CN103928763A - 基于变换光学的多波束天线 - Google Patents

Abstract

基于变换光学的多波束天线，涉及一种天线。它是为了实现构造轻量化、易于构造、体积较小的任意N波束普适的多波束天线。以4波束天线设计为例，它的每块固定板均为矩形框架结构，每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板相对设置；所述两块固定板之间通过四个固定柱固定为一个整体；所述四个固定柱的一端位于一块固定板的四个角处；所述四个固定柱的另一端位于另一块固定板的四个角处；相邻两个固定柱之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜分别嵌固在四个透镜安装窗上；所述每个透镜上蚀刻N个金属带条；偶极子天线位于四个透镜围成的区域的中心。本发明适用于应用多波束天线的场合。

Description

基于变换光学的多波束天线

技术领域

本发明涉及一种天线。

背景技术

关于人工电磁能量调控的多波束天线，常用的设计方法有三种，第一种采用变换光学的方法将近似平面波的中间场映射到边缘区域，使得整个场域更近似平面波，从而提高天线增益。变换光学最早2006年由Pendry和Leonhardt引入人工调控电磁学领域。已经产生了很多理论研究和应用，比如隐身、完美透镜。在透镜研究方面，对在全向天线，如单极子或者偶极子天线四周填充变换媒质区域，有可能实现多波束天线。但是变换光学透镜会导致介电常数和磁导率并矢非常复杂，不太容易实现。直到其2011年Douglas H.Werner等人利用变换光学透镜提设计出一种宽带的多波束天线，由于考虑阻抗匹配，构造阻抗匹配的超常媒质，得到了4.2GHz到5.2GHz相对带宽的四波束单极子天线，增益可以提高6.5dB。之后在2012年他们在此基础上加工了天线实物并进行了测试，但是超常媒质构造较为复杂，而且天线体积庞大；

另一种方法利用梯度折射率的人工电磁媒质设计高增益透镜。2012年伊朗ImanAghanejad等人提出利用近似保角变换，得到各项同性梯度折射率材料（GRIN）的透镜。该介质可以用非谐振的非磁全介质实现，具有宽频带和低损耗等优点。仿真了一个六波束天线，各波束可以独立控制，但该GRIN媒质非均匀也存在难以实现的缺陷；

第三种方法是由Nanfang Yu在2011年nature杂志上提出的。他针对传统的光学snell折射定律，提出了广义折射率。由于受限制引入不连续相位的结构需要特定极化方式，该带宽也有限等问题，在2013年Anthony Grbic等人提出基于超常媒质惠更斯表面的无反射的透镜，该透镜该方法与Nanfang Yu利用广义折射率，相位不连续性不同，优点在于，没有反射的损耗，而且不用仅仅局限于调节交叉极化来控制相位，从而可以实现线极化，圆极化，或者椭圆极化，并且没有反射。成功设计出了一个可以使TM波偏转45°的无反射透镜。

近几年来，在人工电磁媒质调控设计高增益多波束天线研究方向上，国内也有很多学者提出了自己的研究方案，在该研究领域十分活跃，展开了很全面的研究，发表了很多高水平论文。如2008年东南大学的Wei Xin Jiang等人从提出了基于变换光学的方法，设计了一种小过渡距离的（c=0.15m）柱面波到平面波的转换装置。柱面波如果在中心处开始传播的话，由球面波变为平面波，从理论上严格推导了转换区域电磁媒质介电常数和磁导率的并矢表达式，并进行了仿真。

之后东南大学的崔铁军2008年在APL上针对早期提出的坐标变换的装置都是基于连续坐标变换的，这样使得电磁参数很复杂，非线性，各向异性，工程上难以实现等问题，提出了提出一种分层离散的的转换透镜。这种透镜是线性的，只有一方向上是各项异性的，从而使得介电常数和磁导率很容易构造，通过将小范围区域场好的性质转换成较大范围区域的，从而实现了天线的高增益，并基于此设计了6波束的高增益天线。仿真了工作在6GHz的喇叭天线分别离散，离散优化，以及连续等几种情况。

2009年Xi Chen等人提出了基于梯度折射率波束可扫描的喇叭天线。透镜基本工作原理如主要是利用相位相等，然后推导出折射率满足的关系再利用metamaterial超常媒质构造这种电磁参数。构造人工电磁媒质，对三个偏转角度需要构造不同的metamaterial。为了实现对介电常数和磁导率有效控制，加工了三个偏转角的透镜喇叭天线，给出了z方向电场分布以及0°偏转时方向图。

但是也存每一个方向都需重新构建metamaterial，需要构造较多次，工作繁琐。而且透镜厚度较大等缺点。

2010年Hui Feng Ma等人提出使用梯度折射超常媒质设计高增益的多波束天线，从Snell折射率入手，给出了透镜折射率随沿着透镜轴向分布规律，并进行了商业软件仿真。

2012年中科院的黄庐军等人提出一种分块坐标变换的方法区别于非均匀媒质。将喇叭内部区域分为两个三角形区域，每个区域材料是均匀各项异性的；可实现高方向性的波束，且波束方向可通过改变喇叭形状控制EMT有效媒质理论，各向异性材料可以由各向同性的材料构造，从而使得更容易实现。

国内外等研究人员的设计思想，构造的超常媒质需要同时构造磁导率两个方向均变化的超常媒质，而且变化区域填充面积很大，反射严重。东南大学Wei jiang Xing的变换光学及分层坐标变换透镜介质是各项异性且非均匀，而且部分介电常数很大，甚至出现奇异点。以及提出的梯度折射透镜方法得到透镜电磁参数各项异性且非均匀，实际上难以构造。中科院黄庐军提出分块三角变换方法得到均匀媒质，但是用有效媒质理论常规媒质构造，仍然存在需要很大介电常数媒质，而且各项异性也使得常规媒质难以满足要求。绝大多数的研究都存在理论研究阶段，很少有加工出实际天线。寻找一种单层，轻量化，反射小的透镜来实现多波束天线，是值得研究的方向。

发明内容

本发明是为了实现构造轻量化、体积较小的任意N波束普适的多波束天线，从而提供一种基于变换光学的多波束天线。

基于变换光学的多波束天线，它包括偶极子天线1；它还包括四块透镜2、两块固定板4、四个固定柱3和4N个金属条5；N为大于或等于且小于或等于12的整数；

每块固定板4均为矩形框架结构，其中每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板4上、下相对设置；所述两块固定板4之间通过四个固定柱3固定为一个整体；所述四个固定柱3的一端位于一块固定板4的四个角处；所述四个固定柱3的另一端位于另一块固定板4的四个角处；相邻两个固定柱3之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜2分别嵌固在四个透镜安装窗上；

所述每个透镜表面上均蚀刻N个金属条5，偶极子天线1位于四个透镜2围成区域的中心。

它还包括同轴电缆，其中一块透镜2上开有通孔；所述偶极子天线1的一端通过该通孔与同轴电缆的一端连接。

它还包括绝缘固定横杆，所述绝缘固定横杆的两端分别固定在两个相对的透镜2上，所述偶极子天线1固定在该绝缘固定横杆上。

相邻两个金属条5的距离相等。

偶极子天线1距离其中一块透镜2的距离为67mm；每块透镜2的厚度均为0.8mm；每个透镜2的长度均为107mm；相邻两个金属条5的距离均为13mm。

透镜2上开设的通孔为矩形孔，该通孔的宽度为2mm，且该通孔位于相邻两个金属条5之间，且该通孔的中心线距两邻两个金属条5之间的距离均为5mm。

本发明的基于变换光学原理，提出一套N波束天线的普适的多波束天线，从近场将球面波变换为近似的均匀平面波。远场方面，从而将全向辐射天线变换为可以任意指定方向高增益定向辐射。该变换光学可以采用分块变换方法，变换区域介质为均匀的各项异性材料，且介电常数仅某一个方向变化，从而使得利用超常媒质构造该介质更为可行，此外该介质具有均匀性，由此可以仅用单层透镜代替较大的变换区域，将原来的10层透镜减少为1层透镜。

附图说明

图1是N波束天线几何原理示意图；

图2是点源的归一化远场电场幅值仿真示意图；

图3是三波束的归一化远场电场幅值仿真示意图；

图4是四波束的归一化远场电场幅值仿真示意图；

图5是八波束的归一化远场电场幅值仿真示意图；

图6是采用散射参数提取算法，利用商业仿真软件CST MWS建模仿真，提取得到等效色散介电常数的示意图；

图7是等效ε_z色散关系原理示意图；

图8具体实施方式五的结构参数示意图；

图9是图8的侧视图；

图10是本发明的反射系数仿真示意图；其中：标记101为未加透镜时的偶极子仿真曲线；标记102为未加透镜时的偶极子测试曲线；标记103为加透镜后的仿真曲线；标记104为加透镜后的偶极子测试曲线；

图11是本发明的天线效率仿真示意图；

图12是5.4GHz时天线H面方向图测试及仿真示意图；

图13是5.4GHz时天线E面方向图测试及仿真示意图；

图14是5.5GHz时天线H面方向图测试及仿真示意图；

图15是5.5GHz时天线E面方向图测试及仿真示意图；

图16是5.6GHz时天线H面方向图测试及仿真示意图；

图17是5.6GHz时天线E面方向图测试及仿真示意图；

图18是5.7GHz时天线H面方向图测试及仿真示意图；

图19是5.7GHz时天线E面方向图测试及仿真示意图；

图20是四方向增益仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，基于变换光学的多波束天线，它包括偶极子天线1；它还包括四块透镜2、两块固定板4、四个固定柱3和4N个金属条5；N为大于或等于且小于或等于12的整数；

每块固定板4均为矩形框架结构，其中每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板4上、下相对设置；所述两块固定板4之间通过四个固定柱3固定为一个整体；所述四个固定柱3的一端位于一块固定板4的四个角处；所述四个固定柱3的另一端位于另一块固定板4的四个角处；相邻两个固定柱3之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜2分别嵌固在四个透镜安装窗上；

所述每个透镜表面上均蚀刻N个金属条5，偶极子天线1位于四个透镜2围成区域的中心。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，它还包括同轴电缆，其中一块透镜2上开有通孔；所述偶极子天线1的一端通过该通孔与同轴电缆的一端连接。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，它还包括绝缘固定横杆，所述绝缘固定横杆的两端分别固定在两个相对的透镜2上，所述偶极子天线1固定在该绝缘固定横杆上。

具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式三所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，相邻两个金属条5的距离相等。

具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，偶极子天线1距离其中一块透镜2的距离为67mm；每块透镜2的厚度均为0.8mm；每个透镜2的长度均为107mm；相邻两个金属条5的距离均为13mm。

本发明的变换媒质为均匀各向异性媒质，且仅介电常数某一个方向变化，易于工程实现。通过在全向天线周围构造变换媒质，实现在近场上将球面波转换为平面波，远场上天线辐射由全向变为指定N波束高增益定向辐射。变换媒质由超常媒质构造而成。以一个偶极子为辐射源，四波束定向天线为实验验证。

1、任意N波束天线实现的普适方法

考虑二维情况，图1给出了任意N波束天线的几何图。O点为理想电源，在自由空间中辐射球面波，图中虚线为球面波。要为了简化情况，我们考虑N波束以O点为圆心，以相隔θ角度等间隔辐射分布。

现考虑其中某一波束三角形区域OAB。自由空间中为球面波，即电磁场在扇形0A’B’区域中均匀分布，当扇形OA’B’很小时，可以近似认为弧形A’B’近似为直线段A’B，即近似为均匀平面波。由此，用以下映射方法来实现球面波转换为平面波的变换光学设计：

在直角坐标系中将虚拟区域(x,y,z)中的扇形区域OA’B’映射到物理区域（x’,y’,z’）：

可设变换函数关系式如下：

x'=ax+by+c

y'=dx+ey+f

z'=z  （1）

根据变换光学，

$\left(\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right)={\left(\begin{array}{ccc}{x}_O& y_O& 1\\ x_{A^{\′}}& y_{A^{\′}}& 1\\ x_{B^{\′}}& y_{B^{\′}}& 1\end{array}\right)}^{-1}\left(\begin{array}{c}{x}_O\\ x_A\\ x_B\end{array}\right)---\left(2\right)$

OAB和OA’B’区域媒质的介电常数和磁导率可以由以下式（2）计算得到：

${\stackrel{=}{\mathrm{\ϵ}}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\Λ\Λ}}^T}{\det \left(\mathrm{\Λ}\right)}\·\stackrel{=}{\mathrm{\ϵ}}$

${\stackrel{=}{\mathrm{\μ}}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\Λ\Λ}}^T}{\det \left(\mathrm{\Λ}\right)}\·\stackrel{=}{\mathrm{\μ}}---\left(3\right)$

其中Λ为雅克比转移矩阵，表示变换后坐标对原始坐标的转换关系：

$\mathrm{\Λ}=\left(\begin{array}{ccc}a& d& 0\\ b& e& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)---\left(4\right)$

det(Λ)=ae-bd自由空间中A’(rcos(θ/2)、-rcos(θ/2))、B’(rcos(θ/2)、rcos(θ/2))、A(l,-tan(θ/2))、B(l,-tan(θ/2))；其中θ=2π/N；

可得：

$\stackrel{=}{\mathrm{\ϵ}}=\stackrel{=}{\mathrm{\μ}}=\left(\begin{array}{ccc}& & \\ 1& 0& 0\\ 0& 1& 0\\ 0& 0& \frac{r^2{\cos }^2\left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}{l^2}\end{array}\right)---\left(5\right)$

可见该方法得到变换区域的等效介电常数和磁导率张量为单轴各项异性，切仅z方向上分量发生变化，并且与位置分布无关，为均匀媒质。

考虑特殊情况，分为三波束，四波束及八波束三种情况，分别对应θ=120°、90°、45°三种情况，在r=0.05m l=0.15m三种情况下的近场仿真。采用基于有限元算法的COMSOL Multiphysics商业仿真软件。为了模拟真实空间的电磁场波，计算区域的边界条件为完美匹配层PML，工作频率为设为8GHz。点源位于坐标原点，激励电流大小为1A。

由于电源辐射出的均匀球面波经过变换媒质区域后，会沿着特定角度以特定波束的方式传播。仿真其远场分别如图2-5。。

从图2至5中可以看出，图2为点源远场，全向辐射，在-180度到180度幅值几乎保持不变，图3为三波束，在-121°、1°和122°三个方位角出现波束，峰值几乎相等，归一化值接近0dB，三波束副瓣电平SSL低于-20dB；图4为四波束，在-180°、-92°、0°和90°四个方位角出现波束，峰值几乎相等，归一化值接近0dB，三波束副瓣电平SSL低于-12dB，图5为八波束，在0°，44°，89°，134°，181°，-133°，-91°和-43°个方位角出现波束，峰值几乎相等，归一化值接近0dB，没有副瓣。

以四波束为例，θ=90°，原点处放置偶极子天线，近场区域为TE波，垂直极化（沿着z轴），在这种情况下仅需要确定的ε_zzμ_xx和ε_zzμ_yy，当ε_zzμ_xx和ε_zzμ_yy保持不变，变换区域媒质色散关系也不变，因此可以优化选取μ_xx=μ_yy=1、ε_zz=[r²cos²(θ/2)]/l²因此在实际构造变换区域媒质时，仅仅需要构造一个方向介电常数ε_zz，这使得工程上非常容易实现。

2、小介电常数超常媒质构造

为了构造ε_zz=0.056这样接近0的超常媒质，我们可以采用最简单的金属阵列结构来实现，为了便于加工，我们采用在PCB介质板上腐蚀出金属带条来代替金属阵列。印刷金属带条几何尺寸如图6所示，金属带条印刷在介质正面中间。

利用CST MWS仿真软件，散射参数利用周期边界条件。以TE波激励金属带条，其单元结构如图所示，当电场沿着金属带条方向分布时，能够激发金属带条周期结构，使得该结构等效介电常数发生变化，我们采用散射参数提取算法，利用商业仿真软件CSTMWS建模仿真，介质板的介电常数为ε_r=3.0损耗正切为0.001。提取得到等效色散介电常数如图7所示，在中心频附件接近理论需求值约为0.05。

图6中ε_z=0.05单元；p=13mm；q=20mm；w=1mm；h=0.8mm；d=8mm；

3、四波束天线仿真及测试验证

得到变化区域所需超常媒质后，实际填充区域应该为曲边四边形A’B’AB，考虑较大范围填充，一方面介质体积较大，重量较重，更重要的是反射严重。注意到我们得到的变换区域媒质是均匀的，即与坐标位置无关，所以我们可以用较薄的单层该超常媒质来填充区域以减小重量和减小反射。采用厚度为h=0.8mm的透镜，给出如图8和图9所示的四波束透镜天线的几何图及透镜几何图形。

利用商业仿真软件CST MWS进行仿真，并在暗室利用矢量网络分析仪和天线测试系统对天线反射系数及远场方向图进行测试。其中仿真和测试反射系数S₁₁如图10所示，仿真天线效率如图11所示。可见加透镜后仿真及测试结表面s11几乎不变，中心频率在5.8GHz左右，-10dB带宽为5.3GHz-5.9GH，在5.4GHz-5.7GHz天线效率在95%以上。

在暗室进行天线方向图测试，给出5.4GHz，5.5GHz,5.6GHz，5.7GHz四个频点的xoy面方向图，和yoz面方向图，并归一化如图12至19所示。0度方向测试结果和仿真结果差异较大，理论上，四个方向全对称结构，方向图应该一致，实际上，测试过程中由于，馈电部分引入电缆，造成了0度方向后项散射较大，故辐射方向图发生变化。

为了进一步研究，透镜的汇聚作用，考虑天线的增益，由于为四波束天线，考虑特定方向，即0度、90度，180°，270°四个方向上，（分别记为1，2，3，4方向）增益。给出主要频带内5.4GHz,5.5GHz5.6GHz,5.7GHz四个主要频点仿真和测试结果，其测试和仿真结果如图20所示。单个偶极子天线增益在2dB左右。方向1天线增益较低，这和方向图分析一致，由于馈电电缆的影响造成。4-7dB内变化。其余三个方向增益在8dB左右，这和仿真结果很好吻合，天线提供增益在6dB左右。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，透镜2开设的通孔为矩形孔，该通孔的宽度为2mm，且该通孔位于相邻两个金属条5之间，且该通孔的两个侧壁距两个金属条5之间的距离均为4mm。

具体实施方式七、本具体实施方式与具体实施方式一、二、三、四、五或六所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，每块透镜2的材质为环氧树脂。

具体实施方式八、本具体实施方式与具体实施方式七所述的基于变换光学的多波束天线的区别在于，每个固定柱3均为尼龙螺柱。

Claims (8)

1.基于变换光学的多波束天线，它包括偶极子天线（1）；其特征是：它还包括四块透镜（2）、两块固定板（4）、四个固定柱（3）和4N个金属条（5）；N为大于或等于且小于或等于12的整数；

每块固定板（4）均为矩形框架结构，其中每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板（4）上、下相对设置；所述两块固定板（4）之间通过四个固定柱（3）固定为一个整体；所述四个固定柱（3）的一端位于一块固定板（4）的四个角处；所述四个固定柱（3）的另一端位于另一块固定板（4）的四个角处；相邻两个固定柱（3）之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜（2）分别嵌固在四个透镜安装窗上；

所述每个透镜表面上均蚀刻N个金属条（5），偶极子天线（1）位于四个透镜（2）围成区域的中心。

2.根据权利要求1所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于它还包括同轴电缆，其中一块透镜（2）上开有通孔；所述偶极子天线（1）的一端通过该通孔与同轴电缆的一端连接。

3.根据权利要求2所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于它还包括绝缘固定横杆，所述绝缘固定横杆的两端分别固定在两个相对的透镜（2）上，所述偶极子天线（1）固定在该绝缘固定横杆上。

4.根据权利要求3所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于相邻两个金属条（5）的距离相等。

5.根据权利要求4所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于偶极子天线（1）距离其中一块透镜（2）的距离为67mm；每块透镜（2）的厚度均为0.8mm；每个透镜（2）的长度均为107mm；相邻两个金属条（5）的距离均为13mm。

6.根据权利要求5所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于透镜（2）上开设的通孔为矩形孔，该通孔的宽度为2mm，且该通孔位于相邻两个金属条（5）之间，且该通孔的中心线距两邻两个金属条（5）之间的距离均为5mm。

7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于每块透镜（2）的材质为环氧树脂。

8.根据权利要求7所述的基于变换光学的多波束天线，其特征在于每个固定柱（3）均为尼龙螺柱。