CN103337710A

CN103337710A - 一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线

Info

Publication number: CN103337710A
Application number: CN2013101901797A
Authority: CN
Inventors: 崔铁军; 齐美清; 汤文轩
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2013-05-21
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2033-05-21
Also published as: CN103337710B

Abstract

本发明公开了一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体、阻抗匹配层和馈源，所述透镜主体和阻抗匹配层的折射率分别沿径向渐变分布，沿轴向均匀分布；所述透镜主体和阻抗匹配层由新型人工电磁材料构成，所述新型人工电磁材料由周期性排布的基本单元构成。本发明提供的基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，首次在微波段实现了同时调控口面场幅度和相位分布的透镜天线；透镜天线的带宽较宽，在Ku波段内色散不明显，性能稳定；制作简单、工艺成熟、价格不高、便于推广；可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

Description

一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线

技术领域

本发明涉及一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，尤其涉及一种可以按照口面场幅度与相位需求进行设计的透镜天线，属于通信、天线技术。

背景技术

在微波毫米波工程中，透镜天线具有旁瓣和后瓣电平小、定向性好等优点，因此在航空、航天、卫星通信、移动卫星通信系统等领域获得重要而广泛的应用。透镜天线实际上就是利用透镜的成像原理，将馈源发射的球面波转化为平面波。传统透镜天线的实现方式有两种，即通过设计透镜天线的外形和设计组成材料的折射率来改变电磁波传播的光程，达到出射平面波的目的。然而，传统凸面透镜天线体积大、笨重、外形加工工艺要求较高，且由于形状特殊，不易于集成；另一方面，传统平板透镜天线在折射率渐变介质的设计、制造上存在致命弱点，即用分层均匀介质代替渐变介质，带来了阻抗失配，导致电磁波的反射增强，进而限制了透镜天线的口径效率。

新型人工电磁材料是将具有特定几何形状的亚波长基本单元周期性/非周期性地排列，或者植入到基体材料体内（或表面）所构成的一种人工材料。新型人工电磁材料和传统意义材料的区别就在于用宏观尺寸单元代替了原来微观尺寸单元（原子或分子）。新型人工电磁材料的基本单元一般为亚波长尺寸的电/磁谐振器，具体可以采用金属谐振结构或者打孔介质基板等。由于新型人工电磁材料的特性取决于其基本单元结构，可通过人为控制谐振单元来实现传统材料所不能获得的介电常数ε和磁导率μ。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，利用新型人工电磁材料特有的任意调控电磁波的特性，实现透镜天线口面场幅度分布逼近圆阵泰勒分布、口面场相位分布为均匀分布，从而在宽频带范围内实现低副瓣的天线；该种透镜天线可工作于微波频段，并可通过结构参数的缩放，适用于毫米波和太赫兹波等不同频段。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体、阻抗匹配层和馈源，所述透镜主体和所述阻抗匹配层的折射率分别沿径向渐变分布，沿轴向均匀分布；所述透镜主体和所述阻抗匹配层由新型人工电磁材料构成，所述新型人工电磁材料由周期性排布的基本单元构成。

所述阻抗匹配层设置在透镜主体的两侧，所述阻抗匹配层根据透镜主体的电磁参数分布进行设计。

由于新型人工电磁材料能够实现渐变的介电常数和磁导率，即渐变的折射率，这种性质可以用于实现新型的高性能透镜天线；上述结构中，根据可以对基本单元的排布进行设计，以获得符合透镜主体和匹配层折射率需求（口面场幅度与相位需求）的透镜天线，控制透镜天线口面场幅度分布逼近圆阵泰勒分布、口面场相位分布为均匀分布。

采用新型人工电磁材料实现的透镜天线本质上是在空间内填充了通过光学变换理论设计的新型人工电磁材料，通过新型人工电磁材料的空间导波作用，将由馈源产生的准柱面波或球面波逐渐转换成平面波，从而实现透镜天线的高增益特性。由于介电常数和磁导率的变换缓慢，这种透镜天线可以很好地实现空气到波导的阻抗匹配，从而有效降低反射和边缘干扰，提高口径效率。同时，通过有效消除光学变换中存在的色散媒质及各向异性媒质，这种透镜天线还具有优良的宽带性能。此外，光学变换还可以自由控制透镜的外形，从而获得小体积易集成的透镜天线或透镜天线阵列，以满足不同系统的具体要求。

作为一种优选的具体方案，所述新型人工电磁材料为在介质板上打有周期性排布的通孔的结构；在所述透镜主体和所述阻抗匹配层中，所述通孔分别以中轴线为中心排布成若干同心圆环；位于同一圆环上的通孔直径相等，位于同一圆环上的相邻通孔间距相等。更为优选的，所述透镜主体和阻抗匹配层的折射率根据新型人工电磁材料的结构参数控制，所述结构参数包括通孔直径、相邻同心圆环间距和位于同一圆环上的相邻通孔间距。

作为另一种优选的具体方案，所述新型人工电磁材料为在介质板上印制有周期性排布的金属谐振单元的结构；在所述透镜主体和所述阻抗匹配层中，所述金属谐振单元分别以中轴线为中心排布成若干同心圆环；位于同一圆环上的金属谐振单元相同，位于同一圆环上的相邻金属谐振单元间距相等；金属结构的材质在微波段对透镜天线的功能影响很小，一般选择价格便宜的金属如铜等。更为优选的，所述透镜主体和所述阻抗匹配层的折射率根据新型人工电磁材料的结构参数控制，所述结构参数包括相邻同心圆环间距、位于同一圆环上的相邻金属谐振单元间距以及金属谐振单元的边长、线宽等参数。

所述介质板优选为聚四氟乙烯材质。

优选的，所述馈源为一个用于照射圆形口径透镜的宽频带、低后瓣、波束宽且轴对称的波导。

有益效果：本发明提供的基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，首次在微波段实现了同时调控口面场幅度和相位分布的透镜天线；透镜天线的带宽较宽，在Ku波段（12-18GHz）内色散不明显，性能稳定；制作简单、工艺成熟、价格不高、便于推广；可通过结构参数的缩放，适用于微波、毫米波和太赫兹波等不同波段。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为基于在介质板上打通孔的新型人工电磁材料设计的透镜主体的结构示意图；

图3为实施例中折射率与通孔直径之间的关系示意图；

图4为实施例仿真所得口面场的幅度与相位分布示意图；

图5为实施例的远场辐射方向图，其中：

(a)为在12GHz上仿真所得的E面和H面方向图；

(b)为在15GHz上仿真所得的E面和H面方向图；

(c)为在18GHz上仿真所得的E面和H面方向图；

(d)为在12GHz上测量所得的E面和H面方向图；

(e)为在15GHz上测量所得的E面和H面方向图；

(f)为在18GHz上测量所得的E面和H面方向图；

图6为实施例在Ku波段上的电压驻波比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体1、在透镜主体1两侧设置的阻抗匹配层2和馈源3，所述透镜主体1和阻抗匹配层2的折射率分别沿径向渐变分布，沿轴向均匀分布；所述透镜主体1的电磁参数分布通过光学变换理论进行设计，所述阻抗匹配层2根据所述透镜主体1的电磁参数分布进行设计；所述透镜主体1和阻抗匹配层2由新型人工电磁材料构成，所述新型人工电磁材料由周期性排布的基本单元构成；所述透镜主体1和阻抗匹配层2的折射率根据新型人工电磁材料的结构参数控制；所述馈源3为一个用于照射圆形口径透镜的宽频带、低后瓣、波束宽且轴对称的波导。

透镜天线的性能不仅仅和口面场的相位分布有关，还和口面场的幅度分布有关。低副瓣天线要求口面场幅度分布满足一定的锥削分布，例如泰勒分布。因此透镜主体需要能够同时控制透镜天线口径场相位平坦分布和幅度泰勒分布，从而实现天线的低副瓣特性。具体的实现方法是，在兼顾透镜的平坦相位分布的基础上，引入射线追踪理论，利用能量守恒原理，通过控制馈源辐射的射线在透镜口面的出射点，实现透镜天线口径场所需要的幅度泰勒分布。控制射线的出射点，需要控制射线在透镜中的路径。而该路径由透镜的折射率分布决定。因此我们通过控制透镜的折射率分布达到控制口面场幅度和相位分布的目的。透镜天线的折射率分布可通过优化算法计算获得。

如图2所示为本案的一种实施方式，所述新型人工电磁材料为在介质板上打有周期性排布的通孔的结构；图2为透镜主体1的俯视图，介质板为聚四氟乙烯材质，介电常数为2.65；通孔直径D由中心向外围沿径向渐变分布，相邻圆环的半径差为2mm。

如图3所示，描绘了实施例总透镜主体1的折射率范围与通孔直径D的关系，通过调整通孔直径D，新型人工电磁材料可以实现折射率为1.1到1.627的透镜主体1。

如图4所示，仿真结果显示实施例中的透镜天线具有口面场幅度泰勒分布、相位平坦分布的特性。

如图5所示，实施例中的透镜天线在Ku波段可以有效降低副瓣，具有良好的辐射性能。(a-c)分别为在12GHz、15GHz和18GHz上仿真所得的E面和H面方向图；(d-f)分别为在12GHz、15GHz和18GHz上测量所得的E面和H面方向图。

如图6所示，实验测得实施例中的透镜天线在Ku波段电压驻波比VSWR均低于1.5，后向反射较低。

本发明中的透镜天线根据工作频段不同，可采用不同加工工艺实现。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，包括中轴线位于同一直线上的透镜主体（1）、阻抗匹配层（2）和馈源（3），所述透镜主体（1）和阻抗匹配层（2）的折射率分别沿径向渐变分布，沿轴向均匀分布；其特征在于：所述透镜主体（1）和阻抗匹配层（2）由新型人工电磁材料构成，所述新型人工电磁材料由周期性排布的基本单元构成。

2.根据权利要求1所述的基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，其特征在于：所述新型人工电磁材料为在介质板上打有周期性排布的通孔的结构；在所述透镜主体（1）和所述阻抗匹配层（2）中，所述通孔分别以中轴线为中心排布成若干同心圆环；位于同一圆环上的通孔直径相等，位于同一圆环上的相邻通孔间距相等。

3.根据权利要求2所述的基于新型人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，其特征在于：所述透镜主体（1）和阻抗匹配层（2）的折射率由新型人工电磁材料的结构参数控制，所述结构参数包括通孔直径、相邻同心圆环间距和位于同一圆环上的相邻通孔间距。

4.根据权利要求1所述的基于人工电磁材料的宽频带低副瓣透镜天线，其特征在于：所述馈源（3）为一个用于照射圆形口径透镜的宽频带、低后瓣、波束宽且轴对称的波导。