CN108110435A - 单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线 - Google Patents

单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，包含圆极化喇叭天线主体，以及覆盖设置在其顶部上方的单介质平面透镜；其中，单介质平面透镜包含介质基片，以及嵌入设置在其内部的多个阵列单元；该阵列单元采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，且在介质基片内部采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行排布；圆极化喇叭天线主体包含由下至上依次设置的矩形波导、具有斜切角的圆波导和喇叭状的圆开口波导。本发明利用具有圆形通孔的阵列单元作为单介质平面透镜的基本单元，通过调节各个阵列单元的圆形通孔的直径，控制相位分布，实现对圆极化喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，达到提高其增益和定向性的目的。

Description

单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线
技术领域
本发明涉及一种天线，具体是指采用单介质平面透镜加载的、高增益、宽带、集成化的毫米波圆极化喇叭天线，属于天线设计技术领域，主要应用于卫星通信、雷达、成像等领域。
背景技术
近年来随着现代通信和雷达技术的大力发展，传统的低微波频段的频谱资源日益紧张，因此毫米波段以其丰富的频谱资源，越来越成为广大研究人员探索和关注的热点问题。毫米波天线由于具有紧凑的结构，可获得较高的增益、定向性和窄波束宽度，在雷达、成像、卫星通信等领域有着重要的应用前景。
喇叭天线是一种常用的功率辐射器，具有结构简单，波束指向性稳定、宽带、低副瓣等特点，是毫米波天线的一个较好选择。由于喇叭天线的增益主要由其物理尺寸决定。对于高增益、窄波束的应用需求而言，喇叭天线的体积往往比较大。而且当天线口面尺寸增加到一定程度，由于路径差引起的口面相位抵消作用，喇叭天线的增益不增反降。为了提高喇叭天线的增益和定向性且保持天线结构的紧凑性，就有学者提出了加载透镜的喇叭天线的概念。通过在喇叭口面加载三维立体的电磁透镜，实现将喇叭天线的馈电波导辐射的球面电磁波调整为具有较好方向性的平面波。三维立体的电磁透镜主要利用介质材料的曲面外形实现电磁波相位补偿的功能，曲面介质具有连续的相位补偿特性、相位误差小、频率带宽较宽，但依然存在体积比较大、加工难度高等问题。相反，平面二维介质透镜利用单层相移单元来实现相位补偿功能，具有体积紧凑，重量轻，易加工的特点，从而越来越受到人们的青睐。
为了适应卫星通信宽带、高数据率传输的需求，对卫星天线提出了宽带、高增益的要求。目前记载的平面透镜多采用谐振周期单元组成二维平面阵列的形式。谐振周期单元往往具有窄带的特点，多层单元具有较宽的带宽但厚度重量存在问题。为了实现单层宽带透射阵列，需要探索一种新型宽带透波单元，既具有平面的外形，又满足星载应用结构强度的要求。
基于上述，本发明提出一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，以解决现有技术中存在的缺点和限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，利用具有圆形通孔的阵列单元作为单介质平面透镜的基本单元，通过调节各个阵列单元的圆形通孔的直径，控制相位分布，实现对圆极化喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，达到提高其增益和定向性的目的。
为实现上述目的，本发明提供一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，包含圆极化喇叭天线主体，以及覆盖设置在该圆极化喇叭天线主体顶部上方的单介质平面透镜；其中，所述的单介质平面透镜包含介质基片，以及嵌入设置在该介质基片内部的多个阵列单元；所述的阵列单元采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，且在介质基片内部采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行排布；所述的圆极化喇叭天线主体包含由下至上依次设置的矩形波导、具有斜切角的圆波导和开口由窄到宽变化的喇叭状的圆开口波导。
在介质基片内部，各个所述的阵列单元之间均匀间隔设置。
所述的基于馈源相位中心的相位补偿原理算法具体为：设定馈源相位中心位于单介质平面透镜的焦点位置，各个阵列单元的相位分布表示为：
θi＝tan-1(ri/f)；
f＝h-p；
其中，λ0为入射波在空气中的波长，θi为入射路径偏离主轴的角度，f为单介质平面透镜的焦距，ri为入射点距离单介质平面透镜的轴心的距离；h为圆极化喇叭天线主体的高度，p为圆极化喇叭天线主体的相位中心距离圆波导底部的距离；
根据得到的单介质平面透镜中的各个阵列单元的相位分布，确定各个阵列单元的圆形通孔的直径。
所述的阵列单元适用于线极化电磁波或圆极化电磁波。
所述的介质基片采用具有高介电常数的材料制成。
所述的圆开口波导的顶部开口位置处设置有环状金属凸台，单介质平面透镜通过嵌入设置在该金属凸台内实现与圆极化喇叭天线主体的连接。
所述的单介质平面透镜与圆极化喇叭天线主体之间还设有空气层，位于圆开口波导的内部。
所述的具有斜切角的圆波导作为圆极化喇叭天线主体的线圆极化转化器，该圆波导的底端还设置有与矩形波导连接的矩形波导过渡段，该圆波导的顶端还设置有与圆开口波导连接的圆波导过渡段。
所述的圆波导的切线与水平方向的夹角为45°，该圆波导的长度为1.3λ0。
综上所述，本发明所提供的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，利用单层单孔的阵列单元的宽带透波特性，有利于提高单介质平面透镜的带宽；采用高介电常数的介质基片，有利于降低单介质平面透镜的厚度，提高单层阵列单元的相位补偿能力；利用单介质平面透镜加载圆极化喇叭天线的形式，可保持体积紧凑，具有结构简单、重量轻、成本低的优点，特别适合中小型卫星圆极化高增益通信的应用需求。
附图说明
图1为本发明中单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线的结构示意图；
图2为本发明中单介质平面透镜的俯视图，显示阵列单元在介质基片内部的排布状态；
图3为本发明中阵列单元的结构示意图；
图4为本发明中阵列单元对正入射电磁波的频率响应示意图；
图5为本发明中单介质平面透镜基于馈源相位中心的相位补偿原理的示意图；
图6为本发明中的平面透镜加载的喇叭天线反射系数示意图；
图7为本发明中有无单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线的方向示意图；其中，图7a未加载单介质平面透镜，图7b加载单介质平面透镜；
图8为本发明中单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线增益的示意图；
图9为本发明中单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线轴比的示意图。
具体实施方式
以下结合图1～图9，通过优选实施例对本发明的技术内容、构造特征、所达成目的及功效予以详细说明。
如图1所示，为本发明所提供的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其为分层结构，包含圆极化喇叭天线主体2，以及覆盖设置在该圆极化喇叭天线主体2顶部上方的单介质平面透镜1；其中，所述的单介质平面透镜1包含介质基片11，以及嵌入设置在该介质基片11内部的多个阵列单元12；所述的圆极化喇叭天线主体2包含由下至上依次连接设置的矩形波导21、矩形波导过渡段22、具有斜切角的圆波导23、圆波导过渡段24和开口由窄到宽变化的喇叭状的圆开口波导25。
如图3所示，所述的阵列单元12采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，且各个阵列单元12之间均匀间隔设置。在本发明的优选实施例中，所述的阵列单元12的建模和仿真通过CST Microwave Studio来完成，其频率设计为94GHz，相邻阵列单元12之间的间距为1.3mm。该具有圆形通孔的阵列单元对正入射电磁波的频率响应如图4所示，在反射系数低于10dB时的阻抗带宽为90.8～98.1GHz，带内传输损耗低于0.4dB。在设计频率94GHz处的插入损耗为0.01dB，回波损耗为26dB。此时，介质基片11的介电常数为3.02，厚度为6mm，相当于94GHz空气波长的1.88倍。
如图2所示，在所述的介质基片11内部，多个阵列单元12采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行阵面排布。具体的，如图5所示，设定单介质平面透镜1的口径为D，焦距为f，馈源相位中心位于单介质平面透镜1的焦点位置；根据几何光学的相位补偿原理，各个阵列单元12的二维阵面的相位分布可以表示为：
θi＝tan-1(ri/f)；
f＝h-p；
其中，λ0为入射波在空气中的波长，θi为入射路径偏离主轴的角度，f为单介质平面透镜1的焦距，ri为入射点距离单介质平面透镜1的轴心的距离；xi和yi为入射点垂直投射到单介质平面透镜1的平面内的坐标值；h为圆极化喇叭天线主体2的高度，p为圆极化喇叭天线主体2的相位中心距离圆波导23底部的距离；
根据得到的单介质平面透镜1中的各个阵列单元12的相位分布，确定各个阵列单元12的圆形通孔的直径。
在本发明的优选实施例中，圆极化喇叭天线主体2的高度为47.8mm，圆极化喇叭天线主体2的相位中心距离圆波导23底部的距离为9.8mm，因此单介质平面透镜1的焦距为38mm。并且单介质平面透镜1采用尺寸渐变的具有圆形通孔的阵列单元12实现相位补偿的作用，单介质平面透镜1的口径为64mm，阵列单元12的频率为94GHz，介质基片11的介电常数为3.02，厚度为6mm，依据上述的公式可以得到单介质平面透镜1中的各个阵列单元12的相位分布，进而确定各个阵列单元12的圆形通孔的直径。
所述的阵列单元12适用于线极化电磁波或圆极化电磁波。
所述的介质基片11采用具有高介电常数的微波高频板材制成。
如图1所示，所述的圆开口波导25的顶部开口位置处设置有环状金属凸台251，单介质平面透镜1通过嵌入设置在该金属凸台251内实现与圆极化喇叭天线主体2的连接。
所述的单介质平面透镜1与圆极化喇叭天线主体2之间还设有空气层3，位于圆开口波导25的内部。
所述的具有斜切角的圆波导23作为圆极化喇叭天线主体2的线圆极化转化器，该圆波导23的上下两端分别设置有与矩形波导21以及圆开口波导25连接的矩形波导过渡段22和圆波导过渡段24。所述的圆波导23的切线与水平方向的x轴的夹角为45°，该圆波导23的长度为1.3λ0(即1.3倍的波长)。
以下通过一个具体实施例，详细说明本发明提供的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线。本实施例中，圆极化喇叭天线的设计频率为94GHz，平面透镜加载的喇叭天线的反射系数如图6所示，图中S11表示喇叭天线的反射系数。通过加载单介质平面透镜1，圆极化喇叭天线在88～104GHz的整个通带内的反射系数均低于-10dB。
有无单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线E面和H面的方向图如图7所示。其中，如图7a所示，无单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线方向图的中心出现了波瓣分裂现象，这是圆波导辐射的电磁波到达喇叭口径面时出现反相抵消的效果。圆极化喇叭天线的轴向增益在94GHz时只有12.1dB，圆极化喇叭天线在主瓣3dB波束宽度为39°，副瓣低于-2.1dB。如图7b所示，通过加载单介质平面透镜，对喇叭口径面上的电磁波进行相位校正，圆极化喇叭天线的法向增益为28.1dB，增加了16dB，并且加载单介质平面透镜的圆极化喇叭天线在主瓣3dB波束宽度为5.5°，副瓣低于-23.6dB。
因此，通过加载单介质平面透镜，圆极化喇叭天线的定向性、增益和波束宽度、副瓣等性能都得到了一定程度的改善。单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线的增益如图8所示，通过加载单介质平面透镜，喇叭天线的最高增益在88GHz达到30.4dB。单介质平面透镜加载的圆极化喇叭天线的轴比如图9所示，3dB轴比带宽为88～104GHz。
综上所述，本发明所提供的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，利用具有圆形通孔的阵列单元作为单介质平面透镜的基本单元，通过调节各个阵列单元的圆形通孔的直径，控制相位分布，实现对圆极化喇叭天线发射电磁波的相位补偿作用，从而达到提高其增益和定向性的目的。并且，利用单层单孔的阵列单元的宽带透波特性，有利于提高单介质平面透镜的带宽；采用高介电常数的介质基片，有利于降低单介质平面透镜的厚度，提高单层阵列单元的相位补偿能力；利用单介质平面透镜加载圆极化喇叭天线的形式，可保持体积紧凑，具有结构简单、重量轻、成本低的优点，特别适合中小型卫星圆极化高增益通信的应用需求。
与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：
1、本发明提供的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，可满足W波段圆极化卫星通信的应用需求；
2、与传统平面透镜加载的天线不同，本发明采用高介电常数的材料制成介质基片，阵列单元采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，具有宽带、低损耗的特点，且结构紧凑、厚度低；
3、采用联合圆极化喇叭天线的相位中心的单介质平面透镜的设计方法，结合圆极化喇叭天线的相位中心设计透镜中各个阵列单元的排布，具有提高天线整体增益和效率的作用；
4、圆极化喇叭天线主体与单介质平面透镜采用一体化的设计方法，可推广至其他毫米波高频波段甚至THz波段，适用于其他任意尺寸的平面透镜天线，适用于圆极化高增益天线，同时也适用于线极化高增益天线的设计、建模和加工；
5、整个天线阵面各分区均利用印刷电路板工艺生产，成本低、精度高、重复性好，适合大批量生产。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，包含：圆极化喇叭天线主体，以及覆盖设置在该圆极化喇叭天线主体顶部上方的单介质平面透镜；
所述的单介质平面透镜包含介质基片，以及嵌入设置在该介质基片内部的多个阵列单元；
所述的阵列单元采用方形柱体并在其中心开设圆形通孔的结构形式，且在介质基片内部采用基于馈源相位中心的相位补偿原理算法进行排布；
所述的圆极化喇叭天线主体包含由下至上依次设置的矩形波导、具有斜切角的圆波导和开口由窄到宽变化的喇叭状的圆开口波导。
2.如权利要求1所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，在介质基片内部，各个所述的阵列单元之间均匀间隔设置。
3.如权利要求1所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的基于馈源相位中心的相位补偿原理算法具体为：设定馈源相位中心位于单介质平面透镜的焦点位置，各个阵列单元的相位分布表示为：
θi＝tan-1(ri/f)；
f＝h-p；
其中，λ0为入射波在空气中的波长，θi为入射路径偏离主轴的角度，f为单介质平面透镜的焦距，ri为入射点距离单介质平面透镜的轴心的距离；h为圆极化喇叭天线主体的高度，p为圆极化喇叭天线主体的相位中心距离圆波导底部的距离；
根据得到的单介质平面透镜中的各个阵列单元的相位分布，确定各个阵列单元的圆形通孔的直径。
4.如权利要求1所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的阵列单元适用于线极化电磁波或圆极化电磁波。
5.如权利要求1所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的介质基片采用具有高介电常数的材料制成。
6.如权利要求1所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的圆开口波导的顶部开口位置处设置有环状金属凸台，单介质平面透镜通过嵌入设置在该金属凸台内实现与圆极化喇叭天线主体的连接。
7.如权利要求6所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的单介质平面透镜与圆极化喇叭天线主体之间还设有空气层，位于圆开口波导的内部。
8.如权利要求4所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的具有斜切角的圆波导作为圆极化喇叭天线主体的线圆极化转化器，该圆波导的底端还设置有与矩形波导连接的矩形波导过渡段，该圆波导的顶端还设置有与圆开口波导连接的圆波导过渡段。
9.如权利要求8所述的单介质平面透镜加载的毫米波高增益圆极化喇叭天线，其特征在于，所述的圆波导的切线与水平方向的夹角为45°，该圆波导的长度为1.3λ0。
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