CN109103604B - 一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于阶梯介质的新型高增益、宽角扫描透镜天线，属于微波毫米波天线技术领域。该天线包括透镜天线，以及位于透镜天线下方水平放置的贴片天线馈源阵列；所述透镜天线包括紧密贴合的上层球壳部分、下层圆台部分、以及内部扇形球体部分。透镜天线各部分不同的厚度和介电常数能有效聚集电磁波，重新调整电磁波幅度和相位，实现高增益；下层圆台形状的轮廓能有效折射电磁波，结合贴片天线馈源阵列的摆放位置，能有效实现大角度扫描。本发明可以用于毫米波通信系统及雷达通信中，其优点是保证高增益的同时能进行极大范围内的扫描，同时馈电简单，馈源个数较少，安装方便且成本低。

Description

一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线
技术领域
本发明属于微波毫米波天线技术领域，涉及一种阶梯介质渐变的新型高增益、宽角扫描透镜天线。
背景技术
近年来，毫米波通信系统由于其高数据容量而备受关注，其广泛应用在点对点、点对多通信，WIFI系统，雷达系统等多个领域，故大角度扫描天线的设计是十分必要的。但由于毫米波频段路径损耗大，这就同时要求天线要具有高增益特性。而传统的具有高增益、多角度扫描的透镜，如相控阵实现起来成本较高，而且很难精确控制大规模的收发组件，所以设计一种毫米波高增益、宽角扫描的透镜天线仍是学术界研究的热点问题。
近些年来，国际天线领域的相关学者提出用介质集成透镜来实现高增益设计的目标，Alexey Artemenko等人设计了一种用贴片天线馈电的介质集成透镜(AlexeyArtemenko,Alexander Maltsev,Andrey Mozharovskiy,“Millimeter-WaveElectronically Steerable Integrated Lens Antenna for WLAN/WPAN Applications,”IEEE Transactions on Antennas and Propagation,vol.61,no.4pp.1665-1671,2013)，该设计针对馈源的电磁波辐射特性，合理优化透镜的尺寸和形状，可以达到高增益的目标，但其扫描角度却仍然十分受限。
综上所述，为实现高增益、宽角扫描天线，传统相控方式成本高且操作复杂，而介质集成透镜也存在扫描角度较小的问题。本发明正是针对这些关键问题而提出。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，设计一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，在实现天线高增益的基础上，同时实现宽角扫描、易操作和低成本化。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，包括透镜天线，以及位于透镜天线下方水平放置的贴片天线馈源阵列。
所述透镜天线包括紧密贴合的上层球壳部分、下层圆台部分、以及内部扇形球体部分；所述上层球壳部分为紧密贴合的2-5层由外至内介电常数递增的球壳结构；所述下层圆台部分为紧密贴合的2-5层由外至内介电常数递增的圆台结构；所述内部扇形球体部分为紧密贴合的3-7层介电常数不同的扇形球体结构。
根据斯奈尔定律，下层外轮廓设计成圆台形状，将电磁波大角度折射，有利于天线的大角度扫描；内部设计成扇形球体结构，有利于聚集电磁波提高天线增益；上层球壳部分、下层圆台部分以及内部扇形球体部分的具体层数与介电常数分布均由目标扫描角度及电磁波照射幅度相位分布情况而定；各分块的组装遵从由内而外，由下而上的原则，通过胶层将各分块粘贴在一起；贴片天线馈源阵列位置可根据透镜天线尺寸和介电常数分布而变化，贴片天线馈源阵列数目根据要求的扫描角度而变化。
进一步地，所述上层球壳部分与下层圆台部分之间通过胶层粘合固定。
进一步的，所述下层圆台部分每层的内侧斜率由目标扫描角和电磁波照射角度决定。
进一步的，所述的贴片天线馈源阵列由若干个周期排列的贴片天线单元组成；馈源阵列与透镜天线之间的距离根据透镜天线尺寸和介电常数分布而定，馈源阵列数目根据具体扫描角度和增益要求而定。本发明实施例以二维扫描为例，馈源排布呈矩形；若进行全空间的三维扫描，馈源阵列可旋转对称排布，形状位置可适当变化。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
(1)本发明所采用的介质阶梯透镜由多层具有不同形状和介电常数的部分组成，对电磁波折射路径起到了很好的约束作用，使透镜能同时具有高增益和大角度扫描的特点。
(2)本发明避免了复杂的馈电设计，在大角度扫描时有效降低了馈源组件数量和成本、结构简单、易于操作、成本低。
(3)本发明可以通过等比改变透镜尺寸，可应用于不同频段；或等比扩大透镜尺寸，实现更高的增益。
附图说明
图1是本发明的总体结构展开示意图。
图2是本发明的透镜天线二维剖面示意图。
图3是本发明的贴片天线馈源阵列示意图。
图4是本发明在28GHz高频远场E面方向图。
图5是本发明在28GHz典型扫描角度的E、H面方向图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施实施方式和附图，对本发明作进一步详细描述。
如图1的总体结构展开图所示，一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线包括上层球壳部分1、下层圆台部分2、内部扇形球体部分3、用于各层固定组合的胶层4以及贴片天线馈源阵列5。所述的上层球壳部分1由第一层球壳10、第二层球壳11以及第三层球壳12由外而内紧密贴合而成，介电常数由外而内逐渐增加分别为1.75、2.1、2.53，由外而内各层球壳外半径大小分别为53.2mm，39.27mm，30.64mm。下层圆台部分2由第一层圆台20以及第二层圆台21由外而内紧密贴合而成，介电常数由外而内分别为1.75和2.1，圆台底部各层尺寸如图2标注所示，分别为W1＝22.28mm，W2＝59.05mm，W3＝87.65mm。内部扇形球体部分3由第一层扇形球体部分30、第二层扇形球体部分31、第三层扇形球体部分32以及第四层扇形球体部分33由上至下紧密排列而成，曲率由上至下分别为0.0144、0.0162、0.0238、0.0258，介电常数由上至下分别为3.24、3.7、3.12、2.1，厚度由上至下分别为7.63mm，19.81mm，3.16mm，10.7mm。分块组装遵从由内而外、由下而上的原则，通过胶层4将各分块粘贴在一起。
进一步的，如图2的二维剖面图所示，透镜工作在以28GHz为中心频点的毫米波波段，透镜整体轮廓的最大直径106.4mm，总高度88mm，下层圆台部分高度34.5mm；同时上层球壳部分的第一层球壳10与下层圆台部分的第一层圆台20的厚度一致；上层球壳部分的第二层球壳与下层圆台部分的第二层圆台上端的厚度一致。
进一步的，如图3的贴片天线馈源阵列示意图所示，贴片天线馈源阵列5位于透镜下方水平放置，由5×11个贴片天线单元50沿水平、竖直方向周期排列而成；贴片天线馈源阵列5距离透镜下表面距离1.1mm。单元数目可根据具体扫描角度而定，辐射贴片尺寸根据使用的介质基板和工作频率而定，但整个贴片单元的边界尺寸均是正方形，且具有相同边长6.128mm。
图4给出了具体实施例中，介质阶梯透镜在理想馈电位置下28GHz的E面扫描方向图。从图中可以看到，透镜在保证稳定的波束交叠的情况下，可同时实现±57°范围的大角度连续扫描，最大增益达到28.2dB，最小增益23.8dB,口径效率高达67.5％，实现了高增益、宽角扫描功能。具体的，透镜是旋转对称结构，馈源阵列也旋转对称排布，则可实现空间范围内，3维的连续大角度扫描。
图5给出了具体实施例中，介质阶梯透镜在0°、57°扫描角下，辐射方向的E面、H面辐射方向图；从图中可以看到，透镜在典型角度下，E面、H面辐射方向图基本吻合，在57°扫描时有些许差异原因在于本案例以二维扫描为例，馈源阵列排布是矩形，没有旋转对称。
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，在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上做出各种变化。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (6)

1.一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，包括透镜、以及位于透镜下方水平放置的贴片天线馈源阵列；
所述透镜包括紧密贴合的上层球壳部分、下层圆台部分、以及内部扇形球体部分；所述上层球壳部分为中空的类半球壳体结构，所述下层圆台部分为中空的圆台结构；所述上层球壳部分的下侧平面与下层圆台部分的上表面内、外半径相同，上层球壳部分与下层圆台部分组成中空的外层壳体，外层壳体内的中空部分填充有内部扇形球体部分；所述上层球壳部分为紧密贴合的若干层由外至内介电常数递增的球壳结构；所述下层圆台部分为紧密贴合的若干层由外至内介电常数递增的圆台结构；所述内部扇形球体部分为紧密贴合的若干层介电常数不同的扇形球体结构。
2.如权利要求1所述的一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，其特征在于：所述上层球壳部分与下层圆台部分之间通过胶层粘合固定。
3.如权利要求1所述的一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，其特征在于：所述的贴片天线馈源阵列由若干个周期排列的贴片天线单元组成。
4.如权利要求1或2所述的一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，其特征在于：所述上层球壳部分为紧密贴合的2-5层球壳结构。
5.如权利要求1或2所述的一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，其特征在于：所述下层圆台部分为紧密贴合的2-5层圆台结构。
6.如权利要求1或2所述的一种基于阶梯介质的高增益、宽角扫描透镜天线，其特征在于：所述内部扇形球体部分为紧密贴合的3-7层扇形球体结构。
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