CN103050782B - 多波束平面贴片透镜天线 - Google Patents

多波束平面贴片透镜天线 Download PDF

Info

Publication number
CN103050782B
CN103050782B CN201310019964.6A CN201310019964A CN103050782B CN 103050782 B CN103050782 B CN 103050782B CN 201310019964 A CN201310019964 A CN 201310019964A CN 103050782 B CN103050782 B CN 103050782B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
plane patch
antenna
patch array
feed
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201310019964.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103050782A (zh
Inventor
刘颜回
吕海裕
柳清伙
熊小平
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xiamen University
Original Assignee
Xiamen University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xiamen University filed Critical Xiamen University
Priority to CN201310019964.6A priority Critical patent/CN103050782B/zh
Publication of CN103050782A publication Critical patent/CN103050782A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103050782B publication Critical patent/CN103050782B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Abstract

多波束平面贴片透镜天线，涉及透镜天线。提供以平面贴片阵列天线的方式来实现多波束透镜天线，继承贴片天线加工容易、成本较低且容易赋型等特点，能有效实现电磁波的空间聚焦，并通过馈源偏焦实现良好的多波束功能的一种多波束平面贴片透镜天线。设有介质安装环、支撑架、喇叭馈源和平面贴片阵列透镜，所述平面贴片阵列透镜与支撑架由介质安装环连接，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜的中心上方并固定于支撑架上，介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源连接。

Description

多波束平面贴片透镜天线
技术领域
本发明涉及透镜天线，尤其涉及以平面贴片阵列天线的方式来实现透镜天线功能，并且通过馈源偏焦的方式实现多波束的多波束平面贴片透镜天线。
背景技术
多波束天线是指能产生多个锐波束的天线，这些锐波束可以合成一个或几个成形波束，以覆盖特定的空域。多波束天线目前应用十分广泛，它的实现方式有透镜式、反射面式、相控阵式和以相控阵作为反射面或透镜馈源的混合形式。
多波束透镜天线是指利用透镜把馈源所辐射的能量汇聚起来形成一个锐波束，实现电磁波的空间聚焦，当透镜焦点附近设置多个馈源时，便相应形成指向不同的多个波束。这种多波束的实现方式关键就在于透镜的设计，目前主要有平面跟曲面两种形式。
中国专利200480008809.3公开一种无线电波透镜天线设备，包括：半球形龙伯透镜，尺寸大于所述透镜直径的反射板，布置于透镜焦点处的主馈源以及固定馈源所需的臂。这种结构是目前用透镜实现多波束的主要方法，其结构最关键是龙伯透镜的设计，制作要求精度高，且界面处的电磁波反射问题不容忽视。
中国专利201210051097.X公开一种点聚焦平板透镜天线，这种结构虽然用超材料平板来代替传统透镜曲面，但其实质仍然是通过多层介质结构改变折射率分布来获得辐射口径上的平面波前，加工过程较为复杂、造价昂贵且界面反射严重。
多波束反射面天线是指在反射面焦点附近有多个馈源来形成多波束，为避免馈源系统对反射面口径的遮挡，通常采用偏置单（双）反射面的形式。这类天线的实现原理与透镜天线相类似，制作会相对简单些。
中国专利99242196.9公开一种多波束抛物面天线，包括：长方形主反射面，前馈馈源，双反射面，馈源轨道，天线背架，天线支架，前馈支架，轨道支架，底盘等部件组成。这种结构天线效率高、旁瓣性能较好，但是结构较为复杂，体积太大，且遮挡效应影响较大。
多波束相控阵天线是指由许多辐射元排列构成，用波束形成网络向阵列单元激励所需的振幅和相位，以形成不同形状的成形波束。中国专利93121640.0公开一种有源发射相控阵天线，这种结构可以产生多个独立同步天线波束以照射需要的区域，阵列的所有单元工作在同样的幅度电平，波束形状和方向由相位调节来决定。这种结构的优点是可对波束数目和形状进行灵活控制，并可控制波束做快速扫描，但其馈电网络复杂、造价昂贵。
发明内容
本发明的目的是提供以平面贴片阵列天线的方式来实现多波束透镜天线，继承贴片天线加工容易、成本较低且容易赋型等特点，能有效实现电磁波的空间聚焦，并通过馈源偏焦实现良好的多波束功能的一种多波束平面贴片透镜天线。
本发明设有介质安装环、支撑架、喇叭馈源和平面贴片阵列透镜，所述平面贴片阵列透镜与支撑架由介质安装环连接，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜的中心上方并固定于支撑架上，介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源连接。
所述喇叭馈源可设有3个喇叭，每个喇叭可采用10dB喇叭，喇叭之间的间隔可为2.5mm；所述介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源可通过螺丝固定连接。
所述平面贴片阵列透镜可设有264个贴片单元，所述贴片单元之间的间隔可为5.5mm，所述平面贴片阵列透镜可呈椭圆形，椭圆形的长边半径可为132mm，椭圆形的窄边半径可为66mm；所述贴片单元可为上下对称的5层结构，最上层为贴片天线，最下层为贴片天线，中间层为开槽金属基底，最上层与中间层之间为εr=2.2的Taconic材料层，最下层与中间层之间为εr=2.2的Taconic材料层，中间层的厚度可为17μm。
本发明在阵列透镜的设计过程中最关键的是264个贴片单元的设计，由于存在一定的对称性，因此实际上要设计的单元数为66个。由于只采用一种单元的形式，可通过改变单元结构的参数以及单元中开槽的摆放角度来实现0°～360°的相位响应，且在不同的相移条件下传输系数均满足S12≥-2dB。待设计的66个阵元在透镜阵列中的位置确定好后，根据馈源与透镜的距离以及每个阵元所处的位置就可以求出每个阵元所对应的θ值（分析发现值对阵元传输响应的相位影响不大）。对得到的θ值进行统计，将数值接近的数进行归类，用回归分析求出其中心点的值即为这组阵元对应的θ值。然后根据不同阵元对应的θ值和所需要的开槽角度进行仿真分析得到传输系数和相位响应，对数据进行差值计算就可得出在所需相位响应上的单元结构参数，再将单元的结构参数对应他们的位置进行布阵，这样透镜阵列的设计就完成了。
在馈源设计上，本发明的10dB增益馈源喇叭，E面和H面的波瓣宽度均为112°，对本发明透镜进行单馈源激励时能够实现23.72dB的增益，口径效率达到84%，这也是本发明的一个主要特色。
多波束实现上，本发明由3个10dB增益喇叭构成，在平面贴片阵列透镜的E面水平布阵，喇叭间间距2.5㎜，边上喇叭的10dB衰减刚好覆盖透镜阵列的E面边缘，在24.125GHz的频点上分别得到23.72dB、22.37dB、22.37dB的增益，效果十分良好。本发明也可以根据实际需要增加或减少相应的馈源数目，只需对透镜阵列的布阵形式进行调整。
本发明的工作频率为24.125GHz，核心为该平面贴片阵列透镜，由264个贴片单元组成，通过计算馈源与每个阵元间的光程差来调整阵元的贴片大小，进而弥补阵列中不同位置阵元与中心之间的光程差，使透镜达到空间聚焦的效果。结合抛物面天线横向偏移波束扫描原理，在平面透镜天线的横向偏焦位置放置多个馈源喇叭，可使得透镜天线上产生多种相位偏移的波前分布，从而实现多波束。与传统的多波束天线技术相比，本发明采用新颖的平面贴片透镜技术，具有结构简单、加工方便、一致性好、可靠性高等诸多优点，且在电气性能上没有馈源喇叭本身的遮挡影响，可用于各种通信和雷达系统。
附图说明
图1为本发明实施例的结构组成示意图。
图2为本发明实施例的俯视结构示意图。
图3为本发明实施例的侧视结构示意图。
图4为本发明实施例的平面贴片阵列透镜的俯视结构示意图。
图5为本发明实施例的平面贴片阵列透镜的侧视结构示意图。
图6为本发明实施例组成平面贴片阵列透镜的贴片单元的结构示意图。
图7为本发明实施例组成平面贴片阵列透镜的贴片单元的分解示意图。
图8为本发明实施例的喇叭馈源的方向图。
图9为平面贴片阵列透镜天线方向图（单个馈源喇叭置于焦点）。
图10为本发明的方向图。
图11为本发明多个馈源之间的隔离度。
具体实施方式
参见图1~7，本发明实施例设有介质安装环1、支撑架2、喇叭馈源3和平面贴片阵列透镜4，所述平面贴片阵列透镜4与支撑架2由介质安装环1连接，所述喇叭馈源3设于平面贴片阵列透镜4的中心上方并固定于支撑架2上，介质安装环1、平面贴片阵列透镜4和喇叭馈源3连接。所述喇叭馈源3可设有3个喇叭，每个喇叭可采用10dB喇叭，喇叭之间的间隔可为2.5mm；所述介质安装环1、平面贴片阵列透镜4和喇叭馈源3可通过螺丝固定连接。所述平面贴片阵列透镜4可设有264个贴片单元，所述贴片单元之间的间隔可为5.5mm，所述平面贴片阵列透镜4可呈椭圆形，椭圆形的长边半径可为132mm，椭圆形的窄边半径可为66mm；所述贴片单元可为上下对称的5层结构（参见图5～7），最上层51为贴片天线，最下层55为贴片天线，中间层53为开槽金属基底，最上层51与中间层53之间为εr=2.2的Taconic材料层52，最下层55与中间层53之间为εr=2.2的Taconic材料层54，厚度为17μm。
本发明实施例中的馈源位于透镜中心的上方，由3个10dB喇叭组成，喇叭之间间隔2.5㎜，固定于支撑架上，平面贴片阵列透镜通过介质安装环固定并与支撑架相连。
透镜阵列共有264个单元组成，单元之间间隔5.5㎜，整个阵列成椭圆形，长边半径为132㎜，窄边半径为66㎜。根据每个单元的光程差得到其所需要弥补的相位响应，进而可以得到每个单元贴片的有关参数，而后进行布阵。
本发明中的单元结构为上下对称的五层结构，最上层为贴片天线，下面为εr=2.2的Taconic材料，中间是一层开槽（“几”字型）的金属基底（厚度17μm）。
参见图8，本发明馈源喇叭增益为10dB，10dB衰减波瓣宽度为112°。
参见图9，实现增益为23.73dB，后瓣7.46dB，最高旁瓣6.67dB,3dB波瓣宽度为7.3°（E面）和10.78°（H面），实现口径效率达到84%。
参见图10，喇叭之间间隔2.5㎜，从方向图可以得到：偏焦后增益下降了1.4dB，透镜仍然能够很好的聚焦。
参见图11，将三个馈源喇叭分别编号1（中间）、2、3，S(2,1)与S(3,1)分别表示喇叭2,3与中间喇叭的隔离度。通过效果图可以看出，S(2,1)和S(3,1)在24.125GHz时均在-30dB以下，隔离度性能良好。

Claims (6)

1.多波束平面贴片透镜天线，其特征在于设有介质安装环、支撑架、喇叭馈源和平面贴片阵列透镜，所述平面贴片阵列透镜与支撑架由介质安装环连接，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜的中心上方并固定于支撑架上，介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源连接；
所述喇叭馈源设有3个喇叭；
所述平面贴片阵列透镜设有264个贴片单元；
所述贴片单元为上下对称的5层结构，最上层为贴片天线，最下层为贴片天线，中间层为“几”字形开槽金属基底，最上层与中间层之间为εr＝2.2的Taconic材料层，最下层与中间层之间为εr＝2.2的Taconic材料层。
2.如权利要求1所述多波束平面贴片透镜天线，其特征在于所述喇叭采用10dB喇叭，喇叭之间的间隔为2.5mm。
3.如权利要求1所述多波束平面贴片透镜天线，其特征在于所述介质安装环、平面贴片阵列透镜和喇叭馈源通过螺丝固定连接。
4.如权利要求1所述多波束平面贴片透镜天线，其特征在于所述贴片单元之间的间隔为5.5mm。
5.如权利要求1所述多波束平面贴片透镜天线，其特征在于所述平面贴片阵列透镜呈椭圆形，椭圆形的长边半径为132mm，椭圆形的窄边半径为66mm。
6.如权利要求5所述多波束平面贴片透镜天线，其特征在于所述中间层的厚度为17μm。
CN201310019964.6A 2013-01-18 2013-01-18 多波束平面贴片透镜天线 Expired - Fee Related CN103050782B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310019964.6A CN103050782B (zh) 2013-01-18 2013-01-18 多波束平面贴片透镜天线

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201310019964.6A CN103050782B (zh) 2013-01-18 2013-01-18 多波束平面贴片透镜天线

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103050782A CN103050782A (zh) 2013-04-17
CN103050782B true CN103050782B (zh) 2015-09-02

Family

ID=48063342

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310019964.6A Expired - Fee Related CN103050782B (zh) 2013-01-18 2013-01-18 多波束平面贴片透镜天线

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN103050782B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103515713B (zh) * 2013-09-11 2015-06-03 东南大学 一种基于光学变换的超表面透镜天线及其制造方法
CN103594789A (zh) * 2013-11-08 2014-02-19 深圳光启创新技术有限公司 超材料板、透镜天线系统及电磁波透射调节方法
CN103928763A (zh) * 2014-04-14 2014-07-16 哈尔滨工业大学 基于变换光学的多波束天线
CN107645070B (zh) * 2017-07-31 2020-10-02 东南大学 基于一维微波平面透镜和双渐变槽天线线阵的多波束天线
CN110690580A (zh) * 2019-09-18 2020-01-14 中国科学院国家空间科学中心 一种太赫兹低损耗的二维多波束超表面天线及其设计方法
CN114628916A (zh) * 2020-12-11 2022-06-14 华为技术有限公司 相控阵列天线装置
CN113178701A (zh) * 2021-05-14 2021-07-27 西安电子科技大学 一种基于方向图可重构的龙伯透镜馈源天线

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4899164A (en) * 1988-09-16 1990-02-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Slot coupled microstrip constrained lens
CN101505003A (zh) * 2009-03-05 2009-08-12 四川大学 一种水平全向平面印刷天线
CN102117971A (zh) * 2011-01-06 2011-07-06 西安电子科技大学 低散射平面反射阵列天线
CN102593611A (zh) * 2012-02-29 2012-07-18 深圳光启创新技术有限公司 一种点聚焦平板透镜天线
CN203013936U (zh) * 2013-01-18 2013-06-19 厦门大学 一种多波束平面贴片透镜天线

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4899164A (en) * 1988-09-16 1990-02-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Slot coupled microstrip constrained lens
CN101505003A (zh) * 2009-03-05 2009-08-12 四川大学 一种水平全向平面印刷天线
CN102117971A (zh) * 2011-01-06 2011-07-06 西安电子科技大学 低散射平面反射阵列天线
CN102593611A (zh) * 2012-02-29 2012-07-18 深圳光启创新技术有限公司 一种点聚焦平板透镜天线
CN203013936U (zh) * 2013-01-18 2013-06-19 厦门大学 一种多波束平面贴片透镜天线

Also Published As

Publication number Publication date
CN103050782A (zh) 2013-04-17

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103050782B (zh) 多波束平面贴片透镜天线
CN203013936U (zh) 一种多波束平面贴片透镜天线
CN107275788B (zh) 一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线
CN105932425B (zh) 基于各向异性超表面的双极化多功能器件及设计方法
CN109802242B (zh) 超表面透镜
US20170040705A1 (en) Lens arrays configurations for improved signal performance
CN102122762A (zh) 毫米波360o全向扫描介质柱透镜天线
CN102130381B (zh) 部分介质对称填充柱透镜天线
CN105789877A (zh) 基于超表面的四波束微带透射阵天线及其设计方法
CN105552573B (zh) 双极化波导缝隙馈源对称介质填充柱透镜天线
CN112886284B (zh) 辐射单元方向图调控结构及调控方法
CN110890629A (zh) 一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线
CN103094713B (zh) K波段平面贴片透镜天线
CN102723603B (zh) 一种喇叭天线
CN105552572A (zh) 双极化圆锥介质馈源对称介质填充柱透镜天线
CN111697349B (zh) 一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线
CN110429390A (zh) 基于超表面的四波束涡旋场共形反射面天线
CN101420067B (zh) 利用异向介质材料天线罩的多波束天线
CN105428821A (zh) 双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线
Algaba-Brazález et al. Flexible 6G antenna systems based on innovative lenses combined with array antennas
CN109546359A (zh) 一种基于3d打印的方向图可重构相控阵天线系统
CN103094699B (zh) 基于超材料的透镜天线
CN109742555B (zh) 一种空间透镜扫描天线及其波束扫描方法
CN105514595A (zh) 高增益微带阵列天线
CN102810755B (zh) 一种超材料天线

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20150902

Termination date: 20210118

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee