CN102255145A - 透镜型天线罩 - Google Patents

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CN102255145A CN2011100977925A CN201110097792A CN102255145A CN 102255145 A CN102255145 A CN 102255145A CN 2011100977925 A CN2011100977925 A CN 2011100977925A CN 201110097792 A CN201110097792 A CN 201110097792A CN 102255145 A CN102255145 A CN 102255145A
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吴锡东
周建华
杨楠
王中元
楚恒林
杨龙
周金芳
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Abstract

本发明公开了一种透镜型天线罩。透镜型天线罩为中空的椭球台，透镜型天线罩外表面为椭球形，透镜型天线罩的内表面为球形，透镜型天线罩的纵截面为半个新月形，透镜型天线罩的壁厚从下到上逐渐变小。所述的透镜型天线罩的内表面设有保护层。所述的保护层为1个或3个，3个保护层中从外向内分为第一保护层、第二保护层、第三保护层。所述的第一保护层的材料和第三保护层的材料为低介电常数的材料，第二保护层的材料为高介电常数材料。本发明具有结构简单、材料单一、加工容易等特点。可用于需要高指向性高增益的天线阵列，特别是在全方向性天线阵列中，如卫星通信、雷达等定向通信及抗干扰的系统中。

Description

透镜型天线罩
技术领域
本发明涉及天线罩，尤其涉及一种透镜型天线罩。
背景技术
随着微波技术的飞速发展，通信在军事和民用中的核心支撑作用越来越明显，而现在天线成了制约通信发展的最重要一环。无论是军用还是民用，信息都是重要的组成部分，保持随时随地通信通畅，成了必要的要求。
在各种移动通信和电子对抗系统中，由于电磁波在自由空间的扩散和传播过程中的损耗，实际有用的能量很小，这就要求在输入功率相同的情况下，发射接收的天线都能够有较高的增益，以保证得到足够大的通信信号。天线增益的高低是评价天线系统好坏的一个非常重要的指标。
在很多无线传输系统中，都需要指向性高、能量汇聚好的天线，比如雷达搜索目标，卫星地面通信等定向通信、目标定位等系统中，系统完成工作的好坏主要取决于发射天线的波束宽度，即天线的方向性。
所以，天线阵列就取代了单一天线，成为高指向高增益的解决方案，不过大部分的天线阵列在高仰角的情况下指向性好增益高，在低仰角的情况下波束宽度会变大，增益会变小，无法形成全方向性的天线阵列。
发明内容
本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种透镜型天线罩。
透镜型天线罩为中空的椭球台，透镜型天线罩外表面为椭球形，透镜型天线罩的内表面为球形，透镜型天线罩的纵截面为半个新月形，透镜型天线罩的壁厚从下到上逐渐变小。
所述的透镜型天线罩的内表面设有保护层。所述的保护层为1个或3个，3个保护层中从外向内分为第一保护层、第二保护层、第三保护层。所述的第一保护层的材料和第三保护层的材料为低介电常数的材料，第二保护层的材料为高介电常数材料。所述的透镜型天线罩的材料为低介电常数的材料。所述的低介电常数的材料为聚苯乙烯，                                               。所述的高介电常数材料为陶瓷，。
本发明具有结构简单、材料单一、加工容易等特点。它对于高仰角波束没有任何干扰，而对于低仰角波束，可以起到聚焦的作用，进一步提高增益。这就使得低仰角波束宽度较大增益较低的情况得以改善。本发明可用于需要高指向性高增益的天线阵列，特别是在全方向性天线阵列中，如卫星通信、雷达等定向通信及抗干扰的系统中。
附图说明
图1是透镜型天线罩的结构示意图；
图2是图1纵截面剖的正视图；
图3是透镜型天线罩的工作原理图；
图4是设有一层保护层的透镜型天线罩的纵截面的正视图；
图5是设有三层保护层的透镜型天线罩的纵截面的正视图。
具体实施方式
如图1、2所示，透镜型天线罩为中空的椭球台，透镜型天线罩外表面1为椭球形，透镜型天线罩的内表面2为球形，透镜型天线罩的纵截面为半个新月形，透镜型天线罩的壁厚从下到上逐渐变小。该结构的透镜型天线罩在每个纵截面上都可以看做是新月透镜。
如图3所示，新月透镜的内表面是圆形，外表面为椭圆形，属于单折射面透镜，其折射发生在外表面上，在内表面上则是垂直入射。其几何外形由如下公式决定（直角坐标系下）：
外表面： 椭圆形 
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE006
内表面： 圆形   
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE008
其中
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE010
    
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE012
    
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE014
D是新月透镜的直径，而f是新月透镜的焦距，介质折射率
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE016
。新月透镜的f/D值对透镜天线影响很大，透镜的f/D值越小，则透镜的厚度越厚。实际应用中因过小的f/D值将导致透镜太厚而无法使用，并且无法获得馈源天线的良好照射。
当f/D值从0.6增大到1.3过程中传输效率的变化不大，这说明反射、折射所引起的损耗很小，因此透镜表面不需加防反射涂层；溢出效率的变化与f/D的大小及波束宽度值有很大的关系，当波束宽度一定时，溢出效率随着f/D的增大而迅速降低；f/D值一定时，波束宽度越窄，溢出效率越大；收缩效率达到94%以上，且变化不大。总的系统效率是以上3种效率的合成，随着馈源天线波束宽度的减小，总的系统效率逐渐增大。
一个最佳的系统效率（0.67～0.81）在f/D值为（0.6～0.9）区域内获得。
所述的透镜型天线罩的内表面2设有保护层3。所述的保护层3为1个或3个，3个保护层中从外向内分为第一保护层31、第二保护层32、第三保护层33。所述的第一保护层31的材料和第三保护层33的材料为低介电常数的材料，第二保护层32的材料为高介电常数材料。所述的透镜型天线罩的材料为低介电常数的材料。所述的低介电常数的材料为聚苯乙烯，。所述的高介电常数材料为陶瓷，
Figure 6645DEST_PATH_IMAGE004
。
如图4所示，是带有第一保护层31的透镜型天线罩。第一保护层31为半球形，外壁下部分与透镜型天线罩的内表面2紧贴，可以采用与透镜型天线罩一样的具有低介电常数的材料，如聚苯乙烯，
Figure 619939DEST_PATH_IMAGE002
。
如图5所示，是带有三层保护层的透镜天线罩。为了实现更好的聚焦特性和天线罩性能，可以采用高介电常数（例如陶瓷
Figure 77465DEST_PATH_IMAGE004
）的材料，然后加一层低介电常数材料作为匹配层。高介电常数材料的第二保护层32为半球形，其内表面接有半球形的第三保护层33，第二保护层32的外表面同样接有半球形的第一保护层31，第一保护层31和第三保护层33的厚度均为工作波波长的四分之一。第一保护层31和第三保护层33可采用与透镜型天线罩一样的具有低介电常数的材料，如聚苯乙烯，
Figure 704887DEST_PATH_IMAGE002
。
匹配层用来实现阻抗匹配以增大电磁波传输效率。其原理为：当在两种不同的介质1和介质3（本征阻抗分别为和
Figure DEST_PATH_IMAGE020
，介电常数分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
和
Figure DEST_PATH_IMAGE024
）之间插入一层厚度为四分之一波长、介电常数为
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE026
、本征阻抗为
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE028
的介质2时，根据微波理论在介质1处的等效阻抗为：
              
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE030
若取介质2的本征阻抗，则有。
故此时介质1与介质2的分界面上的反射系数
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE036
，实现了阻抗匹配。
根据微波理论介质的本征阻抗为
              
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE038
在结构中不同的介质中磁导率
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE040
是相同的，不同的只是介电常数
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE042
，故本征阻抗仅取决于介电常数
Figure 901251DEST_PATH_IMAGE042
。
所以要实现阻抗匹配，由
Figure 230601DEST_PATH_IMAGE032
可得
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE044
当介质3为空气时，
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE046
，所以可得
                       
Figure 2011100977925100002DEST_PATH_IMAGE048
上式即为实现阻抗匹配的另一种表达方式。但实际设计中并不可能恰好符合理论值，还需要大量的仿真来调节结果。
以上是本发明的一种具体实施方式，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透镜型天线罩。本发明仅是一种特殊材料的较佳实例，并非对本发明作任何形式上的限定，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或修饰为等同变化的等效实例，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。本发明可用于需要高指向性高增益的天线阵列，特别是在全方向性天线阵列中，如卫星通信、雷达等定向通信及抗干扰的系统中。

Claims (7)

1.一种透镜型天线罩，其特征在于透镜型天线罩为中空的椭球台，透镜型天线罩外表面（1）为椭球形，透镜型天线罩的内表面（2）为球形，透镜型天线罩的纵截面为半个新月形，透镜型天线罩的壁厚从下到上逐渐变小。
2.根据权利要求1所述的一种透镜型天线罩，其特征在于所述的透镜型天线罩的内表面（2）设有保护层（3）。
3.根据权利要求2所述的一种透镜型天线罩，其特征在于所述的保护层（3）为1个或3个，3个保护层中从外向内分为第一保护层（31）、第二保护层（32）、第三保护层(33)。
4.根据权利要求3所述的一种透镜型天线罩，其特征在于所述的第一保护层(31)的材料和第三保护层(33)的材料为低介电常数的材料，第二保护层(32)的材料为高介电常数材料。
5.根据权利要求1所述的一种透镜型天线罩，其特征在于所述的透镜型天线罩的材料为低介电常数的材料。
6.根据权利要求4或5所述的一种透镜型天线罩，其特征在于所述的低介电常数的材料为聚苯乙烯，                                                
Figure 2011100977925100001DEST_PATH_IMAGE001
。
7.根据权利要求4所述的一种透镜型天线罩，其特征在于所述的高介电常数材料为陶瓷，
Figure 483547DEST_PATH_IMAGE002
。
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