CN108110429B - 一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构 - Google Patents

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    • H01Q15/10—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism comprising three-dimensional array of impedance discontinuities, e.g. holes in conductive surfaces or conductive discs forming artificial dielectric

Abstract

本发明公开了一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，所述结构包括：透镜，透镜上设有多个波束端口，波束端口通过馈线引入透镜腔，透镜腔的另一端通过相位延迟馈线连接到多个阵列端口，透镜腔内平行于焦面和阵列面轮廓处排布至少一排孔阵列；可以降低该类器件的回波损耗，增加透镜的透射率。

Description

一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构
技术领域
本发明涉及多波束成形网络透镜领域，具体地，涉及一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构。
背景技术
波束成形网络器件是一类具有多输入、多输出端口的无源微波网络器件，具体形式有Rotman透镜、Bootlace透镜等。波束成形网络的一般结构如图1所示，多个波束端口(Beam Ports)通过馈线引入透镜腔(Lens Cavity)，透镜腔的另一端通过特殊计算的相位延迟馈线连接到多个阵列端口(Array Ports)，在阵列端口连接天线构成天线阵列。馈线通过渐变传输线结构连接到透镜腔以实现阻抗匹配，渐变传输线结构如图2所示。从不同波束端口(Beam Ports)馈入信号时，天线阵列的辐射波束具有不同的指向从而形成多波束。
当渐变线有微小的阻抗失配时，电磁信号由波束端口经过透镜腔到阵列端口输出，其回波损耗大约会增加3dB。若利用透镜两级级联构成二维扫描阵列时，整个系统的回波损耗将增加6dB。由于波束端口到阵列端口的路径不相同，不能利用四分之一波长整数倍数的传播路径抑制回波损耗。而工程中渐变线的微小阻抗失配不能避免，所以较高的回波损耗是波束成形网络的主要缺陷之一。
发明内容
本发明提供了一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，可以降低该类器件的回波损耗，增加透镜的透射率。
为实现上述发明目的，本申请提供了一种波束成形网络透镜的结构。具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，所述结构包括：透镜，透镜上设有多个波束端口，波束端口通过馈线引入透镜腔，透镜腔的另一端通过相位延迟馈线连接到多个阵列端口，透镜腔内平行于焦面和阵列面轮廓处排布至少一排孔阵列。
该结构是在透镜腔蚀刻小孔阵列，小孔阵列的电流阻断作用能够产生微小的反射。当小孔阵列距离渐变线开口约为半波长时，由小孔阵列反射的电磁波将与渐变线失配产生的电磁波叠加相消，从而实现降低回波损耗提升透射率的作用。
本结构适用于基于印刷电路板工艺的波束成形网络透镜，包含微带式和带状线式；采用微带式时，小孔阵列蚀刻在微带线所在的铜箔层上；采用带状线式时，小孔阵列蚀刻在带状线内导体铜箔层上。
进一步的，每排孔阵列中，相邻两个孔的中心间距为a，每个孔的直径为d，且孔阵列中任意一孔距离…的距离为L。
进一步的，孔阵列均匀分布在焦面和阵列面轮廓上。
进一步的，透镜制作在PCB或柔性电路板上。小孔阵列结构仅在铜箔层上，不在介质基板上做过孔，可以与波束成形网络一体加工，不会增加生产成本，且具有极高的结构精度。
进一步的，孔阵列蚀刻在铜箔上。当透镜以微带形式设计时，孔阵列蚀刻在微带铜箔层上；当透镜以带状线形式设计时，孔阵列蚀刻在带状线内导体铜箔层上。小孔阵列结构仅在铜箔层上，不在介质基板上做过孔，可以与波束成形网络一体加工，不会增加生产成本，且具有极高的结构精度。
进一步的，孔阵列中孔的孔径和孔周期间距均不大于1/4波长。孔周期间距为相邻两个孔之间的间距。小孔阵列构成的曲线与渐变线开口所在的曲线相距约半个波长，精确的间距取值通过仿真优化得出。为了保证离散的小孔阵列对连续的反射面的近似，小孔阵列中小孔周期间距应小于1/4波长。
进一步的，孔阵列中孔的形状包括但不限于：圆形孔、矩形孔、多边形孔、星形孔等小于1/4波长尺寸的镂空孔洞。本申请不对孔的形状进行具体的限制。
进一步的，孔阵列中孔周期间距为均匀分布或非均匀分布。小孔阵列分布在透镜腔内的阵列端口、波束端口、虚端口的渐变线开口处附近，不同位置的小孔阵列可以采用不同的孔型、孔径和孔间距。
进一步的，孔阵列与焦面和阵列面轮廓的间距为半波长，间距偏差值不超过1/4波长。小孔阵列构成的曲线与渐变线开口所在的曲线相距约半个波长，精确的间距取值通过仿真优化得出。
本申请提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
本申请中的多波束成形网络透镜结构具有高透射系数，可以降低该类器件的回波损耗，增加透镜的透射率。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定；
图1为波束成形网络器件的通用结构示意图；
图2为端口到透镜腔体渐变传输线的一般形式示意图；
图3为具有两排小孔阵列的透镜结构示意图；
图4(a)-(d)为几种小孔形状示意图；
图5小孔阵列排布示意图；
图6为有小孔阵列和无小孔阵列时波束成形网络的回波损耗仿真图；
图7为有小孔阵列和无小孔阵列时波束成形网络的透射系数仿真图。
具体实施方式
本发明提供了一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，可以降低该类器件的回波损耗，增加透镜的透射率。
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在相互不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述范围内的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
首先，根据Rotman透镜、Bootlace透镜等波束成形网络透镜的常规设计方法得到透镜轮廓，通用轮廓结构如图1所示。传输线与透镜腔连接处的渐变结构一般形式如图2所示。在常规波束成形网络透镜的结构上，接着引入新的小孔阵列结构。
然后，在透镜腔内平行于焦面和阵列面轮廓处排布两排小孔阵列，如图3所示。其中，焦面与阵列面轮廓分别为波束端口连接的渐变结构和阵列端口连接的渐变结构与腔体连接处的边界。
图4为几种小孔形状。小孔具有微弱的电流阻断作用，由于小孔的尺寸远小于波长，更改小孔形状对电流阻断作用影响微弱，所以任意形状的小孔均可用来构造小孔阵列。
图5为小孔阵列的排布示意图。小孔阵列的初始值选取方法为，使小孔阵列与焦面和阵列面轮廓平行且间距L等于半波长，小孔阵列周期间距a等于1/4波长，小孔的半径d等于1/10波长。此处波长为电磁波在透镜腔内介质中的传播波长。
小孔结构的调试方法为，在仿真软件中对小孔半径进行扫描参数仿真，寻找透镜回波损耗最小时的小孔半径作为最终设计值。接着保持小孔半径不变，扫描微调小孔阵列与焦面和阵列面轮廓的间距L，寻找回波损耗最小时的L值作为最终设计值。
图6为有小孔阵列和无小孔阵列时波束成形网络的回波损耗仿真图。在仿真软件中分别仿真无小孔阵列和有小孔阵列的波束成形网络透镜，观察其中任意两个波束端口的S参数可知，本发明中具有小孔阵列结构的透镜回波损耗比常规结构降低了10dB左右。
图7为有小孔阵列和无小孔阵列时波束成形网络的透射率仿真图。在仿真软件中分别仿真无小孔阵列和有小孔阵列的波束成形网络透镜，观察其中任意两个波束端口的到阵列端口的S参数可知，本发明中具有小孔阵列结构的透射率提高了0.2dB左右。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，所述结构包括：透镜，透镜上设有多个波束端口，波束端口通过馈线引入透镜腔，透镜腔的另一端通过相位延迟馈线连接到多个阵列端口，其特征在于，透镜腔内平行于焦面和阵列面轮廓处排布至少一排孔阵列。
2.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，每排孔阵列中，相邻两个孔的中心间距为a，每个孔的直径为d，且孔阵列中任意一孔距离焦面或阵列面轮廓的距离为L。
3.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，孔阵列均匀分布在焦面和阵列面轮廓上。
4.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，透镜制作在PCB或柔性电路板上。
5.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，孔阵列蚀刻在铜箔上。
6.根据权利要求5所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，当透镜以微带形式设计时，孔阵列蚀刻在微带铜箔层上；当透镜以带状线形式设计时，孔阵列蚀刻在带状线内导体铜箔层上。
7.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，孔阵列中孔的孔径和相邻两孔周期间距均不大于1/4波长。
8.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，孔阵列中孔的形状包括：圆孔和多边形孔。
9.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，孔阵列中孔阵列周期间距为均匀分布或非均匀分布。
10.根据权利要求1所述的具有高透射系数的多波束成形网络透镜结构，其特征在于，孔阵列与焦面和阵列面轮廓的间距为半波长，间距偏差值不超过1/4波长。
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