CN107871934A - 一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，属于微波技术领域。本发明包括n层同圆心的电磁谐振器单元模块。每层电磁谐振器单元模块，是由多个结构相同的电磁谐振器单元构成的一个圆环。电磁谐振器单元包括介质层和蚀刻图案层，蚀刻图案层采用金属铜材质，压合在介质层上。不同层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的蚀刻图案层上的图案相同、图案尺寸不同，介质层完全相同。将所述的二维龙伯透镜置于波导型结构中，水平极化的电磁波沿着二维龙伯透镜一边平行入射，能在入射波180°方向得到电磁波会聚效果。本发明通过PCB加工技术实现，具有易加工、成本低、可重复性高的特点，可以广泛用于DOA估测技术和天线波束会聚的场景。

Description

一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜
技术领域
本发明涉及一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，属于微波技术领域。
背景技术
龙伯透镜是一种电磁波会聚装置，可以实现多波束，进行大角度扫描，主要应用于通信、电子对抗等领域。常用龙伯透镜一般为龙伯球，但其体积大、重量大和球形结构不易固定等缺点，在实际应用中受到很大的限制。同时传统三维龙伯球对制造工艺要求很高，实现性和重复性差。由于DOA(Direction of Arrival波达方向)估计中是对方位角和俯仰角在两个正交平面分别进行测量的，所以龙伯透镜只需在某一平面内具有良好的汇聚特性即可满足要求。因此二维结构的龙伯透镜具有较高性价比，在保证其性能的条件下大大降低了制作难度。目前已有的采用交指型电磁谐振器单元结构的二维龙伯透镜，由于空气间隙的存在，单元之间并不相连，无法制作实物。
发明内容
本发明针对现有技术的上述缺陷，为了实现体积小、重量轻的具有会聚作用的龙伯透镜，提出了一种基于电磁谐振器单元的二维龙伯透镜。本发明通过PCB(PrintedCircuit Board，印刷电路板)加工技术实现，具有易加工、成本低、可重复性高的特点，可以广泛用于DOA(Direction of arrival，波达方向)估测技术和天线波束会聚的场景。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，包括n层同圆心的电磁谐振器单元模块。每层电磁谐振器单元模块，是由多个结构相同的电磁谐振器单元构成的一个圆环。同一层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的几何中心到二维龙伯透镜平面几何中心距离相等。
所述的电磁谐振器单元包括介质层和蚀刻图案层，蚀刻图案层采用金属铜材质，压合在介质层上。不同层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的蚀刻图案层上的图案相同、图案尺寸不同，介质层完全相同。距离二维龙伯透镜平面几何中心越远，电磁谐振器单元中的蚀刻图案层上的图案尺寸越小。
所述的介质层是一个边长为a、厚度数毫米，具有固定介电常数、各向同性的均匀介质块。边长a远小于透镜工作波长；介质块介电常数大于2。
所述的蚀刻图案层的图案为中心对称的四个C形结构，为两个同心圆环分别沿着互相垂直的两条直径开槽而形成。所述的两个同心圆环分别称为内谐振环与外谐振环，内谐振环、外谐振环的宽度相同。改变该蚀刻图案层的内谐振环内径b的大小能改变电磁谐振器单元的等效介电常数。
为确定内谐振环内径，利用HFSS电磁仿真软件对电磁谐振器单元等效介电常数进行仿真。考虑到透镜应用场景，仿真建模时，将电磁谐振器单元介质层水平放置，其下方紧贴放置一层人工磁导体表面；距离蚀刻图案层上方h高度处放置一层同样的人工磁导体表面，从而形成高度为h的空气层。空气层高度为介质层厚度的3-5倍。电磁谐振器单元左右两侧的边界为金属铜。将电磁谐振器单元水平面上的前后两个面设置为端口。通过仿真得到的两个端口的散射参数，计算出此时电磁谐振器单元与空气层共同形成的等效介电常数。在没有蚀刻图案层的情况下，电磁谐振器单元等效介电常数最小为εmin；在加入蚀刻图案层的情况下，当内谐振环内径b值变化时，仿真得到不同的等效介电常数值，从而得到各个b值与等效介电常数一一对应的关系。
最外层电磁谐振器单元模块的半径rmax＝na。半径即电磁谐振器单元模块中电磁谐振器单元的几何中心到二维龙伯透镜平面几何中心的距离，n为透镜总共包含的层数。将电磁谐振器单元仿真结果最小的等效介电常数作为最外层电磁谐振器单元模块的等效介电常数εmin，通过εmin＝2-(rmax/R)2确定二维龙伯透镜的半径参数R。此时二维龙伯透镜上的任意一个电磁谐振器单元的等效介电常数能通过ε＝2-(r/R)2计算。其中r为该电磁谐振器单元几何中心与二维龙伯透镜平面几何中心的距离。根据每个电磁谐振器单元的位置，按照公式计算出该位置对应的等效介电常数ε，通过仿真得到的内谐振环内径b和等效介电常数ε的对应关系，从而确定该位置的电磁谐振器单元的蚀刻图案层的图案尺寸，然后蚀刻在金属铜上形成蚀刻图案层。所有的介质层自然连接形成一个边长为2(n+1)a的方形介质，得到所述的基于电磁谐振器的二维龙伯透镜。
本发明的工作过程为：将所述的二维龙伯透镜置于波导型结构中，水平极化的电磁波沿着二维龙伯透镜一边平行入射，能在入射波180°方向得到电磁波会聚效果。
有益效果
本发明是基于等效媒质理论提出的，通过电磁谐振器单元形式和电磁谐振器单元排布方式的设计，得到基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，能实现电磁波会聚入射会聚到透镜边缘的效果，相比于其他形式的二维龙伯透镜是一种基于新的单元形式的透镜，解决了传统龙伯球体积大、不易固定和加工等缺点。本发明在整个Ku频段实现了电磁波的会聚，会聚点电场强度最大能达入射波的数倍。
附图说明
图1是本发明的二维龙伯透镜工作环境示意图；
图2为龙伯透镜的俯视图；
图3为电磁谐振器单元结构图，其中(1)为电磁谐振器单元俯视图，(2)为电磁谐振器单元正视图；
图4为内谐振环内径b变化时单元等效介电常数变化；
图5为12GHz下透镜内部的电场分布图；
图6为14GHz下透镜内部的电场分布图；
图7为16GHz下透镜内部的电场分布图；
图8为18GHz下透镜内部的电场分布图；
标号说明：1-人工磁导体平面，2-金属导体平面，3-二维龙伯透镜，4-介质层，5-蚀刻图案层。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例
本实施例中二维龙伯透镜的工作频率为Ku波段(12-18GHz)。为了保证所描述二维龙伯透镜能够正常工作，需要搭建工作环境，如图1所示。平行放置两层人工磁导体平面1(AMC)，每一层人工磁导体平面为长100mm、宽72mm的矩形，两层人工磁导体平面之间的间隔1mm。在两层人工磁导体平面之间，左右分别用长100mm、宽度为1mm的金属导体平面2通过一定方式(例如焊接)连接起来，构成类似波导型结构，左右两个金属导体平面间距离大于或者等于二维龙伯透镜的边长。本实施例的人工磁导体平面和金属导体平面材质不做具体要求，只要分别有良好的导磁性和导电性即可。
使用时，二维龙伯透镜3放置于该波导型结构内部，使得二维龙伯透镜和波导型结构的几何中心重合。二维龙伯透镜的介质层紧贴下层人工磁导体平面。
从波导型结构的前端用平面波激励，平面波的电场方向平行于透镜方向。则电磁波通过一段空气过渡结构经过透镜，在另一侧产生了会聚效果。
本实施例单个电磁谐振器单元的结构如图3所示。其介质层选用边长为3mm，厚度为0.254mm的聚四氟乙烯(相对介电常数2.25)介质块。蚀刻图案层中，内谐振环内径为b，内谐振环和外谐振环的宽度s以及内谐振环和外谐振环的间距c均控制在0.1mm。通过改变不同的内谐振环内径b的大小，调节等效介电常数和等效磁导率。仿真得到的内谐振环内径变化与等效介电常数变化的关系曲线如图4所示。仿真时设定位于蚀刻图案层上的空气层高度为h＝0.746mm。
本实施例二维龙伯透镜最外层电磁谐振器单元模块相对介电常数为1.37，最内层电磁谐振器单元模块的相对介电常数为2，电磁谐振器单元模块层数为11层，rmax为33mm。根据εmin＝2-(rmax/R)2确定参数R为41.6mm。根据ε＝2-(r/R)2，以及每个电磁谐振器单元几何中心与透镜几何中心的距离r，可以得到该处的相对介电常数，从而由电磁谐振器单元的仿真结果中b与等效介电常数的关系曲线(图4)得到b的尺寸，从而确定每个电磁谐振器单元的蚀刻图案层的尺寸。
图5-图8为本实施例在Ku波段下的透镜内部电场分布图。从图中可以看出本实施例具有良好的电磁波会聚效果。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡是在本发明权利要求范围内所作的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，其特征在于：包括n层同圆心的电磁谐振器单元模块；每层电磁谐振器单元模块，是由多个结构相同的电磁谐振器单元构成的一个圆环；同一层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的几何中心到二维龙伯透镜平面几何中心距离相等，为该层电磁谐振器单元模块的半径；
所述的电磁谐振器单元包括介质层和蚀刻图案层，蚀刻图案层采用金属铜材质，压合在介质层上；不同层电磁谐振器单元模块中的电磁谐振器单元的蚀刻图案层上的图案相同、图案尺寸不同，介质层完全相同；
所述的介质层是一个边长为a，具有固定介电常数、各向同性的均匀介质块；
所述的蚀刻图案层的图案为中心对称的四个C形结构，为两个同心圆环分别沿着互相垂直的两条直径开槽而形成；所述的两个同心圆环分别称为内谐振环与外谐振环，内谐振环、外谐振环的宽度相同；改变该蚀刻图案层的内谐振环内径b的大小能改变电磁谐振器单元的等效介电常数；
利用HFSS电磁仿真软件对电磁谐振器单元等效介电常数进行仿真；仿真建模时，将电磁谐振器单元介质层水平放置，其下方紧贴放置一层人工磁导体表面；距离蚀刻图案层上方h高度处放置一层同样的人工磁导体表面，从而形成高度为h的空气层；电磁谐振器单元左右两侧的边界为金属铜；将电磁谐振器单元水平面上的前后两个面设置为端口；通过仿真得到的两个端口的散射参数，计算出此时电磁谐振器单元与空气层共同形成的等效介电常数；在没有蚀刻图案层的情况下，电磁谐振器单元等效介电常数最小为εmin；在加入蚀刻图案层的情况下，当内谐振环内径b值变化时，仿真得到不同的等效介电常数值，从而得到各个b值与等效介电常数一一对应的关系；
最外层电磁谐振器单元模块的半径rmax＝na，n为透镜总共包含的层数；将电磁谐振器单元仿真结果最小的等效介电常数作为最外层电磁谐振器单元模块的等效介电常数εmin，通过εmin＝2-(rmax/R)2确定二维龙伯透镜的半径参数R；此时二维龙伯透镜上的任意一个电磁谐振器单元的等效介电常数能通过ε＝2-(r/R)2计算；其中r为该电磁谐振器单元几何中心与二维龙伯透镜平面几何中心的距离；根据每个电磁谐振器单元的位置，按照公式计算出该位置对应的等效介电常数ε，通过仿真得到的内谐振环内径b和等效介电常数ε的对应关系，从而确定该位置的电磁谐振器单元的蚀刻图案层的图案尺寸，然后蚀刻在金属铜上形成蚀刻图案层；所有的介质层自然连接形成一个边长为2(n+1)a的方形介质，得到所述的基于电磁谐振器的二维龙伯透镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，其特征在于：距离二维龙伯透镜平面几何中心越远，电磁谐振器单元中的蚀刻图案层上的图案尺寸越小。
3.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，其特征在于：介质块边长a远小于透镜工作波长；介质块介电常数大于2。
4.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，其特征在于：空气层高度为介质层厚度的3-5倍。
5.根据权利要求1所述的一种基于电磁谐振器的二维龙伯透镜，其特征在于：将所述的二维龙伯透镜置于波导型结构中，水平极化的电磁波沿着二维龙伯透镜一边平行入射，能在入射波180°方向得到电磁波会聚效果。
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