CN110085976A - 毫米波全向扫描半球透镜多波束天线 - Google Patents

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周雅莉
陈祥云
马海斌
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姚祺
张景怡
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Abstract

本发明公开了一种毫米波全向扫描半球透镜多波束天线。该天线包括1个金属地板、1个聚四氟乙烯半球透镜和36个平面介质棒天线，平面介质棒天线由基片集成波导和渐变的介质棒组成；所述聚四氟乙烯半球透镜固定在金属地板的中心，平面介质棒天线由基片集成波导馈电，均匀固定在聚四氟乙烯半球透镜周围的金属地板上，平面介质棒天线的末端与聚四氟乙烯半球透镜表面距离均相同；所述36个平面介质棒天线是垂直极化的，金属地板一方面作为平面介质棒天线的镜面、另一方面作为聚四氟乙烯半球透镜的载体。本发明能够实现水平面360°的波束扫描，实现了辐射区和馈电区的有效分离，结构简单、波束对称、加工方便、成本低。

Description

毫米波全向扫描半球透镜多波束天线
技术领域
本发明属于天线技术领域，特别是一种毫米波全向扫描半球透镜多波束天线。
背景技术
在现代许多通信系统中，如MIMO无线通信、汽车雷达和监视雷达，需要水平面360°全方位的波束覆盖。传统的机械扫描天线不能满足高数据速率的要求。尽管多波束天线是一种成本较低和结构紧凑的选择，但实现360°的扫描覆盖率仍然是一个很大的挑战。在能实现宽扫描范围的波束形成网络中，准光学式波束形成网络(BNF)用量最大，例如Rotman透镜。目前已经有利用Rotman透镜实现360°扫描的相关研究，但是其设计过程比较复杂，实际生产中实用性较低，并且旁瓣电平比较高。
龙伯透镜是实现宽角扫描的首选，因为龙伯透镜是一个介电常数连续变化的介质球，球表面的任何一点都是其焦点，再加上龙伯透镜本身固有的对称性结构，所产生的波束几乎是完全相同的。以前，因为在低频段透镜的体积大、重量重，龙伯透镜并不常用。随着无线通信和汽车雷达的发展，毫米波频率已成为一个研究热点，在这个频率下透镜天线的结构也变得非常紧凑。但是由于梯度介质透镜的加工精度不高，实际生产中的龙伯透镜天线的效率达不到理想效果，而且龙伯透镜在毫米波频率的制造成本较高。
为了克服这些缺点，Bernhard Schoenlinner已证明，利用均匀介质球体是可以获得良好的辐射特性的，虽然均匀介质透镜在理论上没有完美的聚焦点，但通过优化透镜与馈源天线之间的距离，可以获得良好的性能。如果将多个馈源天线放置在适当的圆弧上对球透镜同时馈电，可以获得多个相同的波束。文献1(Schoenlinner B,Wu X,Ebling J P,etal.Wide-scan spherical-lens antennas for automotive radars[J].IEEETransactions on Microwave Theory&Techniques,2002,50(9):2166-2175)选择了渐变缝隙天线作为馈源，将馈源阵列天线印刷在同一平面的介质基板上，排列在球透镜的水平面上。该透镜天线可以实现水平面180°的扫描范围，但由于馈源天线、安装装置和馈线的遮挡造成的散射问题，扫描范围被限制在了180°。文献2(Zhu D,Wu X,Hua C,et al.MM-wavecylindrical dielectric lens antenna for full azimuth scanning coverage[J].IEEE,2011:1-4)将三个柱透镜天线上下堆叠且方向错开，每个天线各自负责120°的扫描范围，共同实现了水平面360°的扫描，虽然扫描范围得以拓宽，但这大大增加了天线系统的成本及体积，而且没有从根本上解决馈源的遮挡的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、波束对称、成本低的毫米波全向扫描半球透镜多波束天线。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，包括1个金属地板、1个聚四氟乙烯半球透镜和36个平面介质棒天线，其中每个平面介质棒天线均由基片集成波导和渐变的介质棒组成；所述聚四氟乙烯半球透镜固定在金属地板的中心；所述36个平面介质棒天线由基片集成波导馈电，且均匀固定在聚四氟乙烯半球透镜周围的金属地板上，平面介质棒天线的介质棒末端与聚四氟乙烯半球透镜表面距离均为d。
进一步地，所述36个平面介质棒天线是垂直极化的，金属地板一方面作为平面介质棒天线的镜面、另一方面作为聚四氟乙烯半球透镜的载体。
进一步地，所述36个平面介质棒天线构成一个馈源阵列，对聚四氟乙烯半球透镜进行馈电，相邻馈源间隔为10°，每两个波束在-4.5dB处相交，实现水平面360°扫描。
进一步地，所述金属地板的半径R1为6.8cm，聚四氟乙烯半球透镜的半径R为3cm，相对介电常数εr＝2.08，平面介质棒天线的工作频率f为35GHz，平面介质棒天线的介质棒末端与聚四氟乙烯半球透镜表面距离d为6.5mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)基于镜像原理，用半球透镜解决了全向扫描多波束天线的馈线和固定装置的遮挡问题，实现了辐射区和馈电区的有效分离，将扫描范围拓宽到了360°；(2)结构简单、波束对称、加工方便、成本低。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的结构示意图，其中(a)为侧视图，(b)为俯视图。
图2为本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的S11参数图。
图3为本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的相邻两个单元间的耦合示意图。
图4为本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的H面方向图。
图5为本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的E面方向图。
图6为本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线在带宽内几个不同频率处的H面的方向图，(a)为34GHz频率处的H面的方向图，(b)为36GHz频率处的H面的方向图，(c)为37GHz频率处的H面的方向图。
具体实施方式
下面结合附图1-6及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
结合图1(a)～(b)，本发明毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，包括1个金属地板1、1个聚四氟乙烯半球透镜2、以及36个平面介质棒天线3，其中平面介质棒天线3均由基片集成波导4和渐变的介质棒5组成。其中，所述聚四氟乙烯半球透镜2固定在金属地板1的中心；36个平面介质棒天线3由基片集成波导4馈电，且均匀固定在聚四氟乙烯半球透镜2周围的金属地板1上，平面介质棒天线3的的介质棒5末端与聚四氟乙烯半球透镜2表面距离均为d。
进一步地，所述36个平面介质棒天线3是垂直极化的，金属地板1一方面作为平面介质棒天线3的镜面、另一方面作为聚四氟乙烯半球透镜2的载体。将安装结构布置在金属地板1之下，则不会干扰金属地板1上方的场，可以有效避免馈源和固定装置造成的散射问题。
进一步地，所述36个平面介质棒天线3构成一个馈源阵列，对聚四氟乙烯半球透镜2进行馈电，相邻馈源间隔为10°，每两个波束在-4.5dB处相交，实现水平面360°扫描。
进一步地，所述金属地板1的半径为R1，聚四氟乙烯半球透镜2的半径为R，相对介电常数εr＝2.08，平面介质棒天线3的工作频率为f。
实施例1
结合图1(a)、(b)，在制作的实施例设计中，金属地板1的半径R1为6.8cm，聚四氟乙烯半球透镜2的半径R为3cm，相对介电常数εr＝2.08，，放置在圆形金属地板的中间。平面介质棒天线3的工作频率f为35GHz，平面介质棒天线3的介质棒5末端与聚四氟乙烯半球透镜2表面距离d为6.5mm。
结合图2，本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的S11参数，天线的阻抗带宽为19.7％(32.1GHz-39.0GHz)。
结合图3，本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的相邻两个单元间的耦合，在整个频段耦合都低于-22dB，其他馈源间的耦合都会小于这个值。
结合图4，本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的H面方向图，3-dB波束宽度为8.5°，相邻波束在-4.5dB电平处相交，36个波束共同完成水平面360°扫描，天线的副瓣电平在-15dB以下，波束的一致性很好。
结合图5，本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线的E面方向图，E面波束宽度为17°。
结合图6，本发明实施例中毫米波全向扫描半球透镜多波束天线在带宽内几个不同频率处的H面的方向图，(a)为34GHz，(b)为36GHz，(c)为37GHz，在这些频率点处该半球透镜天线的H面方向图基本对称，旁瓣均保持在-15dB以下，方向图特性良好。
综上所述，本发明毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，解决了馈线和固定装置的遮挡问题，实现了辐射区和馈电区的有效分离，能够实现水平面360°扫描，且各个扫描波束的一致性良好，34GHz-37GHz处的H面副瓣电平均保持在-15dB以下，馈源天线间的耦合很小。结构简单、波束对称、加工方便、成本低。

Claims (4)

1.一种毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，其特征在于，包括1个金属地板(1)、1个聚四氟乙烯半球透镜(2)和36个平面介质棒天线(3)，其中每个平面介质棒天线(3)均由基片集成波导(4)和渐变的介质棒(5)组成；所述聚四氟乙烯半球透镜(2)固定在金属地板(1)的中心；所述36个平面介质棒天线(3)由基片集成波导(4)馈电，且均匀固定在聚四氟乙烯半球透镜(2)周围的金属地板(1)上，平面介质棒天线(3)的介质棒(5)末端与聚四氟乙烯半球透镜(2)表面距离均为d。
2.根据权利要求1所述的毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，其特征在于，所述36个平面介质棒天线(3)是垂直极化的，金属地板(1)一方面作为平面介质棒天线(3)的镜面、另一方面作为聚四氟乙烯半球透镜(2)的载体。
3.根据权利要求1所述的毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，其特征在于，所述36个平面介质棒天线(3)构成一个馈源阵列，对聚四氟乙烯半球透镜(2)进行馈电，相邻馈源间隔为10°，每两个波束在-4.5dB处相交，实现水平面360°扫描。
4.根据权利要求1所述的毫米波全向扫描半球透镜多波束天线，其特征在于，所述金属地板(1)的半径R1为6.8cm，聚四氟乙烯半球透镜(2)的半径R为3cm，相对介电常数εr＝2.08，平面介质棒天线(3)的工作频率f为35GHz，平面介质棒天线(3)的介质棒(5)末端与聚四氟乙烯半球透镜(2)表面距离d为6.5mm。
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