CN107369915B - 弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种弧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，透镜延伸层上表面与透镜下表面重合，透镜支撑为空心椭圆柱体，底座为椭圆柱体；底座上表面的弧形凹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波导介质棒天线。本发明收发天线一体化，设计自由度高，波束一致性好，口径效率高，旁瓣较低，方向性较好，重量轻。

Description

弧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，尤其涉及一种弧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，双椭球面透镜的焦点只有一个，在馈源天线的相位中心与双椭球面透镜的焦点重合时增益最高，现有的双椭球面透镜天线不在焦点上的其他波束增益比焦点处的波束增益低，导致在多波束应用场景下，扫描角度越大，增益越低，旁瓣越高，波束宽度越宽。这种球透镜在偏焦波束的性能较差，在实际应用中会带来困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种弧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：一种弧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、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；底座上表面的内椭圆部分为弧形凹面，椭圆环部分为平面，底座下表面为平面；底座上表面的弧形凹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。
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，透镜延伸层上表面和下表面均为椭球面，透镜延伸层上表面与双椭球面透镜下表面重合，透镜支撑的内表面上覆盖有吸波材料。
进一步地，所述的接收馈源天线阵列和发射馈源天线阵列均可为若干波导介质棒天线，波导介质棒天线的底与弧形凹面相切。
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弧形凹面上，发射馈源天线阵列关于中轴线对称等间距排列于弧形凹面上；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弧形凹面上，发射馈源天线阵列关于中轴线对称等间距排列于弧形凹面上。
进一步地，所述的波导介质棒天线可为圆波导介质棒天线，圆波导介质棒天线包括第一介质棒和空心圆柱体金属，第一介质棒伸出空心圆柱体金属的部分为圆台形，伸入空心圆柱体金属的部分为圆锥形，空心圆柱体金属外围开有周期排列的槽。
进一步地，所述的波导介质棒天线可为矩形波导介质棒天线，矩形波导介质棒天线包括第二介质棒和空心长方体金属，第二介质棒伸出空心长方体金属的部分为梯台形，伸入空心长方体金属的部分为楔形，空心长方体金属外围开有周期排列的槽。
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，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；与现有透镜天线相比，使用这种双椭球面透镜天线系统能够提高偏焦波束的增益，使得多波束应用中不会因为波束方向的改变而降低性能，能在扫描角度范围内保持波束的一致性，同时保持高增益，且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是圆弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线正视示意图；
图2是圆弧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是圆弧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是圆波导介质棒天线正视示意图；
图5是圆波导介质棒天线侧视示意图；
图6是圆波导介质棒天线后视示意图。
图7是矩形波导介质棒天线正视示意图；
图8是矩形波导介质棒天线侧视示意图；
图9是矩形波导介质棒天线后视示意图。
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。馈源天线放置在弧形面上，使得偏焦波束增益与中心波束一致，同时保持高增益。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。通过改变弧形面的曲率，可以优化透镜天线的辐射性能。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波导介质棒天线，切换窄波束的方向。同时选通发射馈源天线阵列的所有波导介质棒天线以合成宽波束，从而覆盖窄波束的所有波束方向。
如图1-3所示，圆弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线包括双椭球面透镜1、透镜延伸层2、透镜支撑3、底座5、接收馈源天线阵列7、发射馈源天线阵列8；双椭球面透镜1、透镜延伸层2、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5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5的中轴线共线；底座5上表面的内椭圆部分为弧形凹面6，椭圆环部分为平面4，底座5下表面为平面；底座5上表面的弧形凹面6设有接收馈源天线阵列7和发射馈源天线阵列8，根据接收馈源天线阵列7和发射馈源天线阵列8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上表面与双椭球面透镜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1-3所示，所述的接收馈源天线阵列7和发射馈源天线阵列8均包括若干波导介质棒天线，波导介质棒天线的底与弧形凹面6相切。
如图2所示，所述的一维扫描阵列中，接收馈源天线阵列7直线排列于弧形凹面6上，发射馈源天线阵列8关于中轴线对称等间距排列于弧形凹面6上。
如图3所示，所述的二维扫描阵列中，接收馈源天线阵列7呈蜂窝状排列于弧形凹面6上，发射馈源天线阵列8关于中轴线对称等间距排列于弧形凹面6上。
如图4到图6所示，所述的圆波导介质棒天线包括第一介质棒9和空心圆柱体金属10，第一介质棒9伸出空心圆柱体金属10的部分为圆台形，伸入空心圆柱体金属10的部分为圆锥形，空心圆柱体金属10外围开有周期排列的槽。
如图7到图9所示，所述的矩形波导介质棒天线包括第二介质棒11和空心长方体金属12，第二介质棒11伸出空心长方体金属12的部分为梯台形，伸入空心长方体金属12的部分为楔形，空心长方体金属12外围开有周期排列的槽。
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弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线。本发明由于能保持多波束的一致性，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、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 (6)

1.一种弧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(5)、接收馈源天线阵列(7)、发射馈源天线阵列(8)；双椭球面透镜(1)、透镜延伸层(2)、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(5)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(5)的中轴线共线；底座(5)上表面的内椭圆部分为弧形凹面(6)，椭圆环部分为平面(4)，底座(5)下表面为平面；底座(5)上表面的弧形凹面(6)设有接收馈源天线阵列(7)和发射馈源天线阵列(8)，根据接收馈源天线阵列(7)和发射馈源天线阵列(8)的排布方式组成一维扫描或二维扫描阵列。
2.根据权利要求1所述的弧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所述的弧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(7)直线排列于弧形凹面(6)上，发射馈源天线阵列(8)关于弧形凹面(6)的中轴线对称等间距排列于弧形凹面(6)上，接收馈源天线阵列(7)位于发射馈源天线阵列(8)的中间位置；所述的二维扫描阵列中，接收馈源天线阵列(7)呈蜂窝状排列于弧形凹面(6)上，发射馈源天线阵列(8)关于弧形凹面(6)的中轴线对称等间距排列于弧形凹面(6)上，接收馈源天线阵列(7)位于发射馈源天线阵列(8)的中间位置。
4.根据权利要求1所述的弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的接收馈源天线阵列(7)和发射馈源天线阵列(8)均为若干波导介质棒天线，波导介质棒天线的底与弧形凹面(6)相切。
5.根据权利要求4所述的弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的波导介质棒天线为圆波导介质棒天线，圆波导介质棒天线包括第一介质棒(9)和空心圆柱体金属(10)，第一介质棒(9)伸出空心圆柱体金属(10)的部分为圆台形，伸入空心圆柱体金属(10)的部分为圆锥形，空心圆柱体金属(10)外围开有周期排列的槽。
6.根据权利要求4所述的弧面馈源收发集成双椭球面透镜天线，其特征在于，所述的波导介质棒天线为矩形波导介质棒天线，矩形波导介质棒天线包括第二介质棒(11)和空心长方体金属(12)，第二介质棒(11)伸出空心长方体金属(12)的部分为梯台形，伸入空心长方体金属(12)的部分为楔形，空心长方体金属(12)外围开有周期排列的槽。
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