CN105470660A - 基于新型介质填充方式的极低剖面柱面龙伯透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于新型介质填充方式的极低剖面柱面龙伯透镜天线。本发明包括位于上金属盖板(3)和下金属盖板(4)之间的柱面龙伯透镜、位于柱面龙伯透镜的焦线上的弧形馈源阵(1)以及位于柱面龙伯透镜的非辐射口径上的弧形金属反射挡板(2)，所述柱面龙伯透镜包括具有不同半径的上填充介质片(6)和下填充介质片(5)，上填充介质片(6)和下填充介质片(5)由圆心向外分别分布n层、m层具有不同分布密度的通孔(21)，其中m大于n，且两介质片的前n层的等效介电常数对应相同。本发明不仅加工简单，而且实现了低剖面、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，尤其是毫米波高频段以及需要轴向组阵的应用场合。

Description

基于新型介质填充方式的极低剖面柱面龙伯透镜天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，具体涉及一种基于新型介质填充方式的极低剖面柱面龙伯透镜天线。

背景技术

由于船舶导航、卫星通信、电子对抗及目标追踪等领域对多波束天线的迫切需求，具有高增益、窄波束、低副瓣、宽扫描角、高速扫描以及制造成本低等特点的多波束天线被重点关注。

传统的多波束天线多采用相控阵的形式，天线性能较为稳定，波束扫描控制很方便，但是传统的相控阵天线需要较为庞大复杂的馈电网络，需要大量的T/R组件，使其成本过高，并且在某些极端条件下的应用，例如潮湿、盐雾、高温等等环境中，在使用过程中极易造成损毁，维护起来也不方便，从而极大的降低它的使用寿命，造成性价比不高。多波束反射面天线组成结构简单，但是其口径较大，抗风抗雨性能差、波束覆盖范围有自己局限性，同时馈源对天线存在遮挡，降低了天线的效率。此外反射面天线的波束扫描多采用机械方式，由于反射面的体积较大，重量较重，这就使的波束扫描的速度也较慢，整体结构笨重。

柱面龙伯透镜天线是一种具有旋转对称结构的透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现宽角范围内的多波束覆盖，且波束一致性好。透镜主体多由防潮抗酸耐腐蚀的介质材料构成，对周围环境的适应力强；并且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，工作频带取决于馈源的频带，可适用于大容量的宽带通信系统中。

理论上的龙伯透镜其介电常数从内层到表面满足2到1的变化规律，因此一直以来的材料技术和制造水平限制了这种天线的应用。自上世纪40年代龙伯透镜天线被提出以来，国内外专家学者对其设计理论和制作工艺进行了系统的分析和研究。经过多年研究，提出了材料制作工艺的一些基本方法和准则，其中最具代表性的是基于塑料树脂材料的热发泡技术、基于钻孔结构实现较低介电常数等效技术。在公告号为CN101057370的专利中，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。

在专利号为US6433936、名称为“LensofGradientDielectricConstantandMethodsofProduction”的美国专利中，将热塑性树脂膨胀珠(聚苯乙烯、聚酰胺等)中掺杂陶瓷材料(二氧化钛、二氧化硅等)填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节泡沫模制品的密度及陶瓷含量来控制每层球壳的介电常数，该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂，不适合量产。专利号为US5677796、名称为“Luneberglensandmethodofconstructingsame”的美国专利公开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。

在公告号为CN102110893的专利中，公开了一种空气填充的柱面透镜天线，该天线利用TE波在平板波导中的传播常数与平行板高度相关这一传播特性，通过控制平行板高度成一定的曲线来实现所需要的折射率以实现波束成型，但是为了传输TE波平行板波导厚度必须大于λ/2，当需要天线沿轴向组阵时该天线就不宜使用，同时对于毫米波高频段在加工上才在巨大的加工难度。而在公告号为CN102110894的专利中，则提出了一种部分介质填充非对称柱透镜天线，该天线利用TE波在在平板波导中的传播常数与该处介质的介电常数相关，通过控制平行板内填充呈一定曲线的介质来实现所需要的折射率以实现波束成型，但是在毫米波高频段其加工难度严重制约其使用。

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，但是由于是采用附着金属的PCB板来实现超材料，导致了该天线的损耗过大，口径效率过低。OlivierLafond等人在IEEETRANSACTIONSONANTENNASANDPROPAGATION,VOL.61,NO.4,APRIL2013发表的题为“AnActiveReconfigurableAntennaat60GHzBasedonPlateInhomogeneousLensandFeeders”的论文中设计一个基于龙伯透镜理论的分层柱面透镜天线，该透镜天线的内部高介电常数层采用在更高介电常数的Teflon介质片上打孔等效的技术，外部低介电常数分层采用发泡技术来实现，外部低介电常数层之所以采用工艺复杂的发泡技术是因为打孔等效技术要求打孔的孔径应小于十分之一个波长，在V频段如保证孔径小于十分之一个波长，对于外部低介电常数层需要将孔加工的过于密集以至于难以加工实现。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于新型介质填充方式的极低剖面柱面龙伯透镜天线。

本发明包括位于上金属盖板和下金属盖板之间的柱面龙伯透镜、弧形馈源阵，以及位于柱面龙伯透镜的非辐射口径上的弧形金属反射挡板，所述柱面龙伯透镜包括具有不同半径的上填充介质片和下填充介质片，且上填充介质片的半径小于下填充介质片，所述上填充介质片由圆心向外分布n层具有不同分布密度的通孔，下填充介质片由圆心向外分布m层具有不同分布密度的通孔，其中m大于n(优选为m＝n+1)，且下填充介质片和上填充介质片的前n层的等效介电常数一一对应相同。即上下填充介质片可以采用相同基底材料，也可以采用不同，优选为相同，当采用相同基底材料，则上下填充介质片的第1～n层的通孔密度一一对应相同。

本发明不仅加工简单，而且实现了低剖面、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，尤其是毫米波高频段以及需要轴向组阵的应用场合。

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。在本发明中，上填充介质片和下填充介质片的介电常数对应ε_h，在上填充介质片和下填充介质片上开孔(通孔)，因不对各开孔进行填充，则各通孔所对应的填充材料为空气。

在通常的设计中遵循加工方便、等效均匀一致性好、加工后材料机械强度高等原则，开孔形式多采用圆柱形孔。为了保证等效媒质理论的有效性，孔径大小一般控制在十分之一波长以下。天线模型的等效介电常数经优化并确定后，结合选定的基底材料(填充介质片和下填充介质片)，依据A-BG等效媒质理论就可以确定本发明的通孔与整个填充介质片的体积比，再对开孔结构即孔半径和孔的数量及分布进行优化，从而完成透镜天线的设计。柱面龙伯透镜天线的最外层介质的等效相对介电常数通常低达1.4，甚至更低，对于毫米波以下的频率，通常的打孔等效介质填充是可以实现的。但是对于毫米波频段在保证孔径低于十分之一波长的前提下，需要打的孔的数目过多，孔的分布过于密集，以至于无法加工实现。在这种情况下，在天线设计过程中往往退而求其次，采用工艺复杂的发泡技术来实现低介电常数材料的制备。由于发泡技术的限制，也就直接导致天线的口径不能太大，故而天线的增益不高，波束不够窄。而采用本发明的上下填充介质片的介质填充方式(上下填充介质片分别分布n层具有不同分布密度的通孔，而与下填充介质片的第n+1及其以后的各层通孔所在的圆环的对应位置的则为空气，即当上填充介质片的最外层为空气时，在下填充介质片的对应位置则为介质填充，则可以通过打孔技术来完成透镜天线最外层低介电常数层的等效。例如设计的工作在V频段的柱面龙伯透镜天线在最外层需要的等效介电常数为1.4，基底材料采用相对介电常数为低达2.2的微波基片，利用上述的A-BG等效煤质理论，在传统的打孔方案中孔径最大为0.5mm，此时孔与孔边缘间距为0.08mm，显然这是加工难以实现的，如果采用本发明的上述介质填充方式，因上填充介质片在柱面龙伯透镜天线的最外层位置为空气(等效介电常数为1.4)，此时下填充介质片的等效相对介电常数只需为1.85，加工孔径为0.5mm时，孔与孔边缘间距为0.43mm，这样加工就很容易实现。

进一步的，弧形馈源阵沿柱面龙伯透镜的焦点所在圆周排列，当馈源辐射的电磁波入射到柱面龙伯透镜上，在平行板波导的限制作用下，经过柱面龙伯透镜的层层折射，以平面波形式出射，方位面波束得到汇聚，形成窄波束。另外，弧形馈源阵的各馈源可以采用开口脊波导天线做馈源，各馈源沿沿柱面龙伯透镜的焦点所在圆周排列。优选的，采用3个开口脊波导馈源构成本发明的弧形馈源阵，且相邻开口脊波导馈源的间距为1.5°，通过对相邻馈源的依次激励，可以实现在方位面宽角范围内的3dB波束覆盖。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：不仅加工简单，而且实现了低剖面、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，尤其是毫米波高频段以及需要轴向组阵的应用场合。

附图说明

图1为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线的三维结构图；

图2为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线的俯视图和侧视图；

图3为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线的上下填充介质片的俯视图和侧视图；

图4为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线采用开口脊波导做馈源的驻波比；

图5为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线的方位面辐射方向图；

图6为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线的俯仰面辐射方向图；

图7为具体实施方式中，本发明的柱面龙伯透镜天线的0°、+1.5°和-1.5°方向三个馈源依次激励时在方位面形成的3个波束交叠的方向图。

其中，1——弧形馈源阵，2——弧形金属反射挡板，3——上金属盖板，4——下金属盖板，5——下填充介质片，6——上填充介质片，11——第1层等效介电常数层、12——第2层等效介电常数层、13——第3层等效介电常数层、14——第4层等效介电常数层、15——第5层等效介电常数层、16——第6层等效介电常数层、21——通孔。

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。

参见图1、图2和图3，本发明的柱面龙伯透镜天线包括位于上金属盖板3和下金属盖板4之间的柱面龙伯透镜，由3个开口脊波导馈源(相邻馈源间间距为1.5°，以实现天线多波束在3dB波束宽度内交叠)沿柱面龙伯透镜的焦点所在圆周排列所构成的弧形馈源阵1，以及位于柱面龙伯透镜的非辐射口径上的弧形金属反射挡板2(可以有效地降低天线辐射方向图的前后比)，不同半径的圆形上填充介质片6和下填充介质片5，即上下填充介质片为同心圆结构。其中上下填充介质片可以使用现成的低损耗微波基片作为柱面龙伯透镜天线填充介质的基底材料。微波基片具有使用频率范围广、损耗低、材料强度高，韧性好以及易加工等特点，解决了天线批量加工的问题。下填充介质片5直径为36倍波长，上填充介质片6的直径为30倍波长，其中下填充介质片5由圆心向外分布有6层具有不同分布密度的通孔21，上填充介质片6分布有5层具有不同分布密度的通孔，且上下填充介质片的前5层的通孔密度一一对应相同。

为了使本发明的柱面龙伯透镜天线结构更加紧凑以及组装更加方便，可利用精密数控机床、铣床在弧形金属反射挡板2上直接加工出3个开口脊波导馈源。上金属盖板3和下金属盖板4具有相同的外形，都是由两个具有不同半径的圆弧拼接而成，其中一个的半径圆弧为130°，另一个的半径圆弧为230°，上述上金属盖板3和下金属盖板4的形状使得在不影响天线辐射性能的前提下有助于进一步提高天线的结构紧凑性。当然本发明的柱面龙伯透镜天线的上下金属盖板尺寸及形状不局限于上述具体数值，可根据实际情况进行对应设置。

参见图3，本发明的柱面龙伯透镜天线的上下填充介质片的结构为：上下填充介质片以去除两面铜皮的厚度为0.787mm的低损耗微波基片为基底材料，以A-BG等效煤质理论为准则，采用打孔等效技术来获取沿柱面龙伯透镜的径向所需要的相对介电常数。本具体试试方式中，共设计了6层等效介电常数层11、12、13、14、15、16，通过在基底材料上钻出合适数目且分布均匀的通孔21来实现，其中各通孔21的孔径为0.5mm。即本发明的柱面龙伯透镜的填充介质分为上下两层，采用低损耗微波基片作为基底材料，从圆心向外，上填充介质片6依次包含第1层等效介电常数层11、第2层等效介电常数层12、第3层等效介电常数层13、第4层等效介电常数层14、第5层等效介电常数层15；下填充介质片5依次包含第1层等效介电常数层11、第2层等效介电常数层12、第3层等效介电常数层13、第4层等效介电常数层14、第5层等效介电常数层15、第6层等效介电常数层16。

图4为本发明的柱面龙伯透镜天线中3个开口脊波导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1.6。

图5和图6是基于本发明的柱面龙伯透镜天线的单个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，3dB波束宽度为1.6°。HFSS仿真结果显示增益达到20.5dBi。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波瓣宽度约为40°。在主辐射方向，方位面和俯仰面上的交叉极化电平均低于-35dB。

图7为本发明的柱面龙伯透镜天线中3个馈源依次激励时在方位面形成的3个波束，依次激励时可以在方位面实现波束扫描。相邻馈源间间隔1.5°，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1.6°，相邻波束在2.8dB点交叠。若增加馈源数量即可完成方位面内更宽范围的波束覆盖。

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 (10)

1.基于新型介质填充方式的极低剖面柱面龙伯透镜天线，包括位于上金属盖板(3)和下金属盖板(4)之间的柱面龙伯透镜、弧形馈源阵(1)，以及位于柱面龙伯透镜的非辐射口径上的弧形金属反射挡板(2)，其特征在于，所述柱面龙伯透镜包括具有不同半径的上填充介质片(6)和下填充介质片(5)，且上填充介质片的半径小于下填充介质片，上填充介质片(6)由圆心向外分布n层具有不同分布密度的通孔，下填充介质片(5)由圆心向外分布m层具有不同分布密度的通孔，其中m大于n，且下填充介质片(5)和上填充介质片(6)的前n层的等效介电常数一一对应相同。

2.如权利要求1所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，上填充介质片(6)和下填充介质片(5)不同密度的通孔的层数关系为：m＝n+1。

3.如权利要求1或2所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，弧形馈源阵(1)柱面龙伯透镜的焦点所在圆周排列。

4.如权利要求3所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，弧形馈源阵(1)包括多个沿柱面龙伯透镜的焦点所在圆周排列的开口脊波导馈源。

5.如权利要求4所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，开口脊波导馈源的个数为3个，相邻开口脊波导馈源的间距为1.5°。

6.如权利要求1或2所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，上填充介质片(6)的直径为30倍波长、下填充介质片(5)的直径为36倍波长。

7.如权利要求1或2所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，上填充介质片(6)包括5层通孔、下填充介质片(5)包括6层通孔。

8.如权利要求1或2所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，上金属盖板(3)、下金属盖板(4)的形状为两个具有不同半径的圆弧拼接而成，其中一个半径圆弧为130°，一个半径圆弧为230°。

9.如权利要求1或2所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，上填充介质片(6)和下填充介质片(5)上分布的通孔为圆柱形通孔。

10.如权利要求1或2所述的柱面龙伯透镜天线，其特征在于，上填充介质片(6)和下填充介质片(5)的材料为低损耗微波基片。