CN105789907A - 基于e面和h面分离校准的波束可调透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，用于解决现有透镜天线存在的辐射方向图单一的技术问题，包括透镜、辐射器和固定架；透镜包括H面校准透镜和E面校准透镜，该两个透镜均由数量可变、介电常数可变的多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；辐射器包括馈源和平板波导；平板波导的一端安装H面校准透镜，另一端H面校准透镜的焦点处安装馈源，固定架将H面校准透镜固定在E面校准透镜的焦点处；H面校准透镜中的多个介质单元的排列方向与其中心和馈源的连线垂直，E面校准透镜的多个介质单元沿竖直方向排列。本发明有效地扩展了天线波束的覆盖范围，可用于数据通信和搜索探测等领域。

Description

基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，通过有效组合两个二维平板透镜并调整透镜中介质单元的数量或介电常数，实现辐射方向图波束宽度的多尺度调节。

技术背景

透镜是结构简单并且能够快捷地通过相位调节实现波束校准的光学元件，可用来调节天线辐射电磁波的波前相位，有效控制天线的辐射特性。如传统透镜天线中的凸透镜，采用均匀介质透镜，可以将球面波变换成平面波。与传统均匀介质透镜天线通过改变透镜形状设计进行相位调节不同，平板透镜则将透镜划分成多个介质单元，可以通过改变介质单元的介电常数来进行波束调节。

二维平板透镜天线通过在平板波导内放置介质透镜，实现平行于平板波导的一维波束压窄，垂直于平板波导的一维保持宽波束，有效产生扇形波束。例如ChangzhouHua于2012年在IEEEAntennasWirelessPropagationLetter，vol.11发表的题为“Millimeter-WaveFan-BeamAntennaBasedonStep-IndexCylindricalHomogeneousLens”的文章中，公开了一种基于梯度折射率的毫米波扇形波束介质透镜天线，在平板波导的上下金属板之间放置柱形介质透镜，采用线性渐变槽天线进行馈电，实现典型的扇形波束。利用二维平板透镜轴对称旋转得到的三维介质透镜，通过在各维度上对电磁波相位校准，实现各维度等宽的笔形波束。如朱彤于2015年在《军事通信技术》第36卷1期，发表名称为“单介质高方向性平面透镜天线设计”的文章，提出一种单介质高方向性平面透镜天线，设计介电常数沿径向渐变的圆形平板透镜，通过在单一介质上打孔等效离散化的介电常数，以微带缝隙天线作为馈源，实现了高增益的笔形波束。

目前，透镜天线利用二维介质透镜实现波束校准的应用多集中在对于辐射方向图单一平面(E面或H面)进行独立校准，能实现扇形波束，或利用三维介质透镜，对波束进行全方位对称校准，能实现笔形波束。笔形波束多用于高增益的数据通信，而扇形波束则更适用于搜索探测。如果可以利用透镜天线对波束进行多尺度调节，实现从笔形波束到扇形波束的不同波束宽度可调控的设计，在目标范围内具有理想的天线波束,这将显著扩展天线的适用范围。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，用于解决现有透镜天线存在的辐射方向图单一的技术问题。通过有效组合两个二维平板透镜，并根据所需波束宽度调整校准透镜中的介质单元的数量或介电常数，利用E面和H面的分离校准，实现从扇形波束到笔形波束的多尺度波束调节。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，包括透镜和辐射器；透镜包括H面校准透镜1和E面校准透镜2，该两个透镜1和2均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；辐射器包括平板波导4；工作时，H面校准透镜1固定在水平放置的平板波导4的一端两块金属板之间，该平板波导4另一端设置有馈源3，且该馈源3位于H面校准透镜1的焦点位置，H面校准透镜1中的多个介质单元的排列方向与馈源3和H面校准透镜1中心的连线垂直；H面校准透镜1通过固定架5固定在E面校准透镜2的焦点位置，E面校准透镜2中的多个介质单元沿竖直方向排列。

上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，H面校准透镜1和E面校准透镜2中的介质单元的数量和介电常数均由所需的波束宽度确定。

上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，介质单元采用立方体结构。

上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，馈源3和H面校准透镜1中心的连线与平板波导4的中心线重合。

上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，固定架5包括多根支撑杆和两块连接板。

上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，两块连接板，其位置可根据E面校准透镜2口径随介质单元数量的变化，沿支撑杆竖直方向调节。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明由于采用的透镜包括H面校准透镜和E面校准透镜，且该两个透镜均由数量和介电常数根据所需波束宽度确定的多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成，馈源安装于H面校准透镜的焦点处，固定架将H面校准透镜固定在E面校准透镜的焦点处，H面校准透镜中的多个介质单元的排列方向与其中心和馈源的连线垂直，E面校准透镜的多个介质单元沿竖直方向排列，可根据所需的波束宽度确定两个校准透镜中的介质单元的数量或介电常数，实现从扇形波束到笔形波束的多尺度波束调节，与现有技术中透镜采用的单独的二维透镜，仅实现扇形波束，或利用二维透镜轴对称旋转得到的三维透镜仅实现笔形波束的结构相比，有效得扩大了透镜天线波束宽度的可调节范围与应用。

附图说明

图1是本发明的波束宽度调节原理示意图；

图2是本发明整体结构示意图；

图3是本发明两个校准透镜中的介质单元数量与天线增益的变化关系；

图4是本发明两个校准透镜中的介质单元数量与天线H面和E面方向图3dB波束宽度的变化关系；

图5是本发明调节两个校准透镜中的介质单元数量得到的天线H面和E面的方向图；

图6是本发明透镜介质单元的介电常数变化与天线增益的变化关系；

图7是本发明透镜介质单元的介电常数变化与天线H面和E面方向图3dB波束宽度变化关系；

图8是本发明调整透镜介质单元的介电常数变化得到的天线H面和E面的方向图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步描述。

参照图1，源点O发出的球面波经过透镜可实现从球面波到平面波的转换，要将源点0处发出的球面波经过透镜变换成平面波，在透镜口径表面的场要保持相同的相位，即其中λ₀为真空中波长，ε_ri为第i个介质单元的介电常数，此时为完全校准状态，增益最高，波束最窄；未完全校准状态时，其等相位面2，介于未校准的球面波的等相位面3和完全校准的平面波的等相位面1之间，透镜对波束的校准程度越高，其等相位面的曲率越小，越接近于平面波。给定ε_r1，计算每层介电常数作用的波程差Δz_i，由公式计算出各层的相对介电常数ε_ri。

参照图2，本发明包括H面校准透镜1、E面校准透镜2、馈源3、平板波导4以及固定架5，其中H面校准透镜1和E面校准透镜2均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成，每个介质单元形状尺寸相同，均为长方体，每一个的介质单元都是可拆卸的，通过调整介质单元的数量控制透镜的口径。本实施例中，H面校准透镜1取30个介质单元，焦距为270mm，介电常数对称分布，从中心向两侧均有15个介电常数依次递减的介质单元，每个介质单元长t_H＝70mm，高15mm，每一层厚度15mm，完全校准状态时，取中心处的介质单元的介电常数ε_r1＝4.4，得到一组递减变化的介电常数如下ε_r2＝4.34，ε_r3＝4.24，ε_r4＝4.09，ε_r5＝3.91，ε_r6＝3.69，ε_r7＝3.43，ε_r8＝3.15，ε_r9＝2.85，ε_r10＝2.53，ε_r11＝2.21，ε_r12＝1.89，ε_r13＝1.58，ε_r14＝1.28，ε_r15＝1。

E面校准透镜2取16个介质单元，焦距为105mm，介电常数对称分布，从中心向两侧均有8个介电常数依次递减的介质单元，每个介质单元的长t_E＝45mm，宽240mm，每一层厚度15mm，完全校准状态时，取中心处的介质单元的介电常数ε_r1＝4.4，得到一组递减变化的介电常数如下ε_r2＝4.13，ε_r3＝3.77，ε_r4＝3.27，ε_r5＝2.71，ε_r6＝2.11，ε_r7＝1.53，ε_r8＝1。

根据天线的中心频率选择馈源3的型号，本实施例中天线的中心频率设置为f＝10GHz，选择的馈源型号为WR90。

平板波导4的上下金属板均采450mm×340mm的矩形铜材,上下金属平板之间的距离为15mm。

固定架5由固定在平板波导4上下表面的4根支撑杆，以及两个连接板构成，四根支撑杆半径5mm，高度117mm，距离平板波导安装馈源的一侧边缘90mm，距离平板波导平行于z轴的一侧边沿65mm，支撑杆表面设置有螺纹；连接板为直角U型金属板，宽度为40mm，直角U型连接板外边沿z方向长度390mm，外边沿y方向长度为360mm，直角U型连接板在拐角中心有半径5mm的圆孔，通过圆孔与杆连接，并用螺母固定。

工作时，H面校准透镜1固定在水平放置的平板波导4的一端两块金属板之间，该平板波导4另一端设置有馈源3，且该馈源3位于H面校准透镜1的焦点位置，H面校准透镜1通过固定架5固定在E面校准透镜2的焦点位置，平板波导4的中心线与馈源3和H面校准透镜1中心的连线重合；H面校准透镜1的多个介质单元的排列方向平行于y轴，E面校准透镜2的多个介质单元的排列方向平行于x轴；固定架5的连接板在支撑杆上的高度可以根据需要进行调节，适应E面校准透镜2的口径随介质单元个数的变化，保证始终将H面校准透镜1固定到E面校准透镜2的焦点位置，且E面校准透镜2的对称中心与H面校准透镜1的对称中心在一条平行于z轴的直线上。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果作进一步详细描述。

1仿真条件：采用CSTMicrowaveStudio电磁仿真软件

2仿真内容：

1)机械调整透镜的口径，H面校准透镜和E面校准透镜的介电常数分别取完全校准状态时的一组递减变化的介电常数，并记为u₁和v₁；记m是H面校准透镜中介质单元个数的一半，n是E面校准透镜中介质单元个数的一半，改变m，n，取m＝15、m＝14、m＝13、m＝12、m＝11、m＝10、m＝9、m＝8、m＝7、m＝6，取n＝8、n＝7、n＝6、n＝5、n＝4、n＝3，对多组口径的透镜组合天线模型的增益、E面方向图3dB波束宽度和H面方向图3dB波束宽以及E面方向图增益与H面方向图增益进行仿真，仿真结果分别如图3、图4和图5所示。

2)调整透镜的介电常数，H面校准透镜和E面校准透镜中的多个介质单元的个数固定，取m＝15，n＝8；完全校准状态时，取中心处的介质单元介电常数ε_r1＝4.4，得到一组递减变化的介电常数记u₁{ε_r1～ε_r15}，非完全校准状态时，校准程度依次降低，ε_r1分别取4.0、3.2、2.65和2.2，对应的介电常数递减变化分别记为u₂、u₃、u₄和u₅。E面校准透镜取16个介质单元，取中心处的介质单元介电常数ε_r1＝4.4，得到一组递减变化的介电常数记v₁{ε_r1～ε_r8}，非完全校准状态时，校准程度依次降低，ε_r1分别取3.9、3.6、3.0和2.02，计算得到对应的介电常数递减变化分别记为v₂、v₃、v₄和v₅。对H面校准透镜1中介质单元的不同介电常数递减变化{u₁,u₂,u₃,u₄,u₅}和E面校准透镜2的介质单元的不同介电常数递减变化{v₁,v₂,v₃,v₄,v₅}的多组组合透镜天线模型的增益、E面方向图3dB波束宽度和H面方向图3dB波束宽度以及E面方向图增益与H面方向图增益进行仿真，仿真结果如图6、图7和图8所示。

3仿真结果

参照图3，x轴表示H面校准透镜中介质单元个数的一半即m的变化，y轴表示E面校准透镜中介质单元个数的一半即n的变化，z轴表示天线增益，m从6到15变化，n从3到8变化，天线增益曲面为沿m、n增大的方向上升的斜面。从仿真结果可以看出，通过任意组合不同口径的H面校准透镜和E面校准透镜，天线方向图的增益随介质单元个数的增大而增大，因此通过任意组合不同层数介质单元的H面校准透镜1和E面校准透镜2，可任意调整天线的增益大小。

参照图4，x轴表示H面校准透镜中介质单元个数的一半即m的变化，y轴表示E面校准透镜中介质单元个数的一半即n的变化，z轴表示方向图3dB波束宽度，图4(a)中，天线H面方向图3dB波束宽度随m、n的变化关系是随m增大而降低的斜面，在x轴取定值时，斜面高度随y轴基本不变。从仿真结果可以看出，增加H面校准透镜的口径，H面方向图的主瓣明显变窄，增加E面校准透镜的口径，H面方向图的主瓣宽度基本不变。因此，通过改变H面校准透镜的口径，我们可以任意调整方向图波束在H面的宽度。图4(b)中，天线E面方向图3dB波束宽度随m、n的变化关系是随n增大而降低的斜面，在y轴取定值时，斜面高度随x轴基本不变。从仿真结果可以看出，增加H面校准透镜的口径，E面方向图的主瓣宽度基本不变，增加E面校准透镜的口径，E面方向图的主瓣变窄。因此，通过改变E面校准透镜的口径，我们可以任意调整方向图波束在E面的宽度。

参照图5，x轴表示二维方向图的角度，y轴表示二维方向图的增益，图5(a)中4条曲线分别表示m＝15，n＝8；m＝15，n＝3；m＝6，n＝8；m＝6，n＝3四组不同口径的透镜天线的H面方向图，m取定值，n增大，曲线的主瓣宽度基本一致，高度随n增大而增大，n不变，m增大，曲线的主瓣变窄，高度增大。图5(b)中4条曲线分别表示m＝15，n＝8；m＝15，n＝3；m＝6，n＝8；m＝6，n＝3四组不同口径的透镜天线的E面方向图，m取定值，n增大，曲线的主瓣变窄，高度增大，n不变，m增大，曲线的主瓣宽度基本不变，高度增大。从仿真结果可以看出，增加H面校准透镜的口径，E面方向图的主瓣宽度基本不变，增加E面校准透镜的口径，E面方向图的主瓣变窄。

参照图6，x轴表示H面校准透镜中介质单元的介电常数递减变化，y轴表示E面校准透镜中介质单元的介电常数递减变化，z轴表示天线增益，U从u₅到u₁变化，V从v₅到v₁变化，天线增益曲面为随x轴y轴同时单调变化的斜面。从仿真结果可以看出，校准程度越高，增益越高，U＝u₁V＝v₁时，完全校准成平面波时，其增益最高，因此可通过调节透镜的校准程度来任意调节天线的增益。

参照图7，x轴表示H面校准透镜中介质单元的介电常数递减变化，y轴表示E面校准透镜中介质单元的介电常数递减变化，z轴表示透镜天线波束的主瓣宽度，图7(a)中，天线H面方向图3dB波束宽度随x轴单调变化的斜面，在x轴取定值时，斜面高度随y轴基本不变。从仿真结果可以看出，U从u₁到u₅变化，V从v₁到v₅变化，透镜介质单元的介电常数变化与天线H面波束宽度曲面图7(a)是随U从u₁到u₅变化而增加的坡面，随H面校准透镜介质单元的介电常数递减变化，H面方向图的波束宽度发生变化，当介电常数取u₁时，H面校准透镜实现完全校准，H面方向图的波束最窄，当介电常数依次取u₂、u₃、u₄和u₅时，H面校准透镜校准力度减小，H面方向图的波束宽度逐渐展宽；而改变E面校准透镜介电常数的递减变化对H面方向图波束宽度不产生影响。图7(b)中，天线E面方向图3dB波束宽度随y轴单调变化的斜面，在y轴取定值时，斜面高度随x轴基本不变。从仿真结果可以看出，透镜介质单元的介电常数变化与天线E面波束宽度曲面图7(b)是随V从v₁到v₅变化而增加的坡面，随E面校准透镜介质单元的介电常数递减变化，E面方向图的波束宽度发生变化，当介电常数取v₁时，E面校准透镜实现完全校准，E面方向图的波束最窄，当介电常数依次取v₂、v₃、v₄和v₅时，E面校准透镜校准力度减小，E面方向图的波束宽度逐渐展宽；而改变H面校准透镜介电常数的递减变化对E面方向图波束宽度不产生影响。

参照图8，x轴表示二维方向图的角度，y轴表示二维方向图的增益，图8(a)中4条曲线分别表示透镜取不同的校准程度的介电常数，u₁和v₁、u₁和v₂、u₂和v₁以及u₂和v₂四组不同校准程度的透镜天线的H面方向图。从仿真结果可以看出：与u₁和v₁状态相比，对H面校准透镜取u₁完全校准，E面校准透镜取v₂非完全校准时，H面辐射方向图的波束宽度基本不变，但增益降低；H面校准透镜取u₂非完全校准，E面校准透镜取v₁完全校准时，H面辐射方向图的波束宽度展宽，且增益降低。可见通过调节H面校准透镜1的介电常数的递减变化，能控制方向图H面的波束宽度。图8(b)中4条曲线分别表示透镜取不同的校准程度的介电常数，u₁和v₁、u₁和v₂、u₂和v₁以及u₂和v₂四组不同校准程度的透镜天线的E面方向图。从仿真结果可以看出：与u₁和v₁状态相比，对H面校准透镜取u₁完全校准，E面校准透镜取v₂非完全校准时，E面辐射方向图的波束宽度变宽，且增益降低；H面校准透镜取u₂非完全校准，E面校准透镜取v₁完全校准时，E面辐射方向图的波束宽度基本不变，但增益降低。可见通过调节E面校准透镜的介电常数的递减变化，能控制方向图E面的波束宽度。

Claims (6)

1.一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，包括透镜和辐射器；其特征在于：所述透镜包括H面校准透镜(1)和E面校准透镜(2)，该两个透镜(1，2)均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；所述辐射器包括平板波导(4)；工作时，所述H面校准透镜(1)固定在水平放置的平板波导(4)的一端两块金属板之间，该平板波导(4)另一端设置有馈源(3)，且该馈源(3)位于所述H面校准透镜(1)的焦点位置，所述H面校准透镜(1)中的多个介质单元的排列方向与馈源(3)和H面校准透镜(1)中心的连线垂直；所述H面校准透镜(1)通过固定架(5)固定在E面校准透镜(2)的焦点位置，所述E面校准透镜(2)中的多个介质单元沿竖直方向排列。

2.根据权利要求1所述的基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，其特征在于：所述H面校准透镜(1)和E面校准透镜(2)中的介质单元的数量和介电常数均由所需的波束宽度确定。

3.根据权利要求1所述的基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，其特征在于：所述介质单元采用立方体结构。

4.根据权利要求1所述的基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，其特征在于：所述馈源(3)和H面校准透镜(1)中心的连线，与平板波导(4)的中心线重合。

5.根据权利要求1所述的基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，其特征在于：所述固定架(5)包括多根支撑杆和两块连接板。

6.根据权利要求5所述的基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，其特征在于：所述两块连接板，其位置可根据E面校准透镜(2)口径随介质单元数量的变化，沿支撑杆竖直方向调节。