CN105470659A - 一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于多波束定向通信及波束扫描的轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线。它的基本结构包括柱面龙伯介质透镜、多个E型微带天线馈源组成的弧形阵(3)、位于两块相互平行的金属平板(4)之间的柱面龙伯介质透镜分三层，包括外层透镜(11)、中间层透镜(12)、内层透镜(13)，三层都采用低介电常数的轻质泡沫作为基底材料，在基底材料上开孔并填充高介电常数的介质棒，三层透镜上面的孔密度由外向内依次变密集，弧形阵(3)固定于两块相互平行的金属平板(4)之间。本发明在低介电常数基底材料上开孔填充高介电常数介质材料来实现所需渐变介电常数，在保证满足天线电性能的同时本发明实现了天线的轻量化。

Description

一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线

技术领域

本发明涉及到一种属于天线工程技术领域的龙伯透镜天线，具体来说是一种适用于多波束定向通信及波束扫描的介质填充式柱面龙伯透镜天线。

背景技术

随着卫星通信、雷达系统以及电子对抗等技术领域对多波束天线的需求越来越多，相应地对多波束天线的要求也越来越高，在满足高增益、窄波束、低副瓣、波束覆盖范围广等要求的同时还要兼顾扫描速度、成本、环境等需要。

传统工艺大多采用介质塑料泡沫热发泡法来实现龙伯透镜天线的制作，如专利CN101057370中通过开模方法对泡沫塑料珠料进行发泡，但是这种方法工艺流程非常复杂且发泡均匀性难以控制，对加工条件要求很高，导致加工成本不可控制、批量生产困难。

美国专利US5677796所公开的题为“Luneberglensandmethodofconstructingsame”中详细介绍了一种利用二次曲线形的特殊钻头沿介质透镜的半径方向开渐变锥形孔的方法，从而设计出满足龙伯透镜介电常数渐变规律的龙伯透镜，该方法不仅加工难度大且需考虑材料的机械强度，因而成本也较高；且由于本底材料质量密度一般均较高，对于较大型龙伯透镜其重量问题突出。刘志佳在论文“基于开孔结构的龙伯透镜天线技术”中介绍了一种在高介电常数介质上钻柱形孔填充空气来实现满足龙伯透镜介电常数渐变规律的介质透镜，实现了高效率、高增益及低成本。但由于开孔基底材料较重，使得透镜天线重量也不具优势。

S.Rondineau等人在IEEEAntennasWirelessPropag.(vol.2,pp.163-166,2003)上发表的题为“AslicedsphericalLuneburglens”论文介绍了一种薄片式龙伯透镜天线，该透镜在聚四氟乙烯上钻不同密度及大小的孔，再将钻孔后的多层圆形聚四氟乙烯薄片粘合组装设计出龙伯透镜天线，这种方法设计出的透镜天线各向异性性能较差，且重量也不具优势。

东南大学崔铁军等人在AppliedPhysicsLetters.(vol.95,issue18,id.181901,2009)上发表的题为“BroadbandplanarLuneburglensbasedoncomplementarymetamaterials”论文中利用电磁超材料设计了工作于Ku波段的龙伯透镜天线，但该天线口径效率较低。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提出了一种新型的轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线

本发明的轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线，包括柱面龙伯透镜、弧形结构馈源阵、金属平板，其中位于两块平行的金属平板之间的柱面龙伯透镜分为三层：外层透镜、中间层透镜和内层透镜，每层透镜均采用低介电常数轻质基底材料；在每层透镜的基底材料上开孔并填充高介电常数材料，形成介质棒，且三层透镜上的孔的孔密度由外层透镜到内层透镜依次变大，即内层透镜上的孔密度大于中间层透镜上的孔密度，中间层透镜上的孔密度大于外层透镜上的孔密度，每层透镜的孔可以是均匀分布也可以是非均匀分布，各孔的直径优选为相同尺寸，也可以尺寸不同。弧形结构馈源阵固定于两块平行的金属平板之间。

本发明的天线采用介质填充工艺，在低介电常数基底材料上开孔填充高介电常数介质材料来实现所需渐变介电常数，低介电常数基底材料可以是轻质泡沫，也可以是空气。其不仅结构简单紧凑，而且实现了轻量化，使其能更好的应用于多波束定向通信和波束扫描天线，尤其是对重量有所要求的场合。

等效媒质理论是一种关于混合介质材料电磁特性的宏观等效理论。按照不同比例混合不同电磁特性的材料可以让混合后的材料具有期望的电磁特性。本发明采用A-BG等效媒质理论来进行等效。其计算公式如下：

$A-BG:\frac{{\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}{{\mathrm{\ϵ}}_i-{\mathrm{\ϵ}}_h}=(1-p){\left(\frac{{\mathrm{\ϵ}}_{eff}}{{\mathrm{\ϵ}}_h}\right)}^{1/3}---\left(1\right)$

其中ε_eff为混合材料的等效介电常数，ε_i为填充材料的介电常数，ε_h为基底材料的介电常数，p为开孔后填充材料体积占整个混合材料体积的体积比分数。

遵循加工方便、等效均匀一致性好、加工后材料机械强度高等原则，本发明的开孔采用圆柱形孔。为了保证等效媒质理论的有效性，孔径大小一般控制在四分之一波长以下。

在天线模型的等效介电常数ε_eff经优化并确定后，根据采用的基底材料的介电常数、介质棒的介电常数(填充材料的介电常数)，基于A-BG等效媒质理论确定填充材料的体积比p，基于柱面龙伯透镜的尺寸和介质棒尺寸，可以得到介质棒的个数，即三层透镜的所有开孔数。在基于三层透镜上孔密度由外层透镜到内层透镜依次变大的条件，对开孔结构即孔半径和孔的数量进行优化，从而完成本发明的天线的设计。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明采用介质填充方法在低介电常数介质上填充高介电常数介质来实现满足龙伯透镜规律渐变介电常数的人工复合材料，从而设计出轻型化的柱面龙伯透镜天线。透镜天线上下两层的金属平板构成平行板波导，限制电磁波的同时能减小电磁波在俯仰面的发散。此外，还可以利用金属平板固定弧形结构馈源阵，降低天线整体高度，使得天线小型化、紧凑。

附图说明

图1为本发明一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线的三维结构图；

图2为本发明一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线的俯视图和侧视图；

图3为本发明柱面龙伯透镜天线中10个E形贴片天线馈源单独激励时的驻波比；

图4为本发明柱面龙伯透镜天线中单个馈源激励时的方位面辐射方向图；

图5为本发明柱面龙伯透镜天线中单个馈源激励时的俯仰面辐射方向图；

图6为本发明柱面龙伯透镜天线中10个馈源依次激励时在方位面形成的10个波束；

图7为本发明柱面龙伯透镜天线中的基底材料由轻质泡沫改为空气后的三维结构图。

其中，11——外层透镜、12——中间层透镜、13——内层透镜、21——外层尼龙棒、22——中间层尼龙棒、23——内层尼龙棒、3——弧形阵、4——金属平板。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施方式和附图，对本发明作进一步地详细描述。

图1和图2详细地描述了一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线的结构图。依图示描述，此装置主要包括柱面龙伯透镜天线、10个E型微带贴片馈源组成的弧形阵3、两块平行的金属平板4，其中柱面龙伯透镜包括三层：外层透镜11、中间层透镜12、内层透镜13，三层透镜都采用低介电常数轻质基底材料，本实施方式中采用轻质泡沫作为基底材料，在基底材料上开孔并填充高介电常数材料，形成介质棒。本实施方式中介质棒的材料为尼龙，即介质棒为圆柱形尼龙棒。每个圆柱形尼龙棒的直径可以不同，优选为直径相同。且每层透镜(外层透镜11、中间层透镜12、内层透镜13)所分布的圆柱形尼龙棒可以是均匀分布，即相邻间隔相同，也可以为非均匀分布。优选为均匀分布。

例如选用基底材料的介电常数为1.1,密度为0.05g/cm³，从外到内三层基底材料上开有圆柱形孔，并填充圆柱形尼龙棒,三层透镜上面的孔密度由内向外依次变密集，外层尼龙棒21、中间层尼龙棒22、内层尼龙棒23都采用相同的尼龙材料(如介电常数为5.5,密度为1.15g/cm³)。三层透镜的等效介电常数从里到外渐变，从而能起到汇聚波束提高天线增益的作用。

常见的透镜天线馈源主要分为两种：喇叭类型的口径馈源天线和微带贴片类型的馈源天线。喇叭类型的口径馈源天线其常见形式有普通喇叭、波纹喇叭、介质加载喇叭、介质导馈源。但这些馈源往往体积比较大且重量较大，占用过多的空间和载重，不利于在一些便携设备和空间重量要求比较严格的设备中应用。微带贴片类型的馈源天线。这类天线是由一个薄的介质片(其厚度远远小于波长)，其上面是用金属沉积的矩形、圆形或其它几何形状的辐射元，背面则一般是由金属薄板作接地层所构成。辐射元可用微带或同轴线馈电。微带天线作馈源结构上主要优点是重量轻、体积小、易共形、制造工艺简单、成本低；电气性能上是得到单方向的宽方向图，易于实现线极化或圆极化和双频率工作。常见的微带贴片类型馈源有小型化开槽矩形贴片天线以及渐变开槽天线(TSA)。在TSA中又以指数渐变开槽天线Vivaldi天线性能为最优。

基于上面两种形式馈源各自的优缺点，本发明从成本、天线的主要性能要求、设计复杂度等各方面综合考虑后，设计了一种宽带小型化的E型贴片作为馈源，将多个E型微带贴片天线馈源组成一个弧形阵3，构成本发明的弧形结构馈源阵，并固定于两层平行金属平板4之间，各天线单元(E型贴片)均匀排列，通过调整弧形结构馈源阵各相邻单元的位置和天线单元个数以满足不同扫描角度上产生所需的波束。以设计需求在方位面上需要实现120°的波速扫描为例，采用10个E型微带贴片天线馈源组成一个弧形阵3，则每个E型贴片在经过透镜之后其相应的3dB波束宽度为12°，因此设计相邻的两个天线单元(E型贴片)的夹角为12°，以使得每个馈源的出射波经过透镜之后能更好的进行交叠。

柱面龙伯介质透镜上下为两块相互平行的金属平板4，其构成了平行板波导结构，同时可以利用金属平板4来固定馈源阵列和填充材料，使得微带馈源辐射的电磁波经透镜聚焦后在方位面产生窄波束。

基于所设计的柱面龙伯透镜尺寸，圆柱形孔的直径，根据所需的等效介电常数可以由公式(1)计算体积比，求得体积比后可以计算出每层透镜的打孔数量。从而设计出的柱面龙伯透镜天线实现了轻量化设计。

以设计的柱面龙伯透镜高度为41mm，直径为330mm，圆柱形孔的直径为6mm，弧形结构馈源阵包括10个E型微带贴片天线馈源，且相邻E型贴片的夹角为12°为例说明本发明所设计的天线结构的性能：

图3为10个E形贴片天线馈源分别激励时的驻波比，可以看出在工作频段内(频段下限为f_L，上限为f_H)天线馈源的驻波系数均小于2。

图4和图5是单个天线馈源激励时分别在方位面和俯仰面的辐射方向图,从图中可以看出方位面波束得到汇聚，波束较窄。HFSS仿真结果显示增益达到14.5dB。相较方位面方向图，俯仰面上等效口径很小，所以波束较宽，它的3dB波瓣宽度大于70°。在主辐射方向，方位面和俯仰面上的交叉极化电平均低于-30dB。

图6为10个天线馈源依次激励时在方位面形成的10个波束，依次激励时可以在方位面实现波束扫描。弧形阵中E型微带馈源单元数为10个，每个馈源辐射的电磁波经透镜聚焦后在方位面上形成的波束3dB宽度为12°，相邻波束在3dB点交叠，整个天线在方位面上能达到120°波束覆盖。

以基底材料采用轻质泡沫，其沫密度为0.05g/cm³,介电常数为1.1。介质棒的材料采用尼龙，其密度为1.15g/cm³,介电常数为5.5；柱面龙伯透镜的高度为41mm，直径为330mm设计本发明的天线。经过计算，本发明的天线理论上重量约为600克(不包含金属地板和馈源)；而采用传统的介质钻孔法设计出的同口径尺寸龙伯透镜的重量约为1200克，因此在理论上本发明透镜天线重量减轻约为600克，实现了轻量化，使其更适用于对重量有要求的场合中。

同时，本发明中的圆柱形尼龙棒可以直接由上下两块金属板固定，而不需基底材料固定，因此基底材料可以去掉，改为空气，其结构如图7所示。去掉基底材料后，透镜重量可以进一步减轻。由于空气与泡沫介电常数都很低接近于1，所以进行优化仿真后，两者的电性能可达到相同，但却可以提供不同的固定方式。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (8)

1.一种轻量化介质填充式多波束柱面龙伯透镜天线，其特征在于，包括柱面龙伯透镜、弧形结构馈源阵(3)、金属平板(4)，其中位于两块平行的金属平板(4)之间的柱面龙伯透镜分为三层：外层透镜(11)、中间层透镜(12)和内层透镜(13)，每层透镜均采用低介电常数轻质基底材料；在每层透镜的基底材料上开孔并填充高介电常数材料，形成介质棒，且三层透镜上的孔的孔密度由外层透镜(11)到内层透镜(13)依次变大；弧形结构馈源阵(3)固定于两块平行的金属平板(4)之间。

2.如权利要求1所述的天线，其特征在于，低介电常数轻质基底材料为空气，将介质棒直接固定在两块平行的金属平板(4)之间。

3.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，所述弧形结构馈源阵(3)为多个E型微带贴片馈源组成的弧形阵。

4.如权利要求3所述的天线，其特征在于，E型微带贴片馈源的个数为10个，各馈源均匀排列，相邻馈源的夹角为12°。

5.如权利要求1或2所述的天线，其特征在于，三层透镜上的孔的形状为圆柱形孔。

6.如权利要求5所述的天线，其特征在于，所述圆柱形孔的半径小于1/4波长。

7.如权利要求1所述的天线，其特征在于，低介电常数轻质基底材料为轻质泡沫材料。

8.如权利要求1所述的天线，其特征在于，介质棒的材料为尼龙。