CN110165403A - 基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于多波束定向通信及波束扫描的基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线。它的基本结构包括1×8方形微带贴片馈源阵列、分层变形半球介质透镜以及天线支撑固件。该变形透镜天线是利用射线光学的方法，设计出变形透镜的内外两层介质，配合阵列馈电的形式，有效解决了传统半球透镜扫描角度较小，EIRP较低的缺点，有助于变形半球透镜天线更好的应用于远距离多波束定向通信和波束扫描、低剖面的使用场景和相应的市场需求。利用当今成熟的3D打印工艺可方便加工出变形透镜及天线支撑固件，解决了透镜天线普遍存在的工程实现难题。基于本发明的基本结构，合理改变填充介质尺寸和变形、馈源形式，即可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线

本发明属于天线技术领域，涉及到变形介质透镜天线，具体来说是用于多波束定向通信及波束快速电扫描的基于阵列馈电形式的变形半球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、低剖面和宽角度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、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。近年来，为了满足更大的覆盖范围，更远的通信距离，天线系统必须具备高增益、高EIRP特性和较宽的波束覆盖。本发明正是基于上述需求，设计了基于阵列馈电形式的变形半球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、低剖面和宽角度波束的使用场景。

传统的多波束天线多采用相控阵的形式，天线性能较为稳定，波束扫描控制很方便，但是传统的相控阵天线需要较为庞大复杂的馈电网络，需要大量的T/R组件，使其成本过高，造成性价比不高。多波束反射面天线组成结构简单，但是其口径较大，抗风抗雨性能差、波束覆盖范围有自己局限性，同时馈源对天线存在遮挡，降低了天线的效率。此外反射面天线的波束扫描多采用机械方式，由于反射面的体积较大，重量较重，这就使的波束扫描的速度也较慢，整体结构笨重。光学成像和聚焦领域的透镜将不同形式发散的能量转变成平面波这一特性则极大地丰富了多波束天线的设计，透镜天线的低成本、宽频带、宽角范围内多波束扫描且馈网简单等特性，倍受人们的青睐。

龙伯透镜天线是一种具有旋转对称结构的介质透镜天线，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低成本的介质材料构成，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。然而传统的龙伯透镜天线均是通过切换馈源波束进行大角度扫描，即同一时刻仅有一个馈源工作，因此整个天线系统的EIRP相比同样增益的阵列天线而言，受到了严重限制。再者，一般的高增益多波束球透镜天线都具有较大的体积及剖面，给实际工程应用中的集成化造成不便，应用场景得到了相应限制。例如2002年BernhardSchoenlinner等人在IEEE transactions on microwave theory and techniques,vol.50,no.9中发表的题为“Wide-Scan Spherical-Lens Antennas for AutomotiveRadars”的文章中，采用射线光学的方法设计了一个高增益且±90°覆盖的球透镜天线，但是该天线相对其工作频段而言显得体积庞大不够紧凑，并且其采取波束切换实现扫描的方式也使得天线的EIRP无法和普通有源阵列天线相比拟。

近年来，柱面透镜天线、平板透镜天线、半球透镜天线以及超材料透镜天线等新型透镜天线的提出，在既保留了透镜天线原有高增益、多波束宽角扫描优势的同时，又有效减小了透镜天线的体积和剖面。然而，上述透镜天线目前均采用波束切换的方式进行多波束扫描，如2011年，浙江大学吴锡东等人在专利CN 102122762中提出一种毫米波360°全向扫描介质柱透镜天线。该天线采用均匀介质柱作为透镜，其天线口径效率低，虽然通过切换波束实现了一个面360°全向扫描，但其弧形馈源阵面的较难集成化也是其明显的缺点。2015年，厦门大学刘颜回等人在专利CN 103050782B中提出了一种多波束平面贴片透镜天线，该天线以平面贴片阵列的方式实现了多波束透镜天线，虽然口径效率达到了84％，但该天线整体剖面较高，通过喇叭馈源的偏焦实现多波束扫描且扫描角度小于±30°。目前的研究中，平板、半球透镜天线依然存在扫描角度小的问题。2014年，Carolina Mateo-Segura等人在IEEE transactions on antennas and propagation,vol.62,no.4中发表的题为“FlatLuneburg Lens via Transformation Optics for Directive Antenna Applications”的文章中，利用变换光学将球龙伯透镜压缩为平板龙伯透镜，既保留了龙伯透镜固有的优良聚焦特性，又有效降低了天线的剖面，但是该天线仅能通过切换波束扫描到±34°。2016年，N.T.Nguyen等人在IEEE transactions on antennas and propagation,vol.64,no.8中发表的题为“Improvement of the Scanning Performance of the ExtendedHemispherical Integrated Lens Antenna Using a Double Lens Focusing System”的文章中，采用双透镜聚焦系统，即半球透镜+半凸透镜，将原有的馈源弧形阵面扭转为一个平面便于与平面馈源阵列集成，但该方法以牺牲天线剖面为代价，其天线的最终扫描角度也只有±30°。2018年，冯鹏雨等人在IEEE transactions on antennas and propagation,vol.66,no.6中发表的题为“Ku-Band Transmitarrays With Improved Feed Mechanism”文章中，提出了一款利用4×4的偶极子天线阵列馈电的超材料透射阵天线，该馈电机制有效地降低了天线整体的剖面，但是该文章没有涉及波束扫描。虽然该文章中，由于使用了拥有馈电移相网络的无源相控阵为方便实验验证，使得该天线EIRP并未提高，但是若使用有源相控阵作为馈源天线，该天线的EIRP就得到了巨大提升。

与以前公开的发明专利和论文相比，本发明的变形半球透镜天线主要针对多波束毫米波半球介质透镜天线的剖面较高，波束扫描时角度较小问题，采用阵列馈电的方式提高透镜天线波束扫描时的EIRP，在分层介质半球透镜的基础上，利用射线光学分析对透镜进行变形，在保持透镜天线高口径效率的同时，优化馈源阵列的幅相实现宽角度扫描。本发明结构简单，加工工艺成熟、稳定，尤其适用于毫米波频段、宽角扫描且透镜剖面受限制的需求场景。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景及要求，提出了基于阵列馈电的宽角扫描介质变形透镜天线，具体来说，针对工作于28G频段的介质分层半球透镜天线，该天线最大口径尺寸为56mm，即5.2个28GHz时的波长，透镜介质分为内外两层，两层分别具有不同厚度与介电常数，且分别经过了不同的变形处理。天线通过1×8的一维线阵馈源进行馈电，线阵单元为方形微带贴片天线，单元间距为0.6个28GHz时的波长，布阵方向为单元天线的H面方向，焦距为8mm，即焦径比为0.14。通过商业电磁仿真软件Ansys HFSS仿真结果发现，该透镜天线在不扫描(扫描到0°)时，E/H面波束宽度为22°/15°，增益为20dBi，对应口径效率为60％，H面能实现的最大扫描角度为60°。该透镜天线采用新型的阵列馈电方式，不仅加工简单组装方便，而且实现了低剖面、高增益，比起传统的单馈源波束切换透镜，天线形式更为紧凑，实现了扫描时更高的EIRP和更大的扫描角度，使其能更好的应用于远距离多波束定向通信和波束扫描天线，尤其是毫米波频段及天线整体剖面受限制的应用场合。

射线光学法是利用高频场的局部特性，将微波或者毫米波的传播等效为射线传播。从而以几何光学的基本原理即光在均匀媒质中直线传播以及光在两种不同媒质界面上的反射和折射定律为基础，根据几何运算的数学方法来研究射线的传播规律，并根据这些定律来研究其传播现象。具体的定义为：电磁波传播时的等相位面成为波前，用与波前垂直的射线表示电磁波传播的路径。对于平面波，这些射线彼此平行；对于球面波，这些射线聚焦于球心。在均匀介质中射线是直线，当遇到不均匀介质时就发生折射。虽然射线光学法是零波长近似，但由于其具有直观性和简洁性，因而具有非常广泛的应用。当用于对微波、毫米波天线分析时会存在一定的误差，但实际结果表明误差的影响主要是在旁瓣内且在容忍范围内。

本发明对于变形半球介质透镜的分析与设计也主要采用射线光学法，通过改变透镜的介质分层和外延形状改变初始馈源电磁波经过透镜之后的分布最终实现波束角度扫描时的场分布。为验证该方法的正确性和提高设计的效率，发明人先在多物理场仿真软件Comsol使用其几何光学模块中的射线追踪设计出变形透镜准确形状，再通过高频仿真软件HFSS进行全波仿真验证，良好的仿真结果也证明了此方法的可行性。此外，这里需要指出变形透镜的分层尺寸及外延变形部分的细微尺寸，均是在目前加工工艺精度能达到的情况下精心优化调整得出，使得本发明具有了极高的工程实用性。

本发明最突出的创新之处在于采用新型阵列馈电加上变形半球介质透镜的方式，在实现天线低剖面，高口径效率的同时，通过对阵列幅相的优化提高了天线的扫描角度和天线系统的EIRP。具体举例来说，如本设计中的工作在28GHz频段的变形半球介质透镜天线的焦径比仅有0.14，远小于传统的半球、平板透镜的焦径比在，天线更加紧凑以方便集成，同时透镜天线不扫描时的口径效率为60％，并不亚于高焦径比的同类型透镜天线。此外，这种独特新颖的方式，也使得天线可以通过优化算法对馈源阵列单元进行幅相优化，使得透镜天线的扫描角度和EIRP相较于同类型波束切换方式的多波束透镜天线，均得到明显提高。

本发明的特点是在传统半球透镜天线的基础上，利用对其透镜照射口径面的创新性变形，使其既保留了半球透镜高口径效率和较低剖面等优点的同时，又有效地提高了其扫描角度。通过商业电磁仿真软件Ansys HFSS设计、仿真并验证了一维大角度扫描的可行性，并且参照本发明的指导方法，可有效推广到基于阵列馈电的透镜二维大角度扫描情况。

本发明的另一个特点是使用现阶段成熟的3D打印工艺，合理挑选所需设计的透镜天线对应介电常数的介质材料即可完成透镜和支架的整体一体化加工，针对分层介质透镜的不同介电常数分布也可使用等效媒质理论利用打孔实现。现有的众多3D打印材料中的一些介质材料具有使用频率范围广、损耗低、材料强度高，韧性好以及易加工等特点，适用于毫米频段的天线，解决了变形透镜天线难以加工的问题。

本发明实施方式是馈源阵列辐射的电磁波入射到变形半球介质透镜上，在分层介质透镜的折射作用下，通过优化馈源阵列单元的幅相实现透镜天线的波束扫描。本发明采用1×8方形微带贴片馈源阵列做馈源，能实现的一维最大扫描角度为60°。另外，可以使用二维面阵馈源阵列，通过发明中类似的方法对透镜的合理变形，可以实现二维宽角范围内的多波束扫描。

附图说明

图1为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线的三维结构图；

图2为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线的俯视图和侧视图；

图3为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线的驻波比；

图4为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线在28GHz一维扫描0°，15°，30°，45°，60°时的H面辐射方向图；

图5为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线在28GHz一维扫描0°时的8个馈源单元的幅相分布图。

图6为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线在28GHz一维扫描15°时的8个馈源单元的幅相分布图。

图7为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线在28GHz一维扫描30°时的8个馈源单元的幅相分布图。

图8为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线在28GHz一维扫描45°时的8个馈源单元的幅相分布图。

图9为本发明基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线在28GHz一维扫描60°时的8个馈源单元的幅相分布图。

具体实施方案

图1和图2示例性地描述了基于阵列馈电的变形半球介质透镜天线的三维设计结构。依图所示，此结构包括1×8方形微带贴片馈源阵列1、变形半球介质透镜内层2、变形半球介质透镜外层3、天线支撑固件4。其中，1×8方形微带贴片馈源阵列1、变形半球介质透镜内层2、变形半球介质透镜外层3、处于同一水平面，变形半球介质透镜内层2和变形半球介质透镜外层3连为一体构成完整的变形半球介质透镜，天线支撑固件4则从该水平面底部支撑并固定1×8方形微带贴片馈源阵列1、变形半球介质透镜内层2、变形半球介质透镜外层3，同时准确保持结构之间的相对位置。

微带贴片馈源具有E/H面方向图较宽和一致性较好的特性，能够对透镜进行有效均匀地照射，使得透镜天线有实现高口径效率的潜力。1×8方形微带贴片馈源阵列1沿变形后的半球透镜焦线上呈直线状排列，相邻馈源间间距为0.6个28GHz时的波长，以使馈源阵列尽可能占据焦线即照射透镜。变形半球透镜天线分为变形半球介质透镜内层2和变形半球介质透镜外层3两层，两层的介电常数和变形方式均不相同。因为本发明主要仿真验证了一维扫描特性，在不影响天线主要性能(增益、口径效率等)的同时，为了使天线结构更加紧凑以及天线组装更加方便，对半球透镜的两侧进行了适度切割，并可使用3D打印技术加工出变形半球介质透镜内层2、变形半球介质透镜外层3、天线支撑固件4，通过强力胶可将变形半球介质透镜内层2、变形半球介质透镜外层3、天线支撑固件4稳固粘合。天线支撑固件4圆盘上方凸出的方形锯齿棒也可有效固定馈源阵列和馈源焦距。当然，透镜天线的支撑固件尺寸不局限于图中形式，可根据工程设计人员设计的指标和结构强度决定，均属于本发明涉及范围。

图3为该变形透镜天线中8个阵列贴片馈源分别激励时的驻波比，可以看出在28G工作频段内(频段下限为27.6GHz，上限为28.8GHz)，天线馈源的驻波系数均小于2。

图4基于本发明的变形透镜天线在28GHz，通过改变馈源阵列幅相激励时，一维扫描0°，15°，30°，45°，60°时的H面辐射方向图。由于本次设计中馈源为一维线阵，于是主要讨论H面波束情况即馈源阵列轴线平面。HFSS仿真结果显示不扫描时增益达到20dBi，对应口径效率60％，扫描到60°时增益下降5dB。虽然随着扫描角度变大，方向图增益和副瓣都有所恶化，但是扫描到极限60°时，方向图的主波束依然清晰可见未发生畸变。

图5-图9分别为本发明变形透镜天线在28GHz一维扫描到0°，15°，30°，45°，60°时8个馈源单元的幅相分布图。由图可见，本发明的变形透镜天线在扫描时阵列单元工作的总幅度大大超过了单波束切换扫描时的同类型透镜天线，即高EIRP优势明显。

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，并且可以通过使用二维面阵馈源阵列，参照本发明的指导方法，可有效拓展至透镜天线的二维大角度扫描情况。

Claims (3)

1.基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线，它的基本结构包括1×8方形微带贴片馈源阵列(1)，变形半球介质透镜内层(2)、变形半球介质透镜外层(3)，介电常数变形半球介质透镜内层(2)大于变形半球介质透镜外层(3)，以及天线支撑固件(4)，变形半球介质透镜内层(2)和变形半球介质透镜外层(3)连为一体构成完整的变形半球介质透镜，天线支撑固件(4)中的圆盘上方凸出的方形锯齿棒与1×8方形微带贴片馈源阵列(1)固定在一起，天线支撑固件(4)中的圆盘从底部支撑并固定变形半球介质透镜内层(2)、变形半球介质透镜外层(3)，同时准确保持各结构之间的相对尺寸及位置。

2.根据权利要求1所述的基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线，其特征在于采用射线光学的分析和设计方法对传统半球透镜进行变形，使其具备了宽角扫描和极低焦径比的特性，从而有利于透镜天线在毫米波频段大角度覆盖以及低剖面应用场景的设计。

3.根据权利要求1所述的基于阵列馈电的宽角扫描变形半球介质透镜天线，其特征在于采用阵列馈电的方式，通过对馈源阵列单元进行幅相优化，有效激励大多数馈源单元工作以实现透镜天线在宽角波束扫描，从而使透镜天线同时具有了高EIRP以及宽角扫描的特性。