CN109088173A - 基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于宽角扫描及多波束定向通信系统的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线。它的基本结构包括五层介质的椭圆介质透镜和微带贴片为单元的1*9相控阵。该透镜天线通过变换光学进行厚度上的压缩，并保持原有的球形龙伯透镜的聚焦性能，同时对介电常数范围进行了控制，以便于加工，再根据单元方向图叠加算法，优化相控阵的单元幅相，实现了精准的宽角扫描，并且相对于相控阵有很高的增益提升，较好地解决了相控阵馈电的透镜天线应用在较低剖面、宽角扫描的需求，能更好的在多波束定向通信和宽角扫描系统中发挥作用。基于本发明的基本结构，合理改变填充介质种类、天线尺寸、馈源单元形式、阵列布阵方式即可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线

技术领域

本发明属于天线技术领域，涉及到椭球介质透镜天线，具体来说是用于波束扫描和多波束通信的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、较低剖面、宽角扫描和5G通信等使用场景。

背景技术

多波束天线在现代天线已经成为了一个重要分支，随着船舶导航、卫星通信、电子对抗及目标追踪等领域对多波束天线的迫切需求，具有高增益、低副瓣、宽扫描角、高速扫描以及制造成本低等特点的多波束天线被重点关注。本发明正是基于上述需求，设计了基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、较低剖面、宽角扫描和5G通信等使用场景。

相控阵天线与龙伯透镜透镜天线是目前最为主流的多波束天线形式。其中龙伯透镜天线由于其自身的对称性以及宽带结构，能够很好的满足目前通信系统对于天线多波束扫描特性以及宽频段应用的要求，但同时由于透镜天线在多波束扫描中依赖于不同馈源间的切换，所以在多波束扫描应用中虽然具有良好的一致性，但是所需端口数过多，造成天线加工的困难以及尺寸重量上的劣势。

传统相控阵天线在进行多波束扫描时只需改变各个单元的激励幅度与相位，在移相器精度足够的情况下可以使用较少的单元数目实现较高精度的扫描特性，但因其大角度扫描能力有所欠缺，并且所需T/R组件数目较多，成本较高，使其一般难以用于民用通信领域，所以单独使用相控阵天线并不是很好的方案。

近年来，随着变换光学(Transformation Optics)理论的提出，许多新型透镜天线被设计出来，也有许多研究者将目光投向传统龙伯透镜的改进上，龙伯透镜有望重获新生。采用变换光学方法可以将龙伯球压缩成平板透镜，不仅体积轻巧，还可以具有平面的聚焦面，易于集成，但变换后的龙伯透镜电磁参数发生改变，往往体现出各向异性，实际材料难以形成。

理论上的球形龙伯透镜其介电常数从内层到表面满足2到1的变化规律，因此一直以来的材料技术和制造水平限制了这种天线的应用。经过多年研究，提出了材料制作工艺的一些基本方法和准则，其中最具代表性的是基于塑料树脂材料的热发泡技术、基于钻孔结构实现较低介电常数等效技术。日本住友电气工业株式会社在专利CN 101057370中通过开模方法对泡沫塑料珠料进行发泡，但是这种方法工艺流程非常复杂且发泡均匀性难以控制，对加工条件要求很高，导致加工成本不可控制、批量生产困难。美国专利发明者Michael.P.Carpenter等在专利号US 6433936 B1公开的题为“Lens of GradientDielectric Constant and Methods of Production”中将热塑性树脂膨胀珠(聚苯乙烯、聚酰胺等)中掺杂陶瓷材料(二氧化钛、二氧化硅等)填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节泡沫模制品的密度及陶瓷含量来控制每层球壳的介电常数，该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂，不适合量产。2011年东南大学崔铁军教授团队在Applied Physics Letters.(vol.95,issue 18,id.181901,2009)上发表的题为“Broadband planar Luneburg lens based on complementary metamaterials”论文中利用电磁超材料设计了工作于Ku波段的龙伯透镜天线，但是由于是采用附着金属的PCB板来实现超材料，导致了该天线的损耗过大，天线口径效率甚低。在公开号为CN107627611A的专利中，公开了一种基于3D打印技术的球形龙伯透镜设计方法，成本为传统分层结构的四分之一，每个基本单元的介电常数可调，但是至少一种材料的介电常数不大于1，至少一种材料的介电常数不小于2，无法使用同一种材料进行加工，且介电常数不大于1的材料实际上难以实现。在公开号为CN107369876A的专利中，公开了一种半球透镜和反射地板的天线结构，整体通过机械臂调控透镜相对位置进行波束扫描，实时性较差。2014年郝杨等人在IEEETransactions On Antennas and Propagation上发表的题为“Flat Luneburg Lens viaTransformation Optics for Directive Antenna Applications”论文中利用变化光学成功将球形龙伯透镜压缩为圆柱形介质透镜，但是通过机械移动馈源扫描仅到34°，并且最内层介电常数高达12，难以实现且实际加工成本高。

与以前公开的发明专利和论文相比，本发明的透镜天线主要针对传统球形龙伯透镜体积大，最外层介电常数较低不易加工，以及传统相控阵扫描角小、增益低的问题，采用变换光学对传统球龙伯透镜进行压缩形成剖面为椭圆的分层介质透镜天线，压缩比为2，降低剖面一半，并对每层介电常数进行限制，加载相控阵馈源后，通过单元方向图叠加原理，利用优化算法优化相控阵幅相，在商用电磁仿真软件Ansys HFSS中进行仿真，相对于馈电相控阵本身增益提高7dBi，扫描角扩宽至45°，天线口径效率51％。本发明结构简单，介电常数控制在1.5～3，加工可采取同种材料进行3D打印，适用于毫米波频段、低成本、较低剖面和宽角扫描等场景。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景及要求，提出了基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，具体来说，针对工作于Ka频段的椭球介质透镜，该天线通过变换光学方法将传统球形龙伯透镜压缩成剖面为椭圆的介质分层透镜，该透镜总共分为5层，压缩比为2，降低剖面一半。相控阵馈源采用微带贴片单元，同轴馈电，单元间距为0.65倍波长，共9个单元，焦径比仅为0.1。采用商用电磁仿真软件Ansys HFSS进行仿真，相控阵单独扫描时，0°增益为16.7dBi，扫描至45°时，增益为14.05dBi，并且从40°开始出现栅瓣，扫描性能大幅度下降。而该椭球介质透镜在相控阵激励下，利用单元方向图叠加算法优化相控阵幅相，能够实现±45°扫描，无栅瓣，并且增益最高为0°时24.2dBi(天线口径效率51％)，扫描至45°时，增益为20.68dBi。相比于馈电相控阵本身，该相控阵馈电的椭球介质透镜天线通过变换光学和单元方向图叠加算法，实现了增益的大幅度提升，平均提高了7dBi，且波束扫描角范围扩大至45°，可以更好地应用于多波束定向通信系统和宽角扫描通信系统。

变换光学(TO)是一种关于通过坐标变换来改变电磁参数的分布，从而达到我们想要实现的电磁场特性。在该椭球介质透镜的设计过程中，本发明利用了变换光学来对传统球形龙伯透镜进行压缩并保持一定的天线口径效率(51％)。

变换光学的核心思想是基于麦克斯韦方程组在坐标变换下方程组形式的不变性。通过这种不变性，可得到如下的公式：

A为雅可比矩阵，是从原始空间到变换空间的转换矩阵，A^T为A的转置。

在设计椭球介质透镜的过程中，通过以上公式，可以计算得到介电常数的分布，将分布代入优化算法，即可对其余参数进行优化设计，形成最终的轴比为2的椭球透镜介质天线。限制了介电常数的范围值之后，能够避免传统龙伯透镜最外层过低介电常数无法等效的问题，同时在短轴方向上，形成了2倍的压缩，带来了透镜天线的剖面降低，能够更多的应用于低剖面场景。

本发明采用的单元方向图叠加算法，能够实时模拟出电磁仿真软件中相控阵馈电的椭球介质透镜的扫描情况，不同于平常所模拟的归一化方向图，直接可实现对增益的控制，而不局限于方向图形状的控制。具体公式如下：

相比于传统的归一化方向图算法，采用本发明的单元方向图叠加算法优化相控阵幅相能更好地控制增益和宽角扫描。

附图说明

图1为本发明变换光学椭球介质透镜介电常数分布图；

图2为本发明基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线的三维结构图；

图3为本发明基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线的侧视图；

图4为本发明相控阵单独激励在28GHz的扫描方向图；

图5为本发明基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线在27-29GHz的驻波比；

图6为本发明基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线在28GHz的扫描方向图；

具体实施方案

图1示例性的描述了利用变化光学对传统球形龙伯透镜天线进行压缩变形后，椭球介质透镜的介电常数分布情况，依图所示，椭球介质透镜的中心介电常数最高为4，在边缘最外层逐渐逼近于1，由此可以在优化算法里对椭球介质透镜的介电常数进行范围限制1.5～3，既满足变换光学的性质，也能保证介电常数不会过低。图2和图3描述了基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线的设计结构，由图所示，此结构包括从外到内的五层椭球介质(1)(2)(3)(4)(5)、1*9方形微带贴片天线阵列(6)(7)(8)。

椭球介质透镜长轴和短轴的轴比为2(剖面降低一半)，并以长轴为直径，短轴为厚度，在短轴方向上缩减了传统球形龙伯透镜的厚度，通过优化算法，在介电常数1.5～3的范围限制下，对每一层的介电常数和尺寸进行优化，形成了如图2的椭球介质透镜天线，该透镜保持了原有龙伯透镜的特性，在商用电磁仿真软件Ansys HFSS中仿真的天线口径效率为51％。相控阵距离透镜边缘为0.65倍波长，焦径比仅为0.1。相控阵单元采取的是方形微带贴片(6)，并使用同轴馈电，简单易加工，通过本发明提出的单元方向图叠加算法，实现宽角扫描至45°和增益平均提高7dBi。

图4描述了当只有相控阵馈源时(不加载椭球介质透镜)，通过对相控阵分配相位，在商用电磁仿真软件Ansys HFSS中仿真得到的28GHz扫描方向图(布阵方向所在面扫描)。由图4所示，相控阵在扫描至40°附近时，开始出现栅瓣，此时扫描性能大量下降，不足以满足宽角扫描的应用场景。

图5描述了基于相控阵馈电的椭球介质透镜在27-29GHz的9个端口的驻波比，由图5所示，在27-29GHz频段内，9个端口驻波比均小于2.25。

图6描述了基于相控阵馈电的椭球介质透镜在28GHz的扫描方向图。先根据单元方向图叠加算法，优化得到每个单元的幅度和相位，代入商用电磁仿真软件AnsysHFSS中，形成了如图5的扫描方向图(布阵方向所在面扫描)。由图5所示，在0°(不扫描)时，椭球介质透镜增益为24.2dBi，相对于馈电相控阵本身，增益提高了7.5dBi；扫描至45°时，椭球介质透镜增益为20.68dBi，相对于馈电相控阵本身，增益提高了6.6dBi，同时可见栅瓣已经消失，副瓣均小于-10dBi，明显提高了扫描角度，增益也有很大提升。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。该方法可以通过改变馈电相控阵为面阵形式拓展至二维波束扫描情形。

Claims (4)

1.一种基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，它包括：分5层的椭球透镜，从外到内依次为(1)(2)(3)(4)(5)，介电常数从外到内逐渐增大，最内层(5)为实心椭球，其它层(1)(2)(3)(4)为内部掏空的椭球壳；方形微带贴片天线阵列(6)(7)(8)，天线阵列有9个贴片单元(6)，(7)(8)分别为介质基板和地板，单元间距0.65倍工作波长，采用同轴馈电。

2.根据权利要求1所述的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，其特征在于采用了变换光学方法对球形龙伯透镜进行压缩变换，在保持较高天线口径效率的同时降低其剖面，显著提高了馈电相控阵的增益并拓展其扫描角至45°，从而有利于低成本、低剖面、宽角扫描等应用场景的设计。

3.根据权利要求1所述的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，其特征在于利用变换光学将椭球透镜每层的介电常数控制在1.5～3，以满足3D打印对材料的要求，一定程度上避免了过低介电常数无法等效的问题。通过等效媒质理论打孔实现分层不同介电常数的等效，同时也有利于降低介质损耗。

4.根据权利要求1所述的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，其特征在于通过单元方向图叠加原理，利用优化算法对相控阵幅相进行优化实现波束扫描，扩宽波束扫描角至45°以上。