CN107369914B - 平面馈源收发集成双椭球面透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，包括双椭球面透镜、透镜延伸层、透镜支撑、底座、接收馈源天线阵列、发射馈源天线阵列；双椭球面透镜、透镜延伸层和透镜支撑均由介质构成，透镜支撑为空心椭圆柱体，底座为椭圆柱体；底座的上表面设有接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列，根据接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列的排布方式组成一维扫描或二维扫描阵列，接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列均包括若干微带天线。本发明收发天线一体化，设计自由度高，口径效率高，旁瓣较低，方向性较好，重量轻，易于与平面电路集成。

Description

平面馈源收发集成双椭球面透镜天线
技术领域
本发明涉及天线，尤其涉及一种平面馈源收发集成双椭球面透镜天线。
背景技术
国际上很早就对透镜天线系统开展了一系列的研究，传统的透镜天线一般采用平面、球面、双曲面、抛物面等几何形状，但是这些方法扫描范围有限，损耗大、工作频带窄，不能满足现代毫米波系统应用的要求。密歇根大学的Prof.G.M.Rebeiz所带领的研究组最早开创了介质透镜的研究领域(D.F.Filipovic,S.S.Gearhart and G.M.Rebeiz,“Double-slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectriclenses,”IEEE Trans Microwave Theory Tech.,MTT-41,pp.1738-1749,Oct.1993)。他在1994年提出了一种特别适合于毫米波段工作的介质透镜天线，它由一个半球和一段柱形延长段组成，其馈电天线可以很简单地集成在透镜的焦平面上。调节柱形延长段的长度可以微调透镜的焦距，在单波束应用的时候，一般调节柱形延长段的长度使得天线的增益达到最高。而在多波束应用的时候，则要求使得每个波束的增益均匀性达到最优，与单波束应用相比，这时候每个扫描波束的增益会有大概2～3dB的下降(D.F.Filipovic,G.P.Gauthier,S.Raman and G.M.Rebeiz,“Off-axis properties of silicon and quartz dielectriclens antennas,”IEEE Trans.Antennas and Propagation,AP-45,No.5,pp.760-766,May1997)。
上述介质透镜天线在高增益应用的情况下，重量会大大增加，给实际应用带来巨大困难，这时可采用双椭球面透镜天线系统，这种天线系统分为馈源天线和双椭球面透镜两部分组成，当馈源天线的相位中心与双椭球面透镜的焦点重合时，由馈源天线辐射产生的电磁波通过双椭球面透镜将变为平行波束辐射出去，故可以很方便地实现高增益(X.Wu,G.V.Eleftheriades and T.E.van Deventer,“Design and characterization of singleand multiple beam mm-wave circularly polarized substrate lens antennas forwireless communications,”IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,MTT-49,pp.431-441,March 2001)。
然而，球透镜天线的方位面和俯仰面波束宽度相同，如果需要调整波束宽度，二者会同时改变，不能满足在方位面和俯仰面实现不同覆盖范围的需求。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种平面馈源收发集成双椭球面透镜天线。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，包括双椭球面透镜、透镜延伸层、透镜支撑、底座、接收馈源天线阵列、发射馈源天线阵列；双椭球面透镜、透镜延伸层和透镜支撑均由介质构成；透镜支撑为空心椭圆柱体，底座为椭圆柱体，双椭球面透镜、透镜延伸层、透镜支撑和底座的中轴线共线，底座上表面和下表面均为平面；底座的上表面设有接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列，根据接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列的排布方式组成一维扫描或二维扫描阵列；接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列均为若干微带天线。
进一步地，所述的双椭球面透镜的上表面和下表面均为椭球面，其公式分别为其中a≠b，d≠e，a＞d，b＜e，透镜延伸层的上表面和下表面均为椭球面，透镜延伸层的上表面与双椭球面透镜的下表面重合，透镜支撑的内表面上覆盖有吸波材料。
进一步地，所述的一维扫描阵列中，接收馈源天线阵列直线排列于底座上表面，发射馈源天线阵列关于中轴线对称等间距排列于底座上表面；所述的二维扫描阵列中，接收馈源天线阵列呈蜂窝状排列于底座上表面，发射馈源天线阵列关于中轴线对称等间距排列于底座上表面。
进一步地，所述的微带天线为缝隙耦合直线形四槽微带天线，缝隙耦合直线形四槽微带天线从上至下依次设有第一正方形金属薄片、第一正方体介质板、第二正方形金属薄片、第二正方体介质板；第二正方体介质板的下表面设有第一矩形金属薄片；第一正方形金属薄片上开有四个关于对角线对称的直线形槽，直线形槽的长边与第一正方形金属薄片的边成45°；第二正方形金属薄片上开有两个垂直相交的第一矩形槽，第一矩形槽的两条长边分别位于第二正方形金属薄片的两条对角线上；第一矩形金属薄片与第一矩形槽成45°相交。
进一步地，所述的微带天线为缝隙耦合L形四槽微带天线，缝隙耦合L形四槽微带天线从上至下依次设有第三正方形金属薄片、第三正方体介质板、第四正方形金属薄片、第四正方体介质板；第四正方体介质板的下表面设有第二矩形金属薄片；第三正方形金属薄片上开有四个关于对角线对称的L形槽，L形槽的边与第三正方形金属薄片的边平行；第四正方形金属薄片上开有两个垂直相交的第二矩形槽，第二矩形槽的两条长边分别位于第四正方形金属薄片的两条对角线上；第二矩形金属薄片与第二矩形槽成45°相交。
进一步地，所述的微带天线为直线形缝隙耦合微带天线，直线缝隙耦合微带天线从上至下依次设有第五正方形金属薄片、第五正方体介质板、第六正方形金属薄片、第六正方体介质板，第六正方形金属薄片上开有第三矩形槽，第六正方体介质板下表面设有第三矩形金属薄片，第三矩形金属薄片与第三矩形槽垂直交叉。
进一步地，所述的微带天线为十字形缝隙耦合微带天线，十字形缝隙耦合微带天线从上至下依次设有第七正方形金属薄片、第七正方体介质板、第八正方形金属薄片、第八正方体介质板，第八正方形金属薄片上开有两个垂直相交的第四矩形槽，第四矩形槽的两条长边分别位于第八正方形金属薄片的两条对角线上；第八正方体介质板下表面设有第四矩形金属薄片，第四矩形金属薄片与第四矩形槽成45°相交。
本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：收发天线一体化，大大减小了天线体积，同时也便于后端电路与天线集成，降低整体系统因信号传输而引入的损耗，提高系统效率，且由于透镜整体形成了一个外壳，对天线内部有保护作用，提高了系统的稳定性和抗冲击的能力；采用收发共口径结构，口径效率高，旁瓣较低，方向性较好，重量轻；由于馈源为平面结构且共面，易于与平面电路集成；方位面和俯仰面的波束宽度分别可调，增加了设计自由度和应用范围。
附图说明
图1是平面馈源收发集成双椭球面透镜天线正视示意图；
图2是平面馈源收发集成双椭球面透镜天线一维扫描阵列俯视示意图；
图3是平面馈源收发集成双椭球面透镜天线二维扫描阵列俯视示意图；
图4是缝隙耦合直线形四槽微带天线俯视示意图；
图5是缝隙耦合直线形四槽微带天线侧视示意图；
图6是缝隙耦合L形四槽微带天线俯视示意图；
图7是缝隙耦合L形四槽微带天线侧视示意图；
图8是直线形缝隙耦合微带天线俯视示意图。
图9是直线形缝隙耦合微带天线正视示意图；
图10是十字形缝隙耦合微带天线俯视示意图；
图11是十字形缝隙耦合微带天线正视示意图。
具体实施方式
当馈源被安放在双椭球面透镜的焦点上时，馈源的相位中心与双椭球面透镜的焦点重合，由馈源天线辐射产生的电磁波通过双椭球面透镜变为平行波束辐射出去，从而实现天线的最大增益。这种双椭球面透镜天线的方向图与传统球透镜天线类似，在E面和H面可以实现窄波束。另外，通过改变焦距与透镜直径的比例，可以调整透镜天线的纵向尺寸。通过调整椭球的长轴和短轴长度，可以优化方位面和俯仰面的波束宽度。类似于传统的透镜天线，可以采用简单的射线追踪法来近似估算其最优的馈源位置。单独选通接收馈源天线阵列的指定微带天线，切换窄波束的方向。同时选通发射馈源天线阵列的所有微带天线以合成宽波束，从而覆盖窄波束的所有波束方向。
如图1-3所示，平面微带馈源收发集成双椭球面透镜天线包括透镜1、透镜延伸层2、透镜支撑3、底座4、接收馈源天线阵列5、发射馈源天线阵列6；透镜1、透镜延伸层2和透镜支撑3均由介质构成，透镜支撑3为空心椭圆柱体，底座4为椭圆柱体，透镜1、透镜延伸层2、透镜支撑3和底座4的中轴线共线，底座4上表面和下表面均为平面；底座4的上表面设有接收馈源天线阵列5和发射馈源天线阵列6，根据接收馈源天线阵列5和发射馈源天线阵列6的排布方式组成一维扫描或二维扫描阵列。
如图1所示，所述的透镜1的上表面和下表面均为椭球面，其公式分别为 其中a≠b，d≠e，a＞d，b＜e，透镜延伸层2上表面和下表面均为椭球面，透镜延伸层2上表面与透镜1下表面重合，所述的透镜支撑3的内表面上覆盖有吸波材料。
如图2到图3所示，所示的接收馈源天线阵列5和发射馈源天线阵列6均可为若干微带天线。所述的一维扫描阵列中，接收馈源天线阵列5直线排列于底座4上表面，发射馈源天线阵列6关于中轴线对称等间距排列于底座4上表面；所述的二维扫描阵列中，接收馈源天线阵列5呈蜂窝状排列于底座4上表面，发射馈源天线阵列6关于中轴线对称等间距排列于底座4上表面。
如图4到图5所示，所述的微带天线为缝隙耦合直线形四槽微带天线，缝隙耦合直线形四槽微带天线从上至下依次设有第一正方形金属薄片7、第一正方体介质板8、第二正方形金属薄片9、第二正方体介质板10；第二正方体介质板10的下表面设有第一矩形金属薄片11；第一正方形金属薄片7上开有四个关于对角线对称的直线形槽12，直线形槽12的长边与第一正方形金属薄片7的边成45°；第二正方形金属薄片9上开有两个垂直相交的第一矩形槽13，第一矩形槽13的两条长边分别位于第二正方形金属薄片9的两条对角线上；第一矩形金属薄片11与第一矩形槽13成45°相交。
如图6到图7所示，所述的微带天线为缝隙耦合L形四槽微带天线，缝隙耦合L形四槽微带天线从上至下依次设有第三正方形金属薄片14、第三正方体介质板15、第四正方形金属薄片16、第四正方体介质板17；第四正方体介质板17的下表面设有第二矩形金属薄片18；第三正方形金属薄片14上开有四个关于对角线对称的L形槽19，L形槽19的边与第三正方形金属薄片14的边平行；第四正方形金属薄片16上开有两个垂直相交的第二矩形槽20，第二矩形槽20的两条长边分别位于第四正方形金属薄片16的两条对角线上；第二矩形金属薄片18与第二矩形槽20成45°相交。
如图8到图9所示，所述的微带天线为直线形缝隙耦合微带天线，直线缝隙耦合微带天线从上至下依次设有第五正方形金属薄片21、第五正方体介质板22、第六正方形金属薄片25、第六正方体介质板26，第六正方形金属薄片25上开有第三矩形槽23，第六正方体介质板26下表面设有第三矩形金属薄片24，第三矩形金属薄片24与第三矩形槽23垂直交叉。
如图10到图11所示，所述的微带天线为十字形缝隙耦合微带天线，十字形缝隙耦合微带天线从上至下依次设有第七正方形金属薄片27、第七正方体介质板28、第八正方形金属薄片29、第八正方体介质板30，第八正方形金属薄片29上开有两个垂直相交的第四矩形槽32，第四矩形槽32的两条长边分别位于第八正方形金属薄片29的两条对角线上；第八正方体介质板30下表面设有第四矩形金属薄片31，第四矩形金属薄片31与第四矩形槽32成45°相交。
以上是本发明的具体实施方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及发明中提到的一些替代方式制作出本平面馈源收发集成双椭球面透镜天线。本发明由于增益高，且旁瓣低，因而可应用于多波束定位。这种收发天线一体、口径效率高、小体积、轻重量、易于与平面电路集成、方位面和俯仰面波束宽度分别可调的双椭球面透镜及其多波束扫描设计在航空航天，卫星通信，导航定位中有广阔的应用前景。

Claims (7)

1.一种平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，包括双椭球面透镜(1)、透镜延伸层(2)、透镜支撑(3)、底座(4)、接收馈源天线阵列(5)、发射馈源天线阵列(6)；双椭球面透镜(1)、透镜延伸层(2)和透镜支撑(3)均由介质构成；所述的双椭球面透镜(1)的上表面和下表面均为椭球面，其公式分别为其中a≠b，d≠e，a＞d，b＜e，透镜支撑(3)为空心椭圆柱体，底座(4)为椭圆柱体，双椭球面透镜(1)、透镜延伸层(2)、透镜支撑(3)和底座(4)的中轴线共线，底座(4)上表面和下表面均为平面；底座(4)的上表面设有接收馈源天线阵列(5)和发射馈源天线阵列(6)，根据接收馈源天线阵列(5)和发射馈源天线阵列(6)的排布方式组成一维扫描或二维扫描阵列；接收馈源天线阵列(5)和发射馈源天线阵列(6)均为若干微带天线。
2.根据权利要求1所述的平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，透镜延伸层(2)的上表面和下表面均为椭球面，透镜延伸层(2)的上表面与双椭球面透镜(1)的下表面重合，透镜支撑(3)的内表面上覆盖有吸波材料。
3.根据权利要求1所述的平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的一维扫描阵列中，接收馈源天线阵列(5)直线排列于底座(4)上表面，发射馈源天线阵列(6)关于底座(4)平面的中轴线对称等间距排列于底座(4)上表面，接收馈源天线阵列(5)位于发射馈源天线阵列(6)的中间位置；所述的二维扫描阵列中，接收馈源天线阵列(5)呈蜂窝状排列于底座(4)上表面，发射馈源天线阵列(6)关于底座(4)平面的中轴线对称等间距排列于底座(4)上表面，接收馈源天线阵列(5)位于发射馈源天线阵列(6)的中间位置。
4.根据权利要求1-3任一项所述的平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的微带天线为缝隙耦合直线形四槽微带天线，缝隙耦合直线形四槽微带天线从上至下依次设有第一正方形金属薄片(7)、第一正方体介质板(8)、第二正方形金属薄片(9)、第二正方体介质板(10)；第二正方体介质板(10)的下表面设有第一矩形金属薄片(11)；第一正方形金属薄片(7)上开有四个关于对角线对称的直线形槽(12)，直线形槽(12)的长边与第一正方形金属薄片(7)的边成45°；第二正方形金属薄片(9)上开有两个垂直相交的第一矩形槽(13)，第一矩形槽(13)的两条长边分别位于第二正方形金属薄片(9)的两条对角线上；第一矩形金属薄片(11)与第一矩形槽(13)成45°相交。
5.根据权利要求1-3任一项所述的平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的微带天线为缝隙耦合L形四槽微带天线，缝隙耦合L形四槽微带天线从上至下依次设有第三正方形金属薄片(14)、第三正方体介质板(15)、第四正方形金属薄片(16)、第四正方体介质板(17)；第四正方体介质板(17)的下表面设有第二矩形金属薄片(18)；第三正方形金属薄片(14)上开有四个关于对角线对称的L形槽(19)，L形槽(19)的边与第三正方形金属薄片(14)的边平行；第四正方形金属薄片(16)上开有两个垂直相交的第二矩形槽(20)，第二矩形槽(20)的两条长边分别位于第四正方形金属薄片(16)的两条对角线上；第二矩形金属薄片(18)与第二矩形槽(20)成45°相交。
6.根据权利要求1-3任一项所述的平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的微带天线为直线形缝隙耦合微带天线，直线缝隙耦合微带天线从上至下依次设有第五正方形金属薄片(21)、第五正方体介质板(22)、第六正方形金属薄片(25)、第六正方体介质板(26)，第六正方形金属薄片(25)上开有第三矩形槽(23)，第六正方体介质板(26)下表面设有第三矩形金属薄片(24)，第三矩形金属薄片(24)与第三矩形槽(23)垂直交叉。
7.根据权利要求1-3任一项所述的平面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的微带天线为十字形缝隙耦合微带天线，十字形缝隙耦合微带天线从上至下依次设有第七正方形金属薄片(27)、第七正方体介质板(28)、第八正方形金属薄片(29)、第八正方体介质板(30)，第八正方形金属薄片(29)上开有两个垂直相交的第四矩形槽(32)，第四矩形槽(32)的两条长边分别位于第八正方形金属薄片(29)的两条对角线上；第八正方体介质板(30)下表面设有第四矩形金属薄片(31)，第四矩形金属薄片(31)与第四矩形槽(32)成45°相交。
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