CN104868253A - 一种金属平板透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种金属平板透镜天线，包括多层金属平板，所述的金属板的层与层之间呈平行关系，所述的每一层的金属平板都蚀刻了多个双圆环缝隙单元，并且所述的多个双圆环缝隙单元呈等间距排列在所述的金属平板的每一层上，所述的每一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环。馈源辐射的电磁波经过所述的金属平板透镜天线，所述的金属平板上的双圆环缝隙单元的半径根据公式和传输相位曲线进行设计，使得所述的每个双圆环缝隙单元具有不同的传输相位，对馈源辐射的电磁波进行相位补偿，将馈源辐射的球面波转换成平面波，从而实现高增益波束。

Description

一种金属平板透镜天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别涉及一种金属平板透镜天线。

背景技术

透镜天线技术是一种新型天线技术，相比于反射面天线，它无馈源遮挡，能够有效的产生高增益波束，同时材料价格低廉，能量损耗较小，所需加工精度较低，非常适合批量生产，可广泛应用于宽带无线通信、微波遥感和射电天文学等领域，具有良好的应用前景。

目前，现有的透镜天线技术，一般都是采用折射率n＞1、电磁波可以穿透的介质制成，其介质的厚度为3个波长以上，可以将馈源辐射的球面波转换为平面波，但是，现有的透镜天线存在结构剖面大，笨重的缺陷。同时，由于介质材料耐受温度范围较窄，而太空中的温度环境往往十分恶劣，温度范围在-70℃～﹢80℃之间，现有的介质透镜天线在太空中无法正常工作。

发明内容

本发明的目的在于克服透镜天线存在的结构剖面大，笨重，并且不能适应太空中恶劣的温度环境的缺陷，提供了一种金属平板透镜天线。

为解决上述目的，本发明提供的一种金属平板透镜天线，包括多层金属平板，所述的金属平板的层与层之间呈平行关系，所述的每一层的金属平板都蚀刻了多个双圆环缝隙单元，并且所述的多个双圆环缝隙单元呈等间距排列在所述的金属平板的每一层上，所述的每一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环，所述的两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的缺口，其缺口对应的角度范围是10°～30°。

优选的，所述的金属平板是三层或四层，所述的金属平板，其所述的每一层的金属平板的厚度小于1mm。

优选的，所述的金属平板的间距为h，所述的h为天线工作波长的四分之一。

优选的，所述的两个半径不同的同心圆环的缺口对应的角度是30°。

优选的，由所述双圆环缝隙单元中半径较小的圆环的半径值决定所述的双圆环缝隙单元的传输相位。

优选的，所述的双圆环缝隙单元的传输相位为0-360°范围内的一个值。

本发明的优点在于：所述的金属平板透镜天线本体全部采用金属材料制成，结构剖面小，重量轻，可以适应太空中恶劣的温度环境，并且适合应用在星载微波遥感器和卫星通信领域。

附图说明

图1(a)是双圆环缝隙单元的结构示意图的俯视图

图1(b)是双圆环缝隙单元的结构示意图的侧视图

r 小圆环的内径             R 大圆环的内径

w 两个圆环缝隙的宽度       g 两个圆环之间的距离

h 四层金属平板的间距

图2是金属平板透镜天线的示意图

图3是传输相位与传输单元半径r对应关系图

图4是金属平板透镜天线的俯视图

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

本发明提供的一种金属平板透镜天线，如图1、4所示，所述的透镜天线包括四层的金属平板，所述的四层的金属板的层与层之间呈平行关系，所述的每一层的金属平板都蚀刻了双圆环缝隙单元，并且所述的双圆环缝隙单元呈等间距排列在所述的金属平板的每一层上，所述的双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环。

所述的金属平板透镜天线，其整体厚度为四分之三个工作波长，所述的金属平板本体采用铝板来加工。

所述的双圆环缝隙单元，如图1(a)所示，其两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的30°缺口，所述的小圆环的内径为r，所述的大圆环的内径为R，所述的两个圆环缝隙的宽度为w，所述的两个圆环之间的距离为g，如图1(b)所示，所述的四层金属平板的间距为h，所述的h为天线工作波长的四分之一。

如图2所示，假设在三维坐标系中，馈源的坐标为(x_f,y_f,z_f)，所述的金属平板透镜天线位于xoy平面，其中第i个单元的坐标为(x_i,y_i,0)。假设每个单元的传输相位为那么辐射波束指向与每个传输单元的位置(x_i,y_i,0)和传输相位以及馈源的位置(x_f,y_f,z_f)的关系式如下所示：

其中k₀为自由空间中的波数，d_i为馈源与第i个单元之间的距离：

$d_i=\sqrt{{(x_i-x_f)}^2+{(y_i-y_f)}^2+{z_f}^2}---\left(2\right)$

大圆环半径与小圆环半径之间的关系，如下所示：

R＝r+w+g     (3)

对所述的每一个双圆环缝隙单元的传输特性进行计算，计算结果如图3所示，当r由1.1mm增大至1.9mm时，由公式3可知，R也随着r的变化而变化，所述的双圆环缝隙单元的传输相位随着r和R的改变可以实现360°范围的传输相位变化。

金属平板透镜天线由多个双圆环缝隙单元等间距排列而成，首先由公式(1)得到所述金属平板天线上每个单元的传输相位，然后根据图3所示的传输相位与传输单元半径r对应关系以及公式(3)，即可得到所述的金属平板透镜天线中所述的每一个双圆环缝隙单元的半径r和R。

当馈源辐射的电磁波经过所述的金属平板透镜天线，所述的金属平板上的每个双圆环缝隙单元的半径按照公式(1)和传输相位曲线进行设计，即可对馈源辐射的电磁波进行相位补偿，将馈源辐射的球面波转换成平面波，从而实现高增益波束。

在其他实施例中，所述的透镜天线包括三层的金属平板，所述的三层的金属板的层与层之间呈平行关系，所述的每一层的金属平板都蚀刻了双圆环缝隙单元，并且所述的双圆环缝隙单元呈等间距排列在所述的金属平板的每一层上，所述的双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环。

所述的金属平板透镜天线，其整体厚度为二分之一个工作波长，所述的金属平板本体采用铝板来加工。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种金属平板透镜天线，其特征在于，包括多层金属平板，所述的金属平板的层与层之间呈平行关系，所述的每一层的金属平板都蚀刻了多个双圆环缝隙单元，并且所述的多个双圆环缝隙单元呈等间距排列在所述的金属平板的每一层上，所述的每一个双圆环缝隙单元包括两个半径不同的镂空的同心圆环，所述的两个半径不同的同心圆环都有两个左右对称的缺口，其缺口对应的角度范围是10°～30°。

2.根据权利要求1所述的一种金属平板透镜天线，其特征在于，所述的金属平板是三层或四层，所述的金属平板的每一层的厚度小于1mm。

3.根据权利要求1所述的一种金属平板透镜天线，其特征在于，所述的金属平板的间距为h，所述的h为天线工作波长的四分之一。

4.根据权利要求1所述的一种金属平板透镜天线，其特征在于，所述的两个半径不同的同心圆环的缺口对应的角度是30°。

5.根据权利要求1所述的一种金属平板透镜天线，其特征在于，由所述双圆环缝隙单元中半径较小的圆环的半径值决定所述的双圆环缝隙单元的传输相位。

6.根据权利要求5所述的一种金属平板透镜天线，其特征在于，所述的双圆环缝隙单元的传输相位为0-360°范围内的一个值。