CN103094713B - K波段平面贴片透镜天线 - Google Patents

Abstract

K波段平面贴片透镜天线，涉及透镜天线。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固定于介质安装环上，介质安装环固定于支撑架顶部，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜中心上方并固定于支撑架上。最关键的地方在于单元的设计，只采用一种单元的形式，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。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。

Description

K波段平面贴片透镜天线

技术领域

本发明涉及透镜天线，尤其是涉及K波段平面贴片透镜天线。

背景技术

在光学中，利用透镜能使放在透镜焦点上的点光源辐射出的球面波，经过透镜折射后变为平面波，透镜天线就是利用这一原理制作而成的。透镜天线由透镜和放在透镜焦点上的馈源组成，利用透镜把馈源的球面波或柱面波转换为平面波从而获得笔形、扇形或其他形状波束的天线。这种透镜的实现方式关键就在于透镜的设计，目前主要有平面和曲面两种形式。

申请号为03825879.X的中国专利公开一种透镜天线组件，包括一个半球形透镜，一个比半球形透镜大的直径并位于所述半球形透镜的切割平面上的反射板，一个馈源，一个反射板支撑装置。这种结构可以在不减少增益的情况下接受来自大入射角的无线电波。其结构最关键是曲面透镜，制作要求精度高，有明显的界面反射。

申请号为200580009846.0的中国专利公开一种龙伯透镜天线装置，包括：一天线固定架；一具有半球形龙伯透镜和反射板的天线体，以及将该天线体的反射板可拆卸地装接于天线固定架的固定装置。采用这种结构，可以更加容易安装具有反射板的龙伯透镜天线，但对龙伯透镜的曲面要求高，天线笨重且存在介质老化和界面反射。

申请号为201210051097.X的中国专利公开一种点聚焦平板透镜天线，包括：一侧开口的外壳、馈源及封闭外壳开口的超材料平板透镜，所述超材料平板透镜包括靠近馈源的第一平板透镜及与第一平板透镜贴合的第二平板透镜，通过设计第一平板透镜与第二平板透镜的折射率分布，实现透镜聚焦。这种结构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。

发明内容

本发明的目的是提供以一种平面微带贴片阵列天线的方式，利用贴片天线加工容易、成本较低且容易赋型的特点，改变传统透镜天线成本高、加工难度大的缺点的K波段平面贴片透镜天线。

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固定于介质安装环上，介质安装环固定于支撑架顶部，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜中心上方并固定于支撑架上。

所述平面贴片阵列透镜可设有112个贴片单元，贴片单元之间间隔可为5.5㎜，平面贴片阵列透镜排布成平面圆盘形，所述圆盘形的半径可为33㎜；根据每个贴片单元的光程差得到其所需要弥补的相位响应，进而可以得到每个贴片单元的大小及所需要的开槽方向，而后进行布阵。

所述馈源喇叭可采用13.5dB增益喇叭。

所述贴片单元可采用上下对称的五层结构，最上层为贴片天线，最下层为贴片天线，中间层为开槽（“几”字型）的金属基底，最上层与中间层之间为ε_r=2.2的Taconic材料层，最下层与中间层之间为ε_r=2.2的Taconic材料层，所述中间层的厚度可为17μm，所述ε_r=2.2的Taconic材料层的厚度可为0.5㎜。

保持开槽大小不变，改变最上层与最下层（对称）的贴片大小可以在满足|S₁₂|≥-2dB的条件下实现0°～360°的相位响应。本发明采用的是同一种开槽方式，只是通过旋转90°来改变其极化方式来得到所需相位补偿。理论上本发明可根据实际需要调整透镜中单元的数目和排布来实现特定要求的天线增益。

本发明仅使用一种开槽方式通过改变其极化方式就能实现特定频率上（24.125GHz）电磁波的空间聚焦，这种原理方法同样适用于其他工作频率。用微带天线的制作工艺来实现透镜的功能，不仅大大降低了透镜天线的加工难度和实现成本，并提高了产品的一致性。

本发明中最关键的地方在于单元的设计，只采用一种单元的形式，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。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。

本发明实现特定频率的电磁波空间聚焦，并且在阵列贴片单元上使用同一种开槽方式，只是通过改变极化方向来得到所需相位补偿。

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为在0°开槽角度下贴片天线边长（正方形）与∠S12的关系。

图9为在0°开槽角度下贴片（|S₁₂|≥-2dB）的相位响应。

图10为在90°开槽角度下贴片天线边长（正方形）与∠S12的关系。

图11为在90°开槽角度下贴片（|S₁₂|≥-2dB）的相位响应。

图12为本发明透镜天线的增益方向图结果，观测角（Theta）为与透镜法线的夹角。

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固定于介质安装环1上，介质安装环1固定于支撑架2顶部，所述喇叭馈源3设于平面贴片阵列透镜4中心上方并固定于支撑架2上。所述平面贴片阵列透镜4可设有112个贴片单元，贴片单元之间间隔可为5.5㎜，平面贴片阵列透镜4排布成平面圆盘形，所述圆盘形的半径可为33㎜；根据每个贴片单元的光程差得到其所需要弥补的相位响应，进而可以得到每个贴片单元的大小及所需要的开槽方向，而后进行布阵。

所述馈源喇叭3可采用13.5dB增益喇叭。

所述贴片单元可采用上下对称的五层结构，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（“几”字型）的金属基底，最上层51与中间层53之间为ε_r=2.2的Taconic材料层52，最下层55与中间层53之间为ε_r=2.2的Taconic材料层54，所述中间层的厚度可为17μm，所述ε_r=2.2的Taconic材料层的厚度可为0.5㎜。

图8～11给出本发明平面贴片阵列透镜贴片单元在不同开槽摆放角度下（0°和90°）贴片大小与|S12|、相位响应的关系。

参见图8和9，在0°开槽角度下，图8表示贴片天线边长（正方形）与∠S12的关系，图9表示在图8基础上（|S₁₂|≥-2dB）的相位响应，实现0°～180°的相位响应。

参见图10和11，在90°开槽角度下，图10表示贴片天线边长（正方形）与∠S12的关系，图11表示在图10基础上（|S₁₂|≥-2dB）的相位响应，实现-180°～0°的相位响应。

图12为本发明透镜天线的增益方向图结果，观测角（Theta）为与透镜法线的夹角。实现增益为20.6dB，后瓣4.7dB，第一旁瓣2.7dB，E面与H面的3dB波瓣宽度分别为15.5°和16.6°。

Claims (4)

1.K波段平面贴片透镜天线，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固定于介质安装环上，介质安装环固定于支撑架顶部，所述喇叭馈源设于平面贴片阵列透镜中心上方并固定于支撑架上；

所述平面贴片阵列透镜设有112个贴片单元；所述贴片单元采用上下对称的五层结构，最上层为贴片天线，最下层为贴片天线，中间层为开槽的金属基底，最上层与中间层之间为ε_r＝2.2的Taconic材料层，最下层与中间层之间为ε_r＝2.2的Taconic材料层；

所述贴片单元之间间隔为5.5㎜；

所述馈源喇叭采用13.5dB增益喇叭；

所述平面贴片阵列透镜排布成平面圆盘形；

所述开槽为“几”字型。

2.如权利要求1所述K波段平面贴片透镜天线，其特征在于所述圆盘形的半径为33㎜。

3.如权利要求1所述K波段平面贴片透镜天线，其特征在于所述中间层的厚度为17μm。

4.如权利要求1所述K波段平面贴片透镜天线，其特征在于所述ε_r＝2.2的Taconic材料层的厚度为0.5㎜。