CN107275788B - 一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线 - Google Patents

一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线，俯仰面波束宽度达到104°，并实现了方位面±60°扫描。其结构包括:位于上金属平板(1)与下金属平板(2)之间的柱面龙伯透镜；位于柱面龙伯透镜焦线上的弧形馈源阵(3)；位于透镜辐射口径上按照圆周排列的金属微扰结构(5)。所述柱面龙伯透镜包括圆柱形填充介质片(4)，填充介质片以低损耗微波基片作为基底材料，并由内向外按照同心圆结构分为五层，每层上具有不同密度的通孔，通孔填充介质为空气。本发明不仅轻量化、加工简单，大大提升了俯仰面波束宽度，并且同时实现了水平面的宽波束扫描范围，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

一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别涉及宽角扫描的透镜天线系统，具体来说是一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线，可用于要求宽角扫描的电子平台。
背景技术
多波束天线(MBA)作为现代天线的一个重要分支，由于其具有副瓣电平低、波束宽度窄、增益高以及波束覆盖范围广等优点，现已被广泛的应用于雷达系统、电子对抗以及卫星通信等技术领域。
目前最为常见的多波束天线主要有三大类：多波束反射面天线、多波束相控阵天线、多波束透镜天线。随着毫米波通信系统的高速发展，在舰载，机载以及基站系统中对于天线的扫描以及波束覆盖能力的要求越来越高。在毫米波频段，T/R组件价格昂贵，高成本以及扫描时的增益损失问题成为了传统相控阵天线的主要瓶颈；而反射面天线由于其机械扫描的原理，在扫描速度上存在很大缺陷；相比之下透镜天线具有工作频带宽，波束覆盖范围广以及波束一致性优秀，对恶劣条件抵抗性较高等优点，并且伴随着天线工作频带的提高以及近年来新型低损耗介质材料的出现，使得透镜天线的体积、重量大大缩小，口径效率也得到大幅提高，使得多波束透镜天线与另外两种多波束天线相比具有相当明显的优势，同时也引起了众多天线工程师们的广泛关注。
近年来，国内外天线领域进行了许多关于龙伯透镜天线的研究与设计。在IEEETrans.Antennas and Propag.,2007,55,(8),pp.2147-2156上发表的Fan-BeamMillimeter-Wave Antenna Design Based on the Cylindrical Luneberg Lens一文中设计了一个基于部分介质填充中心频率为30GHz的柱面龙伯透镜，通过对平行板间介质填充部分高度随半径的连续变化来满足龙伯定律的折射率要求。该文所设计的透镜，副瓣电平为-17.7dB，方位面波束宽度为6.6°，具有良好的辐射性能，但该透镜俯仰面波束宽度仅为54°，在很多应用场景下并不能满足宽波束覆盖范围的要求。
在公开号为CN105470659A的专利中，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，通过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实现了天线的轻量化。该专利中的透镜方位面波束宽度为12°，单层透镜可以实现水平方向120°波束扫描，三层可以实现水平全向扫描，增益为14.5dB，俯仰面波束宽度为70°，相比于相控阵天线普遍±40～50°的波束覆盖范围依然存在很大的劣势。
在公开号为CN105470660A的专利中，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。该透镜具有不同半径的上填充介质片和下填充介质，且上填充介质片的半径小于下填充介质片，上、下填充介质片各具有n，m层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。该专利所公开的龙伯透镜忽略金属平板厚度，具有1.575mm的极低剖面结构，增益为20.6dBi，方位面波束宽度为1.6°，虽然采用了极低剖面的结构设计显著减小了俯仰面口径大小，但俯仰面波束宽度并未得到改善，仅为40°。
随着通信系统的飞速发展，低成本与宽波束覆盖范围渐渐成为了雷达以及卫星通信系统天线设计中最重要的参数指标。由于通过开关切换方式进行波束电扫描，龙伯透镜天线在成本以及扫描速度上都具有巨大的优势，而在其俯仰波束宽度上并没有足够优秀的表现，这是目前柱面龙伯透镜天线设计中的一大瓶颈，也是影响其波束覆盖范围的主要因素。但对于柱面龙伯透镜的俯仰波束覆盖能力，目前还没有相应研究或者专利对其进行改善。
发明内容
本发明的发明目的在于：针对柱面龙伯透镜俯仰波束覆盖能力差的问题，以及提升柱面龙伯透镜俯仰波束覆盖范围的迫切需求而提出一种基于金属微扰结构的扇形波束柱面龙伯透镜天线。
本发明的基于金属微扰结构的扇形波束柱面龙伯透镜天线包括位于上、下金属平板之间的柱面龙伯透镜，弧形结构馈源阵，金属微扰结构。其中位于两块金属平板之间的柱面龙伯透镜由圆柱形填充介质片组成，按照同心圆结构分为五层，每层透镜优选采用相同基底材料，也可采用不同基底材料，并在基底材料上开孔，且五层透镜上开孔的孔密度由外到内依次变大，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，并且馈源阵面与柱面龙伯透镜表面距离略小于透镜焦距；金属微扰结构固定于透镜出射口径的两块金属平板之间，按照圆周排列。
本发明不仅轻量化、加工简单，并且同时实现了水平面与俯仰面宽波束覆盖范围，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：
Figure BDA0001339472980000031
其中εeff为混合材料的等效介电常数，εi为填充材料的介电常数，εh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，基底材料的介电常数对应εh，在基底材料介质片上开通孔，各通孔所填充材料均为空气。
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，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，再对开孔结构即孔径和、孔密度及分布进行优化，从而完成透镜天线的设计。
弧形结构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折射，最终在辐射口径上以平面波形式出射，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，各馈源在柱面龙伯透镜的非辐射口径上按照圆周排列，并且馈源阵面与柱面龙伯透镜表面距离略小于透镜焦距。经验证，在保证天线方位面辐射性能不受影响的情况下，可以通过此种略微失焦的方式对俯仰面波束进行展宽。优选的，采用17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7.5°，通过对相邻馈源的依次激励，可以实现在方位面±60°范围内的3dB波束覆盖。
金属微扰结构单元优选采用金属薄片，也可由其他形式代替，沿柱面龙伯透镜出射口径的金属平板内按圆周排列，间隔角度与单元具体尺寸根据透镜实际分层以及几何尺寸进行优化。上述金属微扰结构在辐射口面上对不同位置出射波产生不同程度的相移量，从而改变透镜等效口径上的场分布，由此可以实现俯仰面波束展宽效果。
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，轻量化，而且实现了俯仰波束覆盖范围的展宽，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，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线的三维结构图；
图2为具体实施方式中，本发明的扇形波束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，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线的填充介质片的俯视图；
图4为具体实施方式中，本发明的扇形波束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，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线扫描0°时的方位面方向图；
图6为具体实施方式中，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线扫描0°时的俯仰面方向图；
图7为具体实施方式中，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线扫描60°时的方位面方向图；
图8为具体实施方式中，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线扫描60°时方位面和俯仰面方向图；
图9为具体实施方式中，本发明的扇形波束柱面龙伯透镜天线-60°到+60°扫描角度内各馈源在方位面形成的波束交叠方向图。
其中，1——上金属平板，2——下金属平板，3——弧形馈源阵，4——填充介质片，5——金属微扰结构，6——第1等效介电常数层，7——第2等效介电常数层，8——第3等效介电常数层，9——第4等效介电常数层，10——第5等效介电常数层，11——通孔。
具体实施方案
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上金属平板1和下金属平板2；由17个开口脊波导馈源(相邻馈源间间距为7.5°，以实现天线多波束在3dB波束宽度内交叠)在柱面龙伯透镜非辐射口径上按圆周排列构成的弧形馈源阵3；填充于两金属平板中间的圆柱形介质片4；沿透镜出射口径按圆周分布的金属微扰结构5，。上金属平板1和下金属平板2具有相同的外形，都是由两个具有不同半径与张角的扇形拼接而成，其中位于非辐射口径的扇形部分张角为125°，半径较小，并与弧形馈源阵金属壁集成，另一个位于辐射口径的扇形部分张角为235°，适当选取该扇形部分半径大小，可以有效的扩展柱面龙伯透镜的俯仰面波束宽度。上述上金属平板2和下金属平板2的形状使得在不影响天线辐射性能的前提下有助于提高天线的结构紧凑性与俯仰面波束覆盖范围。当然本发明的柱面龙伯透镜天线的上下金属平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。弧形馈源阵3阵面与柱面龙伯透镜表面距离略小于透镜焦距，该措施可以在不影响方位面方向图性能的情况下，有效地提升柱面龙伯透镜俯仰波束宽度。金属微扰结构5在透镜辐射口径的上下金属平板1、2之间按照圆周排列，微扰结构优选为金属薄片形式，也可由金属圆柱或其他形式代替，单元大小，间隔角度可根据实际情况选取。
参见图3，本发明的柱面龙伯透镜天线的填充介质片4直径为8.8倍波长，以去除两面铜皮的厚度为1.575mm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。本具体实施方法中，共设计了5层等效介电常数层6，7，8，9，10，通过在基底材料上钻出合适数目且分布均匀的通孔11来实现，其中各通孔11的孔径为0.5mm。
图4为本发明的柱面龙伯透镜天线中开口脊波导馈源激励时的驻波比，可以看出在工作频段内(频段下限为fL，上限为fH)天线馈源的驻波系数均小于2.0。
图5和图6是基于本发明的柱面龙伯透镜天线的扫描0°(即不扫描)时的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聚焦性能良好，3dB波束宽度为8.5°。HFSS仿真结果显示增益达到15.5dBi。俯仰面3dB波瓣宽度约为104°，远远超出其他目前已公开、发表的柱面龙伯透镜。在主辐射方向，方位面和俯仰面上的交叉极化电平均低于-40dB。
图7和图8是基于本发明的柱面龙伯透镜天线的扫描60°时的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聚焦性能依然良好，3dB波束宽度为8.3°。HFSS仿真结果显示增益为15.2dBi，相比于不扫描情形，增益降低不超过0.5dBi。俯仰面3dB波瓣宽度依旧保持在102°，充分展示了本发明基于金属微扰结构的柱面龙伯透镜的优秀的波束覆盖性能。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9为本发明的柱面龙伯透镜天线中17个馈源依次激励时在方位面形成的17个波束交叠图，依次激励时可以在方位面实现波束扫描。相邻馈源间间隔7.5°，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8°，相邻波束在2.7dB点交叠，单片透镜总共覆盖水平方向120°范围，若采用三层透镜形式则可实现水平方向的全向扫描。
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 (3)

1.一种基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线，包括位于上金属平板(1)和下金属平板(2)之间的柱面龙伯透镜，弧形结构馈源阵(3)，填充于两金属平板中间的圆柱形介质片(4)，金属微扰结构(5)；其特征在于，所述柱面龙伯透镜圆柱形介质片(4)分为五层，每层透镜优选采用相同基底材料，也可采用不同基底材料，并在基底材料上开孔，孔中填充介质为空气，且五层透镜上开孔的孔密度由外到内依次变大；金属微扰结构(5)为在透镜辐射口径的上金属平板(1)和下金属平板(2)间按照圆周排列的金属薄片组成。
2.根据权利要求1所述的基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线，其特征还在于，由17个开口脊波导所构成的弧形馈源阵(3)在柱面龙伯透镜的非辐射口径上按照圆周排列，弧形馈源阵面位于柱面龙伯透镜外表面与焦面之间。
3.根据权利要求1所述的基于金属微扰结构的毫米波扇形波束柱面龙伯透镜天线，其特征还在于，上金属平板(1)、下金属平板(2)在柱面龙伯透镜的辐射口径上向外延展五倍波长。
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