CN105428821A - 双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线 - Google Patents

双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线。它包括金属圆盘形平行板波导、介质、双极化馈源天线；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，介质上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导的上下两个金属圆盘间的腔体和介质共同组成双极化非对称介质填充柱透镜，双极化馈源天线固定在金属圆盘形平行板波导的边缘处。所述的双极化馈源天线为水平极化圆锥介质天线及其阵列或垂直极化圆锥介质天线及其阵列或双极化圆锥介质天线及其阵列。

Description

双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线
技术领域
本发明涉及天线，尤其涉及一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线。
背景技术
介质透镜天线被广泛应用于卫星通信、雷达探测以及电子对抗等领域。介质透镜技术包括了薄透镜、球透镜以及柱透镜天线等，这些透镜天线最大的特点是结构简单、扫描范围宽，可以实现低损耗的宽带工作。2001年由多伦多大学和密歇根大学共同研制的均匀球透镜天线，第一次在77GHz实现覆盖范围宽达180°的多波束扫描。该球面透镜天线由33个渐变槽天线组成的水平面半圆阵列进行馈电，每个单元产生的3dB波束宽度为5.5°，这样能覆盖33×5.5＝181.5°的水平扫描范围。该馈电阵列可以很方便地印刷在同一个平面介质基片上，并放置于球面透镜的赤道平面上，由于球面透镜的自对称性，每个馈电单元产生的扫描波束几乎一致，这使得球面透镜的扫描角度非常宽，可以很方便地达到180度扫描。由于球透镜天线在加工制作、系统固定等方面存在一些实际困难，这时可以采用更为简单的柱面透镜天线来实现多波束扫描。柱面透镜天线产生的方向图为扇形波束，它在水平面内可以实现窄波束扫描，而在垂直面内则产生较宽的波束。龙伯(Luneberg)透镜由R.K.Luneberg于1944提出，一提出就引起了学术界的强烈反响。此后基于龙伯透镜的透镜天线相继被提出，这些天线性能优良，口径效率可以做得很高。同时由于龙伯透镜天线的球对称特性，可应用于航天通信、卫星跟踪等领域。申请号为200710140739.2，名称为一种无线电波透镜天线装置的专利，公开了一种透镜天线，该天线由半球介质龙伯透镜和反射板和支持器支撑的设在透镜焦点部的天线元件组成。申请号为200580009846.0，名称为龙伯透镜天线装置的专利，公开了一种透镜天线，该天线包括，半球形龙伯透镜，天线固定装配架，无线电波反射器以及其他固定装置。申请号为201110026407.8，名称为部分介质对称填充柱透镜天线的专利，公开了一种透镜天线，该天线包括金属圆盘形平行板波导，两个介质，馈源天线，弧形金属支撑板。申请号为201110026408.2，名称为部分介质非对称填充柱透镜天线的专利，公开了一种透镜天线，该天线包括金属圆盘形平行板波导，介质，馈源天线，弧形金属支撑板。上述透镜天线只能实现单一极化，且俯仰面扫描范围有限。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，包括金属圆盘形平行板波导、介质、一个或多个水平极化圆锥介质天线；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，介质的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导的上下两个金属圆盘间的腔体和介质共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；水平极化圆锥介质天线包括介质基片、金属薄片、矩形金属箱和圆锥形介质，金属箱的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱的一侧面靠近圆柱形空腔底部开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙，在该侧面外表面固定介质基片；介质基片的外表面固定矩形金属薄片，金属薄片与矩形缝隙垂直；一个或多个水平极化圆锥介质天线固定在金属圆盘形平行板波导的边缘处，介质基片与金属圆盘形平行板波导的金属圆盘垂直。
所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
一种水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列，由多个上述水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠组成。
一种垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，包括金属圆盘形平行板波导、介质、一个或多个垂直极化圆锥介质天线；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，介质的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导的上下两个金属圆盘间的腔体和介质共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；垂直极化圆锥介质天线包括介质基片、金属薄片、矩形金属箱和圆锥形介质，金属箱的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱的一侧面靠近圆柱形空腔底部开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙，在该侧面外表面固定介质基片；介质基片的外表面固定矩形金属薄片，金属薄片与矩形缝隙垂直；一个或多个垂直极化圆锥介质天线固定在金属圆盘形平行板波导的边缘处，介质基片与金属圆盘形平行板波导的金属圆盘平行。
所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
一种垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列，由多个上述垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠组成。
一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，包括金属圆盘形平行板波导、介质、一个或多个双极化圆锥介质天线；金属圆盘形平行板波导由上下两个金属圆盘构成，介质的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导的上下两个金属圆盘间的腔体和介质共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；双极化圆锥介质天线包括介质基片、金属薄片、矩形金属箱和圆锥形介质；金属箱的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱的两个相邻侧面靠近圆柱形空腔底部分别开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙，在矩形缝隙所在侧面的外表面固定介质基片；介质基片的外表面固定矩形金属薄片，金属薄片与矩形缝隙垂直；一个或多个双极化圆锥介质天线固定在金属圆盘形平行板波导的边缘处。
所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列，由多个上述双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠组成。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：采用折射率变化符合广义龙伯定律的双极化透镜，可以在不改变透镜的情况下方便地实现双极化，且在组成天线阵列时，可以有效提高阵列的增益和俯仰扫描范围；同时，由于广义龙伯定律引入了两个可变参数，可以根据需要，进一步减轻透镜重量，减小介质损耗，提高辐射效率，当选用介电常数较高的介质时，介质的厚度可以做得很薄，因此介质损耗比普通的均匀介质柱透镜天线和传统的龙伯透镜天线更低，重量也可以更轻，天线辐射效率可以有效提高，尤其是对于大尺寸、高增益的场合，天线辐射效率的提高更是非常显著；另外，由于介质损耗低，这种结构非常适合拓展到毫米波高端、亚毫米波段乃至太赫兹波段应用；其次，由于需要介质材料很少，可以有效减轻天线的重量，这种重量减轻效应在大尺寸、高增益的场合下，愈发显著；再次，由于该天线的透镜部分只需极少量的介质材料和金属平行板波导的配合，就能实现透镜的相对折射率按广义龙伯定律变化，在保证高方向性和高口径效率等特性的前提下，克服了传统龙伯透镜天线造价高、重量重和制造困难等缺点；再次，由于天线主体结构为金属，因而机械强度高，温度变化恒定，可应用于极端条件下工作；另外，双极化圆锥介质天线可以仅通过简单的开关电路切换极化方向，且其结构紧凑，降低了实现双极化的系统复杂度；最后，双极化圆锥介质天线可以直接应用于毫米波和太赫兹波段，且具有较大带宽。
附图说明
图1是水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线I型侧视图；
图2是水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线I型后视图；
图3是水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线I型俯视图；
图4是水平极化圆锥介质天线结构示意图；
图5是水平极化圆锥介质天线正视图；
图6是水平极化圆锥介质天线侧视图；
图7是水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列II型侧视图；
图8是垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线III型侧视图；
图9是垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线III型后视图；
图10是垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线III型俯视图；
图11是垂直极化圆锥介质天线结构示意图；
图12是垂直极化圆锥介质天线正视图；
图13是垂直极化圆锥介质天线俯视图；
图14是垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列IV型侧视图；
图15是双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线V型侧视图；
图16是双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线V型后视图；
图17是双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线V型俯视图；
图18是双极化圆锥介质天线结构示意图；
图19是双极化圆锥介质天线正视图；
图20是双极化圆锥介质天线侧视图；
图21是双极化圆锥介质天线俯视图；
图22是双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列VI型侧视图。
具体实施方式
本发明中，在同一个工作频率上，平行板波导高度一定的情况下，不同的介质厚度将会导致不同的传播波数，我们通过选取不同的介质厚度来控制透镜的相对折射率，使其符合广义龙伯定律分布，可以实现结构紧凑的各种用途的透镜天线。同时为了达到最优的天线口径效率，双极化馈源天线应该放在柱透镜的焦点位置。这种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线的方向图跟传统的柱透镜天线类似，在水平面可以实现窄波束，在俯仰面则是很宽的波束。同时，由于结构的对称性这种天线可以用于产生多波束扫描，扫描范围约为±75°，其馈电天线可以很简单地集成在透镜的焦平面上。另外，多个双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠，每一层对应不同的信号相位，组成天线阵列，由于相邻的透镜天线通过金属圆盘隔开，彼此不会受到影响，因此这种天线阵列在俯仰面能实现相控阵扫描，扫描范围约为±60°。
如图1到图3所示，水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线I型包括金属圆盘形平行板波导1、介质2、一个或多个水平极化圆锥介质天线3；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成，介质2的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导1的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导1的上下两个金属圆盘间的腔体和介质2共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；一个或多个水平极化圆锥介质天线3固定在金属圆盘形平行板波导1的边缘处。
如图2所示，介质基片31与金属圆盘形平行板波导1的金属圆盘垂直。
如图4到图6所示，所述的水平极化圆锥介质天线3包括介质基片31、金属薄片32、矩形金属箱33和圆锥形介质34，金属箱33的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质34由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱33的一侧面靠近圆柱形空腔底部开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙35，在该侧面外表面固定介质基片31；介质基片31的外表面固定矩形金属薄片32，金属薄片32与矩形缝隙35垂直。
如图7所示，水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列II由多个水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线I型上下堆叠组成。每一层对应不同的信号相位，组成天线阵列实现相控阵扫描，采用这种结构可以兼有相控阵扫描和多波束扫描的优点。
如图8到图10所示，垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线III型包括金属圆盘形平行板波导1、介质2、一个或多个垂直极化圆锥介质天线4；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成，介质2的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导1的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导1的上下两个金属圆盘间的腔体和介质2共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；一个或多个垂直极化圆锥介质天线4固定在金属圆盘形平行板波导1的边缘处。
如图9所示，介质基片41与金属圆盘形平行板波导1的金属圆盘平行。
如图11到图13所示，所述的垂直极化圆锥介质天线4包括介质基片41、金属薄片42、矩形金属箱43和圆锥形介质44，金属箱43的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质44由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱43的一侧面靠近圆柱形空腔底部开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙45，在该侧面外表面固定介质基片41；介质基片41的外表面固定矩形金属薄片42，金属薄片42与矩形缝隙45垂直。
如图14所示，垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列IV由多个垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线III型上下堆叠组成。每一层对应不同的信号相位，组成天线阵列实现相控阵扫描，采用这种结构可以兼有相控阵扫描和多波束扫描的优点。
如图15到图17所示，双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线V型包括金属圆盘形平行板波导1、介质2、一个或多个双极化圆锥介质天线5；金属圆盘形平行板波导1由上下两个金属圆盘构成，介质2的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导1的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导1的上下两个金属圆盘间的腔体和介质2共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；一个或多个双极化圆锥介质天线5固定在金属圆盘形平行板波导1的边缘处。
如图18到图21所示，所述的双极化圆锥介质天线5包括介质基片51、金属薄片52、矩形金属箱53和圆锥形介质54；金属箱53的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质54由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱53的两个相邻侧面靠近圆柱形空腔底部分别开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙55，在矩形缝隙55所在侧面的外表面固定介质基片51；介质基片51的外表面固定矩形金属薄片52，金属薄片52与矩形缝隙55垂直。
如图22所示，双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列VI由多个上述双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线V型上下堆叠组成。每一层对应不同的信号相位，组成天线阵列实现相控阵扫描，采用这种结构可以兼有相控阵扫描和多波束扫描的优点。
以上六种方式中所述的金属圆盘形平行板波导1的上下两个金属圆盘间的腔体和介质2共同组成双极化非对称介质填充柱透镜。所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及发明中提到的一些替代方式制作出本双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线。本发明由于主体结构为金属结构，因而机械强度高，温度变化恒定，可应用于极端条件下工作，例如高冲击强度，以及空间应用中的极限高低温场合。这种口径效率高、小体积、轻重量的双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线及其多波束扫描和相控阵扫描设计在航空航天，卫星通信中有广阔的应用前景。

Claims (9)

1.一种水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，其特征在于，包括金属圆盘形平行板波导(1)、介质(2)、一个或多个水平极化圆锥介质天线(3)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆盘构成，介质(2)的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导(1)的上下两个金属圆盘间的腔体和介质(2)共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；水平极化圆锥介质天线(3)包括介质基片(31)、金属薄片(32)、矩形金属箱(33)和圆锥形介质(34)，金属箱(33)的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质(34)由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱(33)的一侧面靠近圆柱形空腔底部开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙(35)，在该侧面外表面固定介质基片(31)；介质基片(31)的外表面固定矩形金属薄片(32)，金属薄片(32)与矩形缝隙(35)垂直；一个或多个水平极化圆锥介质天线(3)固定在金属圆盘形平行板波导(1)的边缘处，介质基片(31)与金属圆盘形平行板波导(1)的金属圆盘垂直。
2.根据权利要求1所述的水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，其特征在于，所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
3.一种水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列，其特征在于，由多个权利要求1所述水平极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠组成。
4.一种垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，其特征在于，包括金属圆盘形平行板波导(1)、介质(2)、一个或多个垂直极化圆锥介质天线(4)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆盘构成，介质(2)的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导(1)的上下两个金属圆盘间的腔体和介质(2)共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；垂直极化圆锥介质天线(4)包括介质基片(41)、金属薄片(42)、矩形金属箱(43)和圆锥形介质(44)，金属箱(43)的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质(44)由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱(43)的一侧面靠近圆柱形空腔底部开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙(45)，在该侧面外表面固定介质基片(41)；介质基片(41)的外表面固定矩形金属薄片(42)，金属薄片(42)与矩形缝隙(45)垂直；一个或多个垂直极化圆锥介质天线(4)固定在金属圆盘形平行板波导(1)的边缘处，介质基片(41)与金属圆盘形平行板波导(1)的金属圆盘平行。
5.根据权利要求4所述的垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，其特征在于，所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
6.一种垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列，其特征在于，由多个权利要求4所述垂直极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠组成。
7.一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，其特征在于，包括金属圆盘形平行板波导(1)、介质(2)、一个或多个双极化圆锥介质天线(5)；金属圆盘形平行板波导(1)由上下两个金属圆盘构成，介质(2)的上表面为弧形面，下表面与金属圆盘形平行板波导(1)的下圆盘紧贴，金属圆盘形平行板波导(1)的上下两个金属圆盘间的腔体和介质(2)共同组成双极化非对称介质填充柱透镜；双极化圆锥介质天线(5)包括介质基片(51)、金属薄片(52)、矩形金属箱(53)和圆锥形介质(54)；金属箱(53)的正面开有圆柱形空腔；圆锥形介质(54)由两个共底同轴的圆锥一体形成，其中一个圆锥伸入圆柱形空腔内，圆锥的底面直径与圆柱形空腔直径相等；金属箱(53)的两个相邻侧面靠近圆柱形空腔底部分别开有一沿圆柱形空腔中轴线方向的矩形缝隙(55)，在矩形缝隙(55)所在侧面的外表面固定介质基片(51)；介质基片(51)的外表面固定矩形金属薄片(52)，金属薄片(52)与矩形缝隙(55)垂直；一个或多个双极化圆锥介质天线(5)固定在金属圆盘形平行板波导(1)的边缘处。
8.根据权利要求7所述的双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线，其特征在于，所述的双极化非对称介质填充柱透镜的折射率变化符合广义龙伯定律其中R为双极化非对称介质填充柱透镜的半径，r为双极化非对称介质填充柱透镜上任一点到圆心的距离，n为双极化非对称介质填充柱透镜的折射率，n0和δ为可变参数。
9.一种双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线阵列，其特征在于，由多个权利要求7所述双极化圆锥介质馈源非对称介质填充柱透镜天线上下堆叠组成。
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