CN109378585B - 半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于大规模多波束定向通信及半空间范围波束扫描的一种半空间波束覆盖圆极化龙伯透镜天线。它的基本结构包括若干个圆极化微带馈源天线组成的球面阵、一个3D打印技术加工的分层介质透镜和球面形的有机玻璃固定支架。该透镜天线是利用小型圆极化微带天线作为馈源天线，并以半球面非均匀的形式组成馈源阵列镶嵌在一个有机玻璃制成的固定支架上，减轻了大范围波束扫描时存在的口径遮挡问题，实现了半空间范围的波束扫描，解决了设计工作在半空间波束覆盖的应用背景下的龙伯透镜天线的过程中遇到的一系列设计和加工问题，有助于龙伯透镜天线更好的应用于大规模多波束定向通信和半空间范围波束扫描的使用场景和相应的市场需求。

Description

半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及到龙伯透镜天线，具体来说是用于多波束定向通信及波束扫描的半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线，尤其适用于工作在大规模多波束定向通信和半空间范围波束扫描的使用场景。
背景技术
由于船舶导航、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、窄波束、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，设计了半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线，尤其适用于工作在大规模多波束定向通信和半空间范围波束扫描的使用场景。
球面龙伯透镜天线是一种具有全向对称结构的透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现宽角范围内的多波束覆盖，且波束一致性好。透镜主体多由防潮抗酸耐腐蚀的介质材料构成，对周围环境的适应力强；并且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，工作频带取决于馈源的频带，可适用于大容量的宽带通信系统中。
理论上的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。自上世纪40年代龙伯透镜天线被提出以来，国内外专家学者对其设计理论和制作工艺进行了系统的分析和研究。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CN101057370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 6433936B1公开的题为“Lens ofGradient Dielectric 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。D L.Runyon等人在美国专利US 5677796公开的题为“Luneberg lens and method of constructing same”中详细介绍了一种利用二次曲线形的特殊钻头沿介质透镜的半径方向开渐变锥形孔的方法，从而设计出满足龙伯透镜介电常数渐变规律的龙伯透镜，该方法不仅加工难度大且需考虑材料的机械强度，因而成本也较高；且由于本底材料质量密度一般均较高，对于较大型龙伯透镜其重量问题突出。2017年M.Kamran Saleem等人在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS ANDPROPAGATION,VOL.65,NO.4,APRIL 2017发表一篇题为“Lens Antenna for Wide AngleBeam Scanning at 79GHz for Automotive Short Range Radar Applications”的论文中设计了一种可以在方位面0°～170°多波束扫描的龙伯透镜天线，但该天线只能在方位面上进行波束扫描，且整体增益较低，边缘波束增益下降严重，边缘波束增益只有10dBi。黄明于2017年在IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION发表一篇题为“A CompactBroadband Switched Beam Antenna With 360°Multibeam Scanning OmnidirectionalCoverage”的论文中设计了一种可以在方位面360°全向波束扫描的柱面龙伯透镜天线，该天线分为两层以减轻馈源对天线口径的遮挡问题，所以该天线的剖面较高，比较笨重。该天线也无法在俯仰面上进行波束扫描且因为口径遮挡问题导致波束变形增益下降的现象仍然较为严重，在某些频点和角度波束无法正常交叠。
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龙伯透镜天线大范围扫描时存在严重的口径遮挡导致波束变形和增益下降的问题，采用长宽不足半波长的小型化圆极化微带馈源，采用一种半球面非均匀的微带馈源阵列和有机玻璃加工的半球面形的低损耗、低反射的固定架，设计出多层等效介电常数、波束扫描范围完全覆盖半空间的球龙伯透镜天线。实现了半空间范围的波束覆盖与波束扫描，且整体增益大于11dBi,边缘波束增益达到14.4dBi较最大增益仅下降2.4dB。本发明结构简单，加工工艺成熟、稳定，尤其适用工作于7.7GHz-8.1GHz的圆极化多波束定向通信和需要半空间范围波束扫描的需求场景。
发明内容
本发明鉴于上述技术背景及要求，提出了半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线，具体来说，针对工作于7.7GHz-8.1GHz的龙伯透镜天线，该天线的填充介质分为五层，五层分别为5个由3D打印技术制成的球壳，且介电常数不同，最外层介质球壳直径为1.3倍波长。46个馈源天线以非均匀排列的方式覆盖在球面透镜的半个表面，镶嵌在有机玻璃制成的半球形固定架上，保证波束完全覆盖半空间并减轻边缘波束的口径遮挡问题。该天线在俯仰面扫描角度大于-85°～85°，方位面能实现360°波束覆盖。该透镜天线采用一种半球面形非均匀的馈源阵列，不仅减少了馈源数量，而且实现了半空间大范围的波束覆盖和整体轻量化，使其能更好的应用于圆极化多波束定向通信和波束扫描天线，尤其是需要半空间波束覆盖和大规模组阵的应用场合。
等效媒质理论是一种关于混合介质材料电磁特性的宏观等效理论。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。在龙伯透镜天线的设计过程中，本发明采用A-BG等效媒质理论来进行等效。其计算公式如下：
其中εeff为混合材料的等效介电常数，εi为填充材料的介电常数，εh为基底材料的介电常数，p为3D打印填充材料体积占整个混合材料体积的体积比分数。
本发明中的透镜部分由3D打印技术加工制成，透镜分为5层，通过控制3D打印填充材料的填充比例使得透镜各层从内到外介电常数逐层减小。3D打印技术加工的龙伯透镜具有加工简单、成本低、等效均匀一致性好、易于控制介电常数和材料机械强度高等优点。
球面龙伯透镜天线是一种具有全向对称结构的透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现宽角范围内的多波束覆盖，且波束一致性好。但是随着波束扫描范围的增大馈源和结构件对透镜的口径遮挡效应也在逐渐加剧，导致边缘波束的变形和增益下降。
本发明最突出的创新之处在于采用一种半球面形非均匀的微带馈源阵，不仅减少了馈源数量，而且实现了半空间大范围的波束覆盖和轻量化。本发明的馈源天线为13mm*13mm的矩形圆极化微带天线，馈源天线分为三层：上层为辐射贴片，中层为金属地板，下层为一个威尔金森功分器作为馈电网络。该馈源天线具有波束宽、阻抗和轴比带宽高，小型化(小于半个工作波长)等优点。其中馈源的小型化有利于馈源布阵和大范围波束扫描时边缘波束的口径遮挡问题。因为球面或者柱面的透镜波束一致性好，通常龙伯透镜天线的馈源均匀等间距地分布在透镜的表面。但是当波束的扫描范围很大时，大角度扫描的波束会被馈源天线和结构件遮挡，导致波束变形和增益下降。此时均匀的排布方式很难满足设计要求，大角度的波束很有可能无法交叠或者小角度的波束过于拥挤。本发明的馈源天线的分布按扫描角度优化，馈源按俯仰面的扫描角度变化分为5层：第一层1个、第二层6个、第三层12个、第四层12个、第五层15个，且每层之间的间距都不同。因为上层波束覆盖的空间要比下层大，所以为保证波束3dB交叠,上层的馈源数要大于下层(例如第五层与第四层)，但数目并非越多越好，数目增多会加剧大角度扫描时的口径遮挡问题，使得波束变形与增益下降。因为大角度扫描时波束会因为口径遮挡效应发生波束变形和增益下降，且这种负面效应会随扫描角度增大而加剧，所以每层馈源之间的间距也不同。针对不同扫描角度时不同的波束宽度和增益对每层馈源之间的间距进行优化，有利于提高波束的空间利用率和减轻大范围扫描时的口径遮挡问题。
本发明的特点是针对龙伯透镜天线大范围波束扫描时的口径遮挡效应，采用小型化馈源并以一种特殊的非均匀的方式半球面排布解决了在设计半空间波束覆盖的龙伯透镜天线的过程中遇到的一系列的设计和加工问题，有助于龙伯透镜天线更好的应用于大规模多波束定向通信和半空间范围波束扫描的使用场景和相应的市场需求。
本发明的另一个特点是使用有机玻璃制作的厚度为半个波长半球形支架，该支架用来固定球形透镜和馈源天线。该支架具有低反射、低损耗、机械强度高、加工简单和成本低等优点，解决了天线批量加工的问题。
本发明实施方式是馈源辐射的电磁波入射到龙伯透镜上，经过龙伯透镜的层层折射，以平面波形式出射，方位面波束得到汇聚，形成窄波束。本发明采用小型的微带天线做馈源，单个馈源时方位面3dB波束宽度为20°。另外，可以沿该透镜天线焦点所在球面排列微带馈源天线，通过对相邻馈源的依次激励，可以实现在方位面宽角范围内的3dB波束覆盖。
附图说明
图1为本发明半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的三维结构图；
图2为本发明半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的俯视图和侧视图；
图3为本发明半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的拆掉透镜部分的俯视图；
图4为本发明半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的透镜竖直剖面图；
图5为本发明采用小型圆极化微带天线做馈源的龙伯透镜天线的电压驻波比；
图6为本发明龙伯透镜天线的辐射方向的轴比；
图7为本发明龙伯透镜天线在方位角为0的°俯仰面上五个馈源依次激励时在俯仰面形成的五个波束交叠的方向图；
图8为本发明龙伯透镜天线在方位角为90°的俯仰面上五个馈源依次激励时在俯仰面形成的五个波束交叠的方向图；
图9为本发明龙伯透镜天线在俯仰角为75°的方位面上十五个馈源依次激励时在方位面形成的十五个波束交叠的方向图；
图10为本发明龙伯透镜天线在俯仰角为53°的方位面上十二个馈源依次激励时在方位面形成的十二个波束交叠的方向图；
图11为本发明龙伯透镜天线在俯仰角为34°的方位面上十二个馈源依次激励时在方位面形成的十二个波束交叠的方向图；
图12为本发明龙伯透镜天线在俯仰角为20°的方位面上六个馈源依次激励时在方位面形成的十二个波束交叠的方向图。
具体实施方案
图1和图2示例性地描述了半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的设计结构。依图所示，此结构包括龙伯透镜(1)、呈半球壳的馈源固定支架(2)、半球面馈源阵(3)、结构支撑柱(4)、固定底座(5)、透镜固定圆盘(6)。
微带馈源天线具有波瓣宽和低交叉极化特性，能够对龙伯透镜进行有效均匀地照射，使得该龙伯透镜天线有高的口径效率，且具有较小的尺寸，长宽为13mm，小于半个工作波长，这有利于减小俯仰面大角度扫描时口径遮挡且便于馈源的排布。46个微带馈源天线组成的半球面馈源阵(3)沿龙伯透镜(1)焦点上呈半球面状排列，该透镜天线的龙伯透镜(1)和半球面馈源阵(3)靠一个有机玻璃加工的呈半球壳的馈源固定支架(2)支撑和固定。有机玻璃材料具有介电常数低、损耗低、机械强度高、质量轻、易加工等特点，非常适合作为本发明机械结构件的制作材料。另外有机玻璃材料非常容易加工，利用雕刻机、数控机床等机械能够批量生产，这有利于本发明的大规模，产品化生产。透镜部分(1)通过透镜固定圆盘(6)与呈半球壳的馈源固定支架(2)连接，透镜固定圆盘(6)的直径大于呈半球壳的馈源固定支架(2)内径约等于外径，可以卡在固定架上，使用15个M2尼龙螺丝固定。固定圆盘和透镜用同种介质一起3D打印加工，固定圆盘的等效介电常数与透镜最外层的介电常数相同。透镜固定圆盘(6)的设计不同于以往球形龙伯透镜的固定方式，本设计在不影响天线辐射性能的前提下有助于提高天线的结构紧凑性，且强度较高。采用类似结构和方法，在球形龙伯透镜天线中固定透镜和馈源均属于本发明的涉及范围。
图3示例性地描述了半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的半球面非均匀的微带馈源阵列的设计结构。46个微带馈源天线沿龙伯透镜(1)焦点上呈半球面状排列，馈源按俯仰面的扫描角度变化分为5层：第一层1个、第二层6个、第三层12个、第四层12个、第五层15个，且每层之间的间距都不等，本发明的馈源天线的分布按扫描角度优化在俯仰面上排列的馈源从下到上间距分别为21°、17°、17°、19°。只要采用类似结构和方法，在球形龙伯透镜天线中排布馈源天线以实现大范围波束扫描的目的均属于本发明的涉及范围。
图4描述了一种半空间波束覆盖的圆极化龙伯透镜天线的龙伯透镜填充介质的设计结构。本发明的透镜部分(1)以3D打印的方式，以A-BG等效媒质理论为准则，采用控制打印材料所占本介质层体积的比例来获取沿透镜径向所需要的相对介电常数。本发明共设计了5层等效介电常数层(7)、(8)、(9)、(10)、(11)，通过使用低损耗的基底材料以不同的体积密度打印介质球壳实现从球心到球面相对介电常数1.92到1.5的变化，符合龙伯透镜的设计原理。
图5为该龙伯透镜天线中在俯仰面排列的5个馈源分别激励时的电压驻波比，可以看出在工作频段内天线馈源的驻波系数均小于1.3。
图6为该龙伯透镜天线中心馈源激励时辐射方向的轴比，可以看出在工作频段内中心馈源的轴比小于1.6。
图7和图8是本发明的龙伯透镜天线分别在方位角为90°和0°的俯仰面上五个馈源依次激励时在俯仰面形成的5个波束交叠的方向图。从图中可以看出波束宽度为21°，3dB波束交叠情况良好。HFSS仿真结果显示最大增益达到16.8dBi，边缘馈源增益14.4dBi。在增益大于12dBi条件下，俯仰面扫描范围为-85°～85°。图9，图10，图11，图12是本发明的龙伯透镜天线分别在俯仰角为20°、34°、53°和75°的方位面上馈源依次激励时在方位面形成的5个波束交叠的方向图。从图中可以看出，在增益大于11dBi的条件下，方位面波束扫描范围为0°～360°。结合上述6张图来看，波束的扫描范围覆盖了整个上半空间。
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。

Claims (4)

1.一种半空间波束覆盖圆极化龙伯透镜天线，应用于大规模多波束定向通信及半空间范围波束扫描使用场景，其特征在于，它包括：龙伯透镜(1)、呈半球壳的馈源固定支架(2)、半球面馈源阵(3)、结构支撑柱(4)、固定底座(5)和透镜固定圆盘(6)；所述龙伯透镜(1)由3D打印技术将五层填充介质加工成球壳后组成，且每层填充介质的介电常数不同，所述球面馈源阵(3)包括46个小型化的圆极化微带馈源天线，且46个小型化的圆极化微带馈源天线以非均匀排列的方式覆盖在龙伯透镜(1)的半个表面，并镶嵌在呈半球壳的所述馈源固定支架(2)上，所述固定底座(5)和透镜固定圆盘(6)上分别有6个螺丝孔，所述龙伯透镜(1)通过所述透镜固定圆盘(6)固定于所述馈源固定支架(2)上，所述馈源固定支架(2)通过所述结构支撑柱(4)与所述固定底座(5)连接，该天线整体的直径和高度小于135mm。
2.根据权利要求1所述的半空间波束覆盖圆极化龙伯透镜天线，其特征在于采用一种非均匀布阵的半球形圆极化微带馈源阵列，以扩大波束扫描范围、优化波束的空间位置并实现了半空间范围的波束覆盖和波束扫描。
3.根据权利要求1或2所述的半空间波束覆盖圆极化龙伯透镜天线，其特征还在于采用一种由低损耗介质构成、厚度为半个工作波长的半球壳形固定支架。
4.根据权利要求1所述的半空间波束覆盖圆极化龙伯透镜天线，其特征还在于采用一种低损耗介质构成的透镜固定圆盘结构。
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