CN107369909A - 一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线 - Google Patents
一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，包括介质基板以及并列排布在介质基板上的四个天线单元，且介质基板的下表面覆铜；所述介质基板的正上方设置有能够对电磁波进行反射与折射的介质平板透镜.本发明通过调节介质平板透镜的厚度d、介质基板与介质平板透镜的间距h以及介质平板透镜的大小，能够使天线增益实现最大。本发明的主瓣增益在扫描角度为26°时相比于普通阵列天线最大能够提升3.7dB，并且最大扫描角度能够达到±30°，本发明介质平板透镜的加装成本低，操作方便，相比超材料增加同等大小天线增益本发明所需的尺寸更小，工作性能优异。
Description
技术领域
本发明涉及天线技术，具体涉及一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线。
背景技术
相控阵天线通过调整天线单元的相位差能够在其扫描角度范围内控制电磁波的波束主射方向，最早应用于探测雷达中，近年来也被广泛应用于卫星通讯领域。传统的相控阵天线在大角度扫描时，由于相控阵天线等效口面的面积变小，天线的方向性和增益都下降严重。
近年来，国内外的许多学者采用超材料覆盖的方法来扩大相控阵天线的波束扫描范围，进而提高天线的增益，但这种方法增加了设计的难度，提高了制作的成本。
目前介质平板透镜能够被用来提高天线的增益，但现有加载介质平板透镜的天线是针对电磁波垂直入射介质平板透镜的单元天线，并且在加载介质平板透镜之后天线的半功率角下降严重，因此无法用这种单元天线组成相控阵进行大角度的扫描。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，能够在Ka波段实现较宽的扫描角度，减少增益衰减，加工成本低。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
包括介质基板以及并列排布在介质基板上的多个天线单元，介质基板的上表面刻蚀有四个铜制成的单元贴片天线，且介质基板的下表面覆铜；
所述介质基板的正上方设置有能够对电磁波进行反射与折射的介质平板透镜；介质平板透镜的反射系数γ与透射系数τ分别为：
γ＝Γejψ，τ＝Tejφ
由天线单元发射电磁波入射至介质平板透镜经各级反射得到总反射系数：
根据能量守恒原理得：
T2+Γ2＝1
根据电场的表达式：
其中θn由下式确定：
f(α)是单元天线的方向函数，由于Г小于1，得：
故，电场强度的大小为：
介质平板透镜的厚度d为四分之波长，在不计损耗的情况下，计算得到的天线增益为：
考虑到介质透镜反射系数的幅度和相位都是入射角的函数，假设令入射角为10°时，天线增益取得最大值，那么由下式可以推出介质基板与介质平板透镜的间距h：
最后通过仿真优化可得到对计算得到的参数值进行进一步的优化得到介质基板与介质平板透镜的间距h以及介质平板透镜的大小的最优值；
上式中：
γ——总反射系数；γ0——第0序列波的反射系数；γ1——第一序列波的反射系数；γ2——第二序列波的反射系数；Г——总反射系数的模值；φ——反射系数的相位；τ——总透射系数；T——总透射系数的模值；ψ——透射系数的相位；Г1——由空气入射到介质中的反射系数模值；T1——由空气入射到介质中的透射系数模值；Г2——由介质入射到空气中的反射系数模值；T2——由介质入射到空气中的透射系数模值；β1——空气中的传播常数；β2——介质中的传播常数；θi——入射角；θt——折射角；θn——多次折射后的相位角；c——光速；f——中心频率；h——天线与介质平板透镜之间的距离；E——电场；α——入射角；f(α)——单元天线的方向函数；E0——假设的用来衡量电场值的一个常数。
所述的介质基板上并列排布有4个相同的天线单元，相邻天线单元中心之间的距离均为6mm；天线单元均采用长度为3.7mm、宽度为3.35mm的矩形微带贴片天线。
所述的介质基板由介电常数为2.55的Neltec NY9225材料制成。
所述介质基板的长度为50mm、宽度为21mm、厚度为0.5mm。
所述的介质平板透镜由介电常数3.55的Rogers RO4003材料制成。
所述的介质平板透镜长度为46mm、宽度为19mm、厚度为1.5mm。
所述的介质基板与介质平板透镜之间的间距h为6.8mm。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：通过在介质基板的正上方设置能够对电磁波进行反射与折射的介质平板透镜，电磁波入射在介质平板透镜上时会产生反射波与透射波，通过调节介质平板透镜的厚度d、介质基板与介质平板透镜的间距h以及介质平板透镜的大小，能够使天线增益实现最大。经实测，相控阵列在波束扫描，尤其是在大角度扫描时，本发明的主瓣增益在扫描角度为26°时相比于普通阵列天线最大能够提升3.7dB，并且最大扫描角度能够达到±30°。此外，介质平板透镜的加装成本低，操作方便，相比超材料增加同等大小天线增益本发明所需的尺寸更小，能够缩小天线的整体尺寸，工作性能优异。
附图说明
图1本发明相控阵平板透镜天线的整体结构示意图；
图2本发明天线单元的结构示意图；
图3电磁波在介质平板透镜中的传播示意图；
图4介质平板透镜趋于无限大时的增益示意图；
图5(a)无介质平板透镜的相控阵天线在扫描角度为0°的增益测试图；
图5(b)无介质平板透镜的相控阵天线在扫描角度为10°的增益测试图；
图5(c)无介质平板透镜的相控阵天线在扫描角度为20°的增益测试图；
图5(d)无介质平板透镜的相控阵天线在扫描角度为30°的增益测试图；
图6(a)本发明相控阵平板透镜天线在扫描角度为0°的增益测试图；
图6(b)本发明相控阵平板透镜天线在扫描角度为10°的增益测试图；
图6(c)本发明相控阵平板透镜天线在扫描角度为20°的增益测试图；
图6(d)本发明相控阵平板透镜天线在扫描角度为30°的增益测试图；
图7无介质平板透镜的相控阵天线在扫描角度为26°的增益测试图；
图8本发明相控阵平板透镜天线在扫描角度为26°的增益测试图；
附图中：1-介质基板；2-介质平板透镜；3-天线单元。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1-2，本发明是一种工作在26GHz加载了介质平板透镜2的相控天线阵，包括介质基板1以及并列排布在介质基板1上的四个天线单元3，四个天线单元3排成一行，相邻天线单元1中心之间的距离均为6mm；天线单元3均采用矩形微带贴片天线，且介质基板1的下表面覆铜。介质基板1的正上方设置有能够对电磁波进行反射与折射的介质平板透镜2。
当相控阵天线阵列加载介质平板透镜2之后，电磁波由位于介质基板1上的天线阵列辐射至其上方的介质平板透镜2，如图3所示，介质平板透镜2的厚度为d，电磁波入射在全介质平板透镜上时，会产生反射波与透射波。反射系数γ与透射系数τ分别表示为式(1)
γ＝Гejφ，τ＝Tejψ (1)
由馈源天线发射电磁波入射至全介质平板透镜的各级反射系数为式(2)
γ0＝Γ1
……
(2)
根据波在不同媒质中传播的反射系数及数学极限近似可得总反射系数为式(3)。
其中β为传播常数，θt为透射角θi为入射角。
由能量守恒定律可知T2+Г2＝1，假设在传输过程中没有能量的损耗，则序列0的波的电场幅度与成比例，序列1的波的电场幅度与成比例，序列2的波的电场幅度与成比例，以此类推。由于电场在这一区域辐射的波束是由这些序列波组成的，因此我们可以得到电场的表达式为式(4)，其中f(α)是单元天线的方向函数。
其中θn由式(5)确定：
f(α)是单元天线的方向函数，由于Г小于1，得：
故，电场强度的大小为：
介质平板透镜(2)的厚度d为四分之波长，在不计损耗的情况下可以计算得到天线增益：
考虑到介质透镜反射系数的幅度和相位都是入射角的函数，假设令入射角为10°时，天线增益取得最大值，那么由式(9)可以推出介质基板(1)与介质平板透镜(2)的间距h：
通过以上计算可以得到电磁波在通过全介质平板透镜时的增益值以及介质平板透镜距离天线的距离h，通过对介质平板透镜厚度d、天线阵列距离介质透镜的高度h、介质平板透镜的尺寸进行仿真优化，得到在这一条件下的增益图。例如，介质平板透镜2的厚度d＝1.5mm，天线阵列距离介质透镜高度h＝6.8mm，图4为介质平板透镜2近似无限大时的天线增益图。在不加介质平板透镜2时不考虑互耦等损耗，相控阵的增益图依据方向性乘积原理仅仅由单元微带贴片天线的方向图、阵因子图决定，而现在可以通过调节介质平板透镜的参数以及馈源天线距平板透镜的高度来调节电磁波经过平板透镜的方向图，进而对最终的天线阵的方向图进行了重构。
可以看到图4的全介质平板透镜的增益图在大角度时值比较大，可弥补单元天线方向图及阵因子图在大扫描角度时增益的下降，而在角度比较小时，介质平板透镜的方向图值比较平缓，有利于保持此时的半功率波束宽度不下降。
表一为在大角度扫描时有无全介质平板透镜的天线阵增益仿真结果的对比，可以看到在扫描角度为26°时，加载了全介质平板透镜的相控阵的增益比不加时提升最大，提升了3.7dB。
本发明介质基板1采用的材料是Neltec NY9255，其相对介电常数为2.55，介质基板1的厚度为0.5mm，其下表面镀铜，单元尺寸为21mm×50mm；介质平板透镜2采用的材料是Rogers RO4003，其相对介电常数为3.55，厚度为1.5mm，尺寸为46mm×19mm；介质基板1上表面距离介质平板透镜2下表面的高度为6.8mm；天线单元3的结构如图2所示，宽3.7mm，长3.35mm，介质基板1挖槽的尺寸为宽0.14mm，深度为0.8mm。
Claims (7)
1.一种大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：包括介质基板(1)以及并列排布在介质基板(1)上的多个天线单元(3)，介质基板(1)的上表面刻蚀有四个铜制成的单元贴片天线(3)，且介质基板(1)的下表面覆铜；
所述介质基板(1)的正上方设置有能够对电磁波进行反射与折射的介质平板透镜(2)；介质平板透镜(2)的反射系数γ与透射系数τ分别为：
γ＝Γejψ，τ＝Tejφ
由天线单元(3)发射电磁波入射至介质平板透镜(2)经各级反射得到总反射系数：
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根据能量守恒原理得：
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故，电场强度的大小为：
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介质平板透镜(2)的厚度d为四分之波长，在不计损耗的情况下，计算得到天线增益为：
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考虑到介质透镜反射系数的幅度和相位都是入射角的函数，假设令入射角为10°时，天线增益取得最大值，那么由下式推出介质基板(1)与介质平板透镜(2)的间距h：
最后通过仿真优化可得到对计算得到的参数值进行进一步的优化得到介质基板(1)与介质平板透镜(2)的间距h以及介质平板透镜(2)的大小的最优值；
上式中：
γ——总反射系数；γ0——第0序列波的反射系数；γ1——第一序列波的反射系数；γ2——第二序列波的反射系数；Γ——总反射系数的模值；φ——反射系数的相位；τ——总透射系数；T——总透射系数的模值；ψ——透射系数的相位；Г1——由空气入射到介质中的反射系数模值；T1——由空气入射到介质中的透射系数模值；Γ2——由介质入射到空气中的反射系数模值；T2——由介质入射到空气中的透射系数模值；β1——空气中的传播常数；β2——介质中的传播常数；θi——入射角；θt——折射角；θn——多次折射后的相位角；c——光速；f——中心频率；h——天线与介质平板透镜之间的距离；E——电场；α——入射角；f(α)——单元天线的方向函数；E0——假设的用来衡量电场值的一个常数。
2.根据权利要求1所述大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：所述的介质基板(1)上并列排布有4个相同的天线单元(3)，相邻天线单元(1)中心之间的距离均为6mm；天线单元(3)均采用长度为3.7mm、宽度为3.35mm的矩形微带贴片天线。
3.根据权利要求1所述大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：所述的介质基板(1)由介电常数为2.55的Neltec NY9225材料制成。
4.根据权利要求1或3所述大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：所述介质基板(1)的长度为50mm、宽度为21mm、厚度为0.5mm。
5.根据权利要求1所述大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：所述的介质平板透镜(2)由介电常数3.55的Rogers RO4003材料制成。
6.根据权利要求1或5所述大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：所述的介质平板透镜(2)长度为46mm、宽度为19mm、厚度为1.5mm。
7.根据权利要求1所述大扫描角度高增益Ka波段相控阵平板透镜天线，其特征在于：所述的介质基板(1)与介质平板透镜(2)之间的间距h为6.8mm。
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