CN108075236A - 一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线 - Google Patents

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    • H01Q15/08—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism formed of solid dielectric material

Abstract

本发明属于透镜天线技术领域，公开了一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，包括透镜主体、馈源、支撑块、螺钉；透镜主体是由两层布有周期平移对称半高销钉的金属板构成，其中各金属板布有销钉的一侧相对放置，中间留有空气间隙；上层金属板上的销钉相对于下层金属板上的销钉在周期排布方向分别平移二分之一个单元周期；馈源为矩形波导，位于透镜一侧，波导末端窄边高度为透镜主体边缘销钉高度与空气间隙高度之和；支撑块位于垂直透镜辐射方向上透镜主体两侧边缘；螺钉安装在馈源两侧和透镜主体的非辐射边缘。本发明的天线可以在超宽频段范围内实现高增益，易加工，成本低，可用于卫星通信等无线通信领域。

Description

一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线
技术领域
本发明属于透镜天线技术领域，尤其涉及一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线。
背景技术
天线是接收与发射电磁波重要器件，为了实现远距离传输，通常要求天线具有较高增益，透镜天线由于其具有较高增益，广泛应用在通信领域中。目前，大部分透镜天线采用介质，对于龙伯透镜，其介电常数是渐变的，最外层表面介电常数为1，在中心处介电常数为2，从中心到边缘介电常数变化规律满足εr(r)＝2-(r/R)2(0≤r≤R)，其中R为透镜天线半径，r为透镜任意一点到圆心处的距离。但现实中介质基板很难满足其介电常数连续性，无法制作出这样的龙伯透镜。经过多年研究，对于制作龙伯透镜的材料制作工艺有一些基本工艺和法则，最具代表性的是分层设计的离散介质层技术、基于钻孔结构实现不同的介电常数、采用附着金属的PCB板实现超材料等技术。对于采用多层不同介电常数的介质材料包裹而成的透镜天线，利用多层不同介电常数的介质，梯度折射率渐变使电磁波在入射介质分界面时发生折射，使入射球面波转化为平面波。其介电常数变化是离散的，一般离散层数越多，透镜天线越接近理想状态，然而这种方法加工难度增大，材料成本高，在介质层与层中间存在空气的概率较大，会使天线性能下降。利用等效媒质理论，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，通常为了加工方便采用介质钻孔结构，对于开孔半径和孔的数量及分布进行设计，实现梯度渐变的透镜天线，利用3D打印技术制备开孔结构形式的龙伯透镜，效率高、成本低、不存在空气间隙的影响，但是由于透镜主体由介质组成，介质损耗大，且在毫米波频段，需要打孔数目过多，且孔分布密集，对于加工则很难实现。人工电磁超材料是电磁学中新兴的研究领域，其也是依据等效媒质理论，通过设计单元结构和尺寸大小，可以得到所需的等效介电常数和磁导率。例如，采用附着在PCB板上的周期分布“U”型金属结构单元，通过调节其“U”型单元槽深来调节折射率，其工作频段较窄，且由于采用附着金属的PCB板实现超材料，导致天线损耗大，口径效率低。上述透镜均由介质材料组成，存在介质损耗，降低了天线效率。由等效媒质超材料制作的透镜天线带宽较窄，很难在宽频带范围内实现良好的性能。
综上所述，现有技术存在的问题是：现有的介质透镜天线存在介质损耗，降低天线效率，且加工难度大；利用超材料制作的透镜天线，由于其单元结构对频率敏感，无法在宽频带内实现稳定折射率，天线带宽较窄，且当所需折射率范围很高时，这种带宽限制更加严重。本发明透镜天线本既解决了传统介质透镜天线加工难度高，成本高的缺点，由解决了利用超材料制作的透镜天线带宽窄的缺陷。实现了一种易于加工的超宽带透镜天线。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线。
基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线可以通过改变销钉的排布周期、高度、大小、空气间隙高度中的一个或几个参数来改变单元折射率，使其满足透镜天线所需折射率变化范围，例如折射率变化范围在1～1.41可用于制作龙伯透镜天线，折射率变化范围在1～2可用于制作麦克斯韦鱼眼透，或经过光学变换后的折射率分布的其他透镜天线。本发明结构可制作二维平面透镜天线，在天线所在平面形成高定向性波束，另一主面为扇形波束，在沿透镜法向可叠加排布相同的透镜组成天线阵列，提高透镜天线增益，控制另一个主面方向图，形成三维透镜天线。
本发明是这样实现的，一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线设置有：
透镜主体；
所述透镜主体由两层布有周期平移对称半高销钉的两个金属板组成，两个金属板布有销钉一侧相对放置；
金属支撑块设置在垂直透镜辐射方向所述透镜主体两侧边缘。
进一步，螺钉安装在馈源两侧和透镜非辐射边缘；螺钉在馈源两侧透镜边缘以透镜中心为圆心分布。
进一步，所述第一金属板上的销钉相对于第二金属板上的销钉在周期排布方向分别平移二分之一个单元周期。
进一步，所述支撑块位于垂直透镜辐射方向上透镜主体两侧边缘，高度是透镜主体边缘销钉高度与空气间隙高度之和，用于固定上下两层金属板。
进一步，所述馈源为阶梯过渡波导，波导末端窄边高度为透镜主体边缘销钉高度与空气间隙高度之和。
进一步，所述透镜天线通过改变销钉的排布周期、高度、大小、空气间隙高度中的一个或几个参数改变单元折射率，满足透镜天线所需折射率变化范围。
本发明透镜天线单元采用平移对称半高销钉，该结构色散特性曲线中，模式一曲线在超宽频带范围内近似为直线，表明此种结构在此频段内具有非色散特性，其电磁特性随频率变化不明显，可用于制作超宽带透镜天线。由超材料制作的透镜天线，例如，题目为“一种基于光学变换的超表面透镜天线”的专利中，单元为附着在PCB板上的周期分布的“U”型金属结构的透镜天线，其相对带宽为40％，题为“Parallel-Plate-Waveguide LuneburgLens Through a Holey Plate Metasurface”的文章中，单元为介质板填充平行板波导钻孔超表面结构的透镜天线，其相对带宽仅为8％。采用本发明平移对称半高销钉结构的透镜天线，其相对带宽可达到97％左右。
本发明天线具有以下优势：天线整体采用纯金属材料制作，不存在介质损耗，且可由成熟的机加工工艺制作，成本低；该结构天线具有超宽带特性。实现了一种易于加工的超宽带透镜天线。
本发明天线主体均为金属构成，不存在介质损耗，天线效率高；透镜结构单元为平移对称半高销钉结构，在超宽频带范围内有稳定的折射率，可用于制作超宽带的透镜天线；透镜整体分为上下两层，每层结构为周期排布的金属销钉，结构简单，可由成熟的机加工工艺上下分层加工，较传统介质透镜易于加工，且加工精度高成本低。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线结构示意图；
图2是本发明实施例提供的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线截面图；
图3是本发明实施例提供的透镜单元结构图。
图4是本发明实施例提供的透镜在9GHz、14GHz、18GHz、22GHz电场等相位面示意图。
图5是本发明实施例提供的透镜在9GHz、14GHz、18GHz、22GHz远场方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线包括：透镜主体1、馈源2、支撑块3、螺钉4。
馈源2为矩形波导位于透镜一侧；支撑块3为金属，位于垂直透镜辐射方向上透镜主体1两侧边缘，螺钉4安装在馈源2两侧和透镜非辐射边缘。本实施例中，螺钉4在馈源两侧透镜边缘以透镜中心为圆心，在透镜两侧分别依次旋转15°安装8个螺钉4，螺钉4半径1mm，螺钉4距离透镜中心半径为95mm。
如图2所示，透镜主体1是由两层布有周期平移对称半高销钉7的金属板5、6构成，其中金属板5、6布有销钉7一侧相对放置，中间留有空气间隙8；金属板5上的销钉7相对于金属板6上的销钉7在周期排布方向分别平移二分之一个单元周期。支撑块3位于垂直透镜辐射方向上透镜主体1两侧边缘，高度是透镜主体1边缘销钉高度与空气间隙高度之和，用于固定上下两层金属板，保证空气间隙8的高度。馈源2为阶梯过渡波导，采用标准波导宽边尺寸不变，窄边通过多级阶梯过渡结构，波导末端窄边高度为透镜主体1边缘销钉高度与空气间隙高度之和。金属板5、6半径100mm，馈源1距离透镜主体距离5mm；
如图3所示透镜单元结构图，透镜主体1由周期平移对称半高销钉结构构成。本实施例中，单元周期为p＝4mm，销钉7边长a＝2mm，空气间隙8高度gap＝1.52mm，单元在9～23GHz频段范围内具有稳定折射率，保持销钉7周期、大小、空气间隙8高度不变，通过改变销钉7高度改变单元折射率，销钉高度在0.5mm～1.7mm变化时，单元折射率变化范围：1～1.41，可用于实现9～23GHz频段范围内超宽带龙伯透镜天线。馈源波导采用五阶阶梯过渡波导，波导末端窄边高度为2.52mm。
下面结合附图对本发明的应用效果作详细的描述。
如图4所示，为本发明实施例9GHz、14GHz、18GHz、22GHz时近场电场图，可以看出，馈源辐射的球面波在经过透镜主体后在传播方向上得到了平面波前。仿真结果说明：本发明在超宽频带范围内的电场相位分布与理想透镜天线电场相位分布一致。
如图5所示，为本发明实施例远场方向图，增益随phi角度变化，最大辐射方向为0°，其中实线为频率22GHz方向图，增益为17.6dBi，第一副瓣-26.8dBi，半功率波束宽度为5.4°；其中点线为频率18GHz方向图，增益为14.8dBi，第一副瓣-21.6dBi，半功率波束宽度为6.6°；其中虚线为频率14GHz方向图，增益为12dBi，第一副瓣-10.7dBi，半功率波束宽度为8.0°；其中点划线为频率9GHz方向图，增益为10.1dBi，第一副瓣-11.5dBi，半功率波束宽度为12.0°。在高频段实现低副瓣特性。仿真结果说明：本发明使用周期性平移半高销钉结构的透镜天线在超宽频带范围内实现了高增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，其特征在于，所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线设置有：
透镜主体；
所述透镜主体由两层布有周期平移对称半高销钉的金属板组成，两个金属板布有销钉一侧相对放置，中间留有空气间隙；
金属支撑块设置在垂直透镜辐射方向所述透镜主体两侧边缘。
2.如权利要求1所述的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，其特征在于，螺钉安装在馈源两侧和透镜非辐射边缘；螺钉在馈源两侧透镜边缘以透镜中心为圆心分布。
3.如权利要求1所述的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，其特征在于，所述第一金属板上的销钉相对于第二金属板上的销钉在周期排布方向分别平移二分之一个单元周期。
4.如权利要求1所述的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，其特征在于，所述支撑块位于垂直透镜辐射方向上透镜主体两侧边缘，高度是透镜主体边缘销钉高度与空气间隙高度之和，用于固定上下两层金属板。
5.如权利要求1所述的基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线，其特征在于，所述馈源为阶梯过渡波导，波导末端窄边高度为透镜主体边缘销钉高度与空气间隙高度之和。
6.一种应用权利要求1～5任意一项所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线的透镜天线，其特征在于，所述透镜天线通过改变销钉的排布周期、高度、大小、空气间隙高度中的一个或几个参数改变单元折射率，满足透镜天线所需折射率变化范围。
7.一种由权利要求1～5任意一项所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线制作的龙伯透镜天线，其特征在于，所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线折射率在1～1.41。
8.一种由权利要求1～5任意一项所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线制作的麦克斯韦鱼眼透镜天线，其特征在于，所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线制折射率1～2。
9.一种由权利要求1～5任意一项所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线经过光学变换后的折射率分布的其他透镜天线。
10.一种由权利要求1～5任意一项所述基于周期性半高销钉的超宽带透镜天线制作的二维平面透镜天线或三维透镜天线。
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