜天线45°入射时Ku频段仿真和实测方向图；

图7为本发明的龙伯透镜天线45°入射时Ka频段实测方向图。

具体实施方案

图1和图2示例性的描述了以一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线设计装置。依图示描述，此装置主要包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4弧形双导轨。

半球龙伯透镜1由聚四氟乙烯球壳和聚乙烯内核构成。如图3所示，聚四氟乙烯球壳由4片密度、介电常数相同的聚四氟乙烯薄板11、12、13和14粘接后经过塑料精密数控车铣床机加工制成。薄板11、12、13和14表面用钠萘处理剂进行离子化处理后用DG-4环氧树脂胶粘接。聚乙烯内核由两片低损耗且方向均匀性良好的聚乙烯板15、16构成，并由与内核材料特性相同的9颗聚乙烯螺钉17连结固定。半球龙伯透镜球壳和内核要求正负公差精密配合，层间缝隙尽量小。

高效Ku/Ka馈源2用于收发卫星信号，工作于Ku/Ka频段，具有圆对称的辐射方向图和低交叉极化特性，并能实现收发双极化的馈源。馈源2用固定安装装置安装在1/4弧形双导轨4上面，且馈源2可以沿着导轨滑动，使波束能够实时对准对应的同步卫星。馈源2应精确组装定位并对准透镜球心，以避免偏焦导致天线增益下降(接收信号强度下降)。

金属反射板3对半球龙伯透镜1起镜像作用，半球龙伯透镜1在口径面上的场主要是地板反射场的贡献。入射电波穿透球体表面，然后被金属反射板反射汇聚到球体轴向另一端的焦点。当波束入射角(馈源入射线与透镜轴向的夹角)较大时，反射板3应足够大以保证天线性能不下降。反射板3由超硬铝制成，当然也可以由其他金属材料制成。

1/4弧形双导轨4由支撑杆41、定位片42、导轨43及导轨和反射板连接块44构成。支撑杆41有玻璃钢圆柱棒制成，也可采用其他工业级塑料材料，可保证馈源2对准透镜球心，同时起到支撑作用以免导轨43因馈源和自身重量产生形变。定位片42由与半球龙伯透镜外层材料相同的聚四氟乙烯制成，定位片42直径应尽可能小以减小对小角度入射波束遮挡的影响。导轨43由超硬铝材料制成，导轨形状不局限于本发明的1/4弧形，也可以是其他形状，设计时应考虑尽可能减小导轨遮挡带来的天线性能的下降。馈源2可以沿着导轨滑动，同时可径向调节焦距以保证波束能够实时对准同步卫星。导轨和反射板连接块44起到加固和馈源2精确定位作用，连接块44可换成反射板上的滑轨，这样馈源2可以沿着导轨43滑动滑轨以实现方位面扫描，可用于移动式卫星地面站或动中通稳定系统等。

接下来描述的是此实施方案的具体操作。

入射电波穿透半球龙伯透镜表面，然后被金属反射板3反射汇聚到球体轴向另一端的焦点。不同卫星信号的入射方向不同，在球面上汇聚的焦点位置也不同，只需沿着导轨43移动馈源2位置并径向调节焦距使其对准所需信号方向，即可完成对不同卫星的跟踪并进行上行或下行链路通信，而不需要改变透镜天线的位置。而实际中保证良好的整体效率，可将透镜天线放置在二维转台上以补偿不同地理位置用户接收同一颗卫星不同仰角的差异。同时也可在球面上安装多个馈源即可实现单个天线接收多个卫星信号。

本发明采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核优化设计出2层电大尺寸半球龙伯透镜天线。当然透镜天线材料类型不局限于图1所示，只要采用工业级低损耗塑料材料(如聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、石英、陶瓷等材料)制作的电大尺寸半球龙伯透镜天线，均属于本发明涉及范围。

图3为基于本发明的龙伯透镜天线透视图，透镜球核由2片聚乙烯板15、16连结固定而成，球壳由4片密度、介电常数相同的聚四氟乙烯薄板11、12、13和14粘接后经过塑料精密数控车铣床机加工制成。当然透镜球核和球壳所用板材数目不局限于图3所示，可根据工程设计人员设计的天线具体尺寸、板材类型决定，均属于本发明涉及范围。

图4为基于本发明的龙伯透镜天线底部聚乙烯螺钉分布示意图，9颗与透镜球核相同材料特性的聚乙烯螺钉将2片聚乙烯板15、16连结固定构成半球核。当然聚乙烯螺钉数目不局限于图4所示，聚乙烯板15、16分界面也可采用凸凹槽或楔形槽等方式加固连结，均属于本发明涉及范围。

图5为本发明龙伯透镜、传统发泡工艺分层透镜及单层K-透镜天线效率对比图。考察一个工作于Ku频段直径650mm的分层龙伯透镜天线，采用角锥喇叭馈电，波导段采用标准波导BJ120，喇叭口径面为36.9mm×25.8mm。传统基于发泡工艺的等厚度分层、等介电常数分层透镜天线效率随层数变化如图5所示。本发明优化设计的最少分层数目(分层数目为2)的龙伯透镜天线效率为42.2％，达到传统8层龙伯透镜天线的效率，且远高于单层K-透镜天线(效率约16％)。在同样的透镜口径尺寸条件下采用最少分层数目即能达到传统基于发泡材料的多层龙伯透镜天线的增益，从而大大降低了多层模具制作的难度与成本。同时，分层数目最少(相应空气间隙层数减少)也有利于减小层间空气间隙对毫米波频段天线性能的影响。工程设计人员可根据具体需求采用较为圆对称的高效馈源，可进一步提高透镜的辐射效率。

图6基于本发明的龙伯透镜天线在Ku频段仿真和实测方向图。用Ku频段高效馈源(线极化)2照射透镜(θ＝45°入射)，沿径向调节焦距，在相同焦距下，商用软件CST仿真增益35.2dBi，实测增益35.07dBi，方向图基本一致，只是在远离主瓣的副瓣区域有一些不吻合，这是由于仿真时未考虑弧形双导轨4的遮挡影响。

图7基于本发明的龙伯透镜天线在Ka频段实测方向图。用Ka频段高效馈源(圆极化)2照射透镜(θ＝45°入射)，沿径向调节焦距，实测圆极化增益39.61dBic，圆极化轴比2.85。

由以上各图可见该天线在Ku、Ka双频段实测增益达到35dBi以上，在毫米波频段30GHz圆极化增益高达39.6dBic，Ku频段交叉极化特性约＜-38dB，仿真和实测结果表明该天线具有良好的性能指标，能较好地应用于大容量宽频带的卫星和地面站通信，多目标跟踪，电视直播卫星的一线多星通信技术等。

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。而且本发明的设计思想并不局限于使用在电大尺寸高效龙伯透镜天线上，这种思想自然可以移植到其它介质透镜的优化设计上。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (8)

1.一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线适用于宽频带大容量卫星通信、多目标跟踪、电视直播卫星的一线多星通信技术等，它的基本结构包括半球龙伯透镜天线、高效Ku/Ka馈源、金属反射板和1/4弧形双导轨。半球龙伯透镜采用聚四氟乙烯做外层，聚乙烯做内核，固定于金属反射板表面。馈源可以沿着弧形双导轨滑动，同时可径向调节焦距使波束能够实时对准卫星进行跟踪并进行上行或下行链路通信。

2.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于在同样的透镜口径尺寸条件下采用最少分层数目即能达到传统基于发泡材料的多层龙伯透镜天线的增益，从而大大降低了多层模具制作的难度与成本。同时，分层数目最少(相应空气间隙层数减少)也有利于减小层间空气间隙层对毫米波频段天线性能的影响。

3.根据权利要求1和2所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于采用低损耗且方向均匀性良好的聚四氟乙烯和聚乙烯薄板材料，可避免整块半球介质材料较厚，表面和内部材料收缩比不同且均匀性难以控制导致的介电常数不一致，从而导致天线性能的下降。本发明的天线外层球壳由聚四氟乙烯薄板粘接而成，薄板表面采用钠萘处理剂进行离子化处理以便于粘接；内核由两片聚乙烯材料通过相同材料特性的聚乙烯螺钉连结固定。

4.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于本发明优化设计的分层数目为2的龙伯透镜天线效率达到传统8层龙伯透镜天线的效率，且远高于单层K-透镜天线。

5.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于相比传统发泡工艺，采用工业级塑料精密机加工技术可保证球壳正负公差精密配合，层间空气间隙更小，可避免层间空气间隙所导致的透镜辐射特性的恶化。

6.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于透镜天线的材料种类、板材数目、板材连结方式等可根据工程设计人员的具体需求作适当调整，以满足不同的设计要求。

7.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于馈源在弧形导轨上可径向调节焦距，以满足在Ku/Ka不同频段馈源入射波束对透镜天线不同程度的覆盖，使得接收卫星信号强度最佳，保证实时通信。

8.根据权利要求1所述的一种分层数目最少的电大尺寸高效龙伯透镜天线，其特征在于利用现有低损耗工业级塑料材料代替传统发泡工艺或钻孔实现较低介电常数等效工艺等方案，可使得天线加工的复杂度大大降低，且该发明结构简单，工艺流程稳定可控且实用性强，便于实际工程的批量生产。

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