CN107093802A - 口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，涉及基本电气元件及通信技术领域。该透镜天线包括金属制成的喇叭、介质制成的渐变折射率透镜及平行于电场方向插入喇叭外壁的金属薄片，渐变折射率透镜放置于天线口面处，渐变折射率透镜包括在波传播方向上前后排列的两部分透镜，每部分透镜均包括两匹配层及压合在两匹配层之间的核心层，且每部分透镜的折射率分布仅随一个轴方向变化，实现了天线口径面幅度和相位的均匀分布，提高了天线的增益和口面效率。

Description

口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线
技术领域
本发明公开了口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，涉及基本电气元件以及通信技术领域。
背景技术
透镜天线因其高性能在通信领域广泛应用，渐变折射率透镜是一种常用的透镜，一般的透镜天线主要通过改变天线口径面上的相位分布来改变天线性能，如将渐变折射率透镜用来设计高增益天线就是使天线口径面上波的相位均匀分布，在天线体积一定的前提下，仅改变透镜天线的相位分布，口面效率有所提高但难以达到90%以上。目前，尚未有学者提出通过改变天线口径面上幅度分布的方式来进一步提高天线的增益。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供了一种口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，实现了透镜天线口径面上相位和幅度的均匀分布，进一步提高了天线增益，解决了如何在透镜天线体积一定的前提下提高口面效率的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，包括金属制成的喇叭和介质制成的渐变折射率透镜，渐变折射率透镜放置于天线口面处，渐变折射率透镜包括在波传播方向上前后排列的两部分透镜，每部分透镜均包括两匹配层及压合在两匹配层之间的核心层，且每部分透镜的折射率分布仅随一个轴方向变化。
作为高增益透镜天线的进一步优化方案，两部分透镜分别通过在介质上打空气通孔形成，每部分透镜上空气通孔的直径根据每部分透镜的等效折射率调整。
进一步的，高增益透镜天线还包括平行于电场方向插入所述喇叭外壁的金属薄片。
作为高增益透镜天线的更进一步优化方案，金属薄片插入所述喇叭中部的外壁。
作为高增益透镜天线的进一步优化方案，金属制成的喇叭为矩形角锥喇叭。本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明通过包含2部分透镜的渐变折射率透镜分别调整一个轴方向上的折射率分布，通过调整空气通孔直径来改变渐变折射率透镜不同位置上的等效折射率进而实现渐变折射率透镜各位置上通过的波形的相位延迟，通过在喇叭外壁插入金属薄片的方式实现口径面上幅度的均匀分布，在所涉及的工作频带内进一步提高了透镜天线的增益和口面效率；
（2）与传统透镜天线相比，本申请公开的高增益透镜天线通过插入喇叭外壁金属薄片即可实现阻抗匹配，不需要进行额外的阻抗匹配。
附图说明
图1(a)至图1(d)为本发明公开的透镜天线的结构示意图；
图2(a)、图2(b)分别为本发明公开的透镜天线的口径面上的相位分布和幅度分布；
图3(a)为渐变折射率透镜匹配层和核心层的折射率分布图，图3(b)渐变折射率透镜一部分的结构示意图，图3(c)为渐变折射率透镜两部分的等效折射率分布图；
图4为本发明公开的透镜天线的S11参数的仿真结果和实验结果；
图5(a)为本发明公开的透镜天线的增益曲线和传统透镜天线的增益曲线，图5(b)为本发明公开的透镜天线的口面效率曲线和传统透镜天线的口面效率曲线，图5(c)、图5(d)为本发明公开的天线在频率为14.25GHz时的远场方向图。
图中标号说明：1、喇叭，2、金属薄片，3、渐变折射率透镜。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本发明公开的口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线如图1(a)至图1(d)所示，包括：金属制成的喇叭1、插入喇叭1外壁的金属薄片2、在天线口面上放置的渐变折射率透镜3。
金属薄片2垂直于天线E面（即，平行于电场方向）的方向放置，将渐变的喇叭腔体中的一部分区域分成两个等大的小口径波导，相对于原喇叭腔体所支持的模式而言，小波导支持的导波模式的频率更高，且因为两个小波导等大，可以等效看成原喇叭腔体支持2阶模式，假定输出功率不变，2阶模式有两个最大值，根据能量守恒可知2阶模式的每一个最大值都会比基模的最大值小，从而得到更均匀的幅度分布。
渐变折射率透镜3由相同的A和B两部分透镜组成，每部分透镜又有三层，其中，边上两层是匹配层，中间是核心层，采用1/4波长阻抗变换的原理使核心层与空气阻抗匹配，为实现口径面上相位的均匀分布，需对A、B两部分透镜的折射率分布进行设计。普通天线口径面上的波等效为由一个点源辐射出来的波，本发明公开的透镜天线在插入金属薄片后，口径面上的波等效为两个点源相干涉形成的波，这使得本申请涉及透镜天线的口径面相位分布的计算比普通喇叭复杂。为了简化设计，首先获取加透镜之前天线口径面上的相位分布，然后用数值仿真得到相位分布计算相位差，从而计算出透镜的折射率分布。为了方便不同轴方向上折射率分布的分别调整，本发明设计A部分透镜的折射率分布随x轴方向变化而不随y轴方向变化，设计B部分透镜的折射率分布随y轴方向变化而不随x轴方向变化，通过改变渐变折射率透镜不同位置上的等效折射率来改变各位置上通过的波形的相位延迟，从而修正入射波的相位差，使出射波在口径面上实现均匀的相位分布。如果要获得更宽的带宽，可以采用更多匹配层使核心层与空气阻抗匹配，但是这会增加设计和优化的复杂度。
如图2(a)、图2(b)所示，插入金属薄片并附加上渐变折射率透镜之后，透镜天线口径面上x轴和y轴上的幅度a_x和a_y以及透镜天线口径面上x轴和y轴上的相位p_x和p_y都均匀分布。
渐变折射率透镜A部分匹配层和核心层折射率分布曲线x_MC和x_ML以及B部分匹配层和核心层折射率曲线y_MC和y_ML拟涉及为如图3(a)所示的折射率分布。如图3(b)所示通过在介质上打空气通孔的方式形成渐变折射率透镜，通过调整空气通孔的直径d使介质材料获得不同的等效折射率，等效折射率与通孔直径d的关系如图3(c)所示。将本发明公开的透镜天线放在一个暗室中进行性能测试，由图4所示的S11参数测试结果和仿真结果可知，本发明公开的透镜天线在11GHz到15GHz的频段范围内，回波损耗均小于-10dB。
由图5(a)、图5(b)可见，本发明公开的透镜天线在13.5GHz至15GHz的频段内拥有比传统天线更高的增益和口面效率，增益和口面效率最高的频率点在14.25GHz时，天线在频率为14.25GHz时增益的仿真结果为26.6dB、口面效率仿真结果为93%，天线在频率为14.25GHz时增益的测试结果为26.5dB。天线在频率为14.25GHz时的远场方向图如图5(c)和图5(d)所示，仿真与实验的远场结果很接近。通过调整喇叭、金属薄片和渐变折射率透镜的尺寸能够使透镜天线工作在不同频段。

Claims (5)

1.口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，包括金属制成的喇叭（1）和介质制成的渐变折射率透镜（3），所述渐变折射率透镜（3）放置于天线口面处，其特征在于，所述渐变折射率透镜（3）包括在波传播方向上前后排列的两部分透镜，每部分透镜均包括两匹配层及压合在两匹配层之间的核心层，且每部分透镜的折射率分布仅随一个轴方向变化。
2.根据权利要求1所述口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，其特征在于，所述两部分透镜分别通过在介质上打空气通孔形成，每部分透镜上空气通孔的直径根据每部分透镜的等效折射率调整。
3.根据权利要求1或2所述口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，其特征在于，所述高增益透镜天线还包括平行于电场方向插入所述喇叭外壁的金属薄片（2）。
4.根据权利要求3所述口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，其特征在于，所述金属薄片（2）插入所述喇叭中部的外壁。
5.根据权利要求1所述口径面相位和幅度均匀分布的高增益透镜天线，其特征在于，所述金属制成的喇叭（1）为矩形角锥喇叭。
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