CN110729568B - 一种圆柱面共形超表面透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明是提供一种圆柱面共形超表面透镜天线，以解决现普通共形天线增益不够理想的技术问题，涉及天线技术领域。一种圆柱面共形超表面透镜天线，包括微带天线馈源、为圆柱状曲面结构的载体和多个呈阵列排列设置在载体上的超表面透镜天线单元，所述微带天线馈源设置在所述载体的圆心点处；所述超表面透镜天线单元为多层结构，包括三层介质板和四层金属层。本发明既满足了圆柱形高速移动体的空气动力性能，也满足圆柱形高速移动体对天线系统的高增益需求，实现了高增益。

Description

一种圆柱面共形超表面透镜天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体是一种圆柱面共形超表面透镜天线。
背景技术
超表面是一种人工设计的亚波长厚度的金属结构阵列，基于超表面的透镜天线能够通过相位补偿方式把入射波束集中在一个方向传播，从而形成窄波束和高增益的辐射特性的一种天线，现有基于超表面的透镜天线更多的是应用于平面结构共形。
圆柱形高速移动体(高铁、飞行器)的速度越来越高，如果将天线突出移动体安装，会影响圆柱形移动体的空气动力性能。因此，正常情况下对圆柱形高速移动体天线系统的要求是：
(1)完全与柱体高速移动体共形；
(2)具有较高的增益；
(3)天线系统重量较轻。
普通贴片天线虽然能解决圆柱形共形问题，但其增益往往不够理想，这影响了圆柱形高速移动体的通信。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种圆柱面共形超表面透镜天线，以解决现普通共形天线增益不够理想的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种圆柱面共形超表面透镜天线，包括微带天线馈源、为圆柱状曲面结构的载体和多个呈阵列排列设置在载体上的超表面透镜天线单元，所述微带天线馈源设置在所述载体的圆心点处；
所述超表面透镜天线单元为多层结构，包括三层介质板和四层金属层，所述金属层包括金属环和矩形金属基片，所述金属环(成正方形围合，所述矩形金属基片设置在所述金属环中心位置，且矩形金属基片对称中心线与金属环对称中心线重合，所述矩形金属基片与所述金属环之间留有缝隙；四层所述金属层以相同方式层叠设置，所述介质板分别设置在相邻金属层之间，以分隔开相邻金属层；
每个所述超表面透镜天线单元的金属环边长相等，每个所述超表面透镜天线单元的矩形金属基片的尺寸由对应的超表面透镜天线单元在载体圆周方向上的所处位置的相位确定，其中，
所述超表面透镜天线单元在载体上的相位公式为：
式中：n为超表面透镜天线单元的数目，n取2到(90°/δt)之间的整数，δt＝(360×pc1)/[2π×(Rt+h1)]，pc1为金属环的边长，α为超表面透镜天线单元在载体上的的中心角，h1为载体厚度，Rt为载体的内径。
进一步地，所述介质板采用TACONIC RF-30材料，材料介电常数为3，介电损耗角正切值为0.0014，所述介质板厚度为载体厚度的三分之一。
进一步地，所述微带天线馈源采用介电常数2.2，介电损耗角正切值为0.001，厚度为0.787mm的TACONICTLY-5材料作为介质基片。
进一步地，所述载体采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成，材料的相对介电常数为1.067。
本发明的有益效果是：本发明的一种圆柱面共形超表面透镜天线，将超表面透镜天线单元共形设置在为圆柱形曲面的载体上组成阵列，既满足了圆柱形高速移动体的空气动力性能，也满足圆柱形高速移动体对天线系统的高增益需求，实现了高增益。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的超表面透镜天线单元立体结构示意图，
图3是图2的左视示意图；
图4是本发明与平面波入射示意图；
图5是本发明与单独微带贴片共形天线远场方向对比图；
图5(a)是TE极化波在xy平面得到的共形超表面透镜天线与单独微带贴片天线远场方向对比图；
图5(b)是TE极化波在xz平面得到的共形超表面透镜天线与单独微带贴片天线远场方向对比图；
图5(c)是TM极化波在xy平面得到的共形超表面透镜天线与单独微带贴片天线远场方向对比图；
图5(d)TM极化波xz在平面得到的共形超表面透镜天线与单独微带贴片天线远场方向对比图；
图中所示：微带天线馈源2，圆柱面共形超表面透镜天线远场方向图3，微带贴片天线远场方向图4，电磁波5，超表面透镜天线单元11，金属层12，介质板13，圆心点14，载体15，金属环121，矩形金属基片122，矩形金属基片对称中心线124，金属环对称中心线123，缝隙125。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1、图2所示，本发明的一种圆柱面共形超表面透镜天线，包括微带天线馈源2、为圆柱状曲面结构的载体15和多个呈阵列排列镶嵌设置在载体15上的超表面透镜天线单元11，超表面透镜天线单元11用以聚焦正入射至载体表面的电磁波；所述微带天线馈源2设置在所述载体15的圆心点14处，使得圆心点14作为透镜天线聚集正入射的平面波的汇聚点；所述超表面透镜天线单元11为多层结构，包括三层介质板13和四层金属层12，所述金属层12包括金属环121和矩形金属基片122，所述金属环121成正方形围合，所述矩形金属基片122设置在所述金属环121中心位置(两者中心点重合)，且矩形金属基片对称中心线124与金属环对称中心线123重合，所述矩形金属基片122与所述金属环121之间留有缝隙125；四层所述金属层12以相同方式层叠设置，所述介质板13分别设置在相邻金属层12之间，以分隔开相邻金属层12；每个所述超表面透镜天线单元11的金属环121边长相等。
本发明中，介质板13采用TACONIC RF-30材料，材料介电常数为3，介电损耗角正切值为0.0014，介质板13厚度为载体15厚度的三分之一；载体15采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成，材料的相对介电常数为1.067。
超表面透镜天线单元11的四层所述金属层12以相同方式层叠设置，即金属层12之间相互重合(上层金属层的金属环与下层金属层的金属环重合，且上层金属层的金属基片与下层金属层的金属基片也要重合)。超表面透镜天线单元11采用四层金属层三层介质板的多层结构实现高透射系数的同时使得单元相位随参数变化足够覆盖[0,2π]的范围。
如图4所示，对于每个入射点(超表面透镜天线单元11的安装位置点)P而言，入射角θi与它对应的中心角α相等，中心角α从-90°至+90°的变化范围。每个超表面透镜天线单元11的矩形金属基片122的尺寸由对应的超表面透镜天线单元11在超表面1圆周方向上的所处位置的相位确定，其中：超表面透镜天线单元11在载体15圆周方向上的相位公式为：
式中：n为超表面透镜天线单元22的数目，n取2到(90°/δt)之间的整数，δt＝(360×pc1)/[2π×(Rt+h1)]，pc1为超表面透镜天线单元11的金属环边长，α为超表面透镜天线单元11在载体15上的中心角，h1为载体15的厚度，Rt为载体15的内径。定义第一个天线单元的Ψt(1)＝-360°，α＝0°。根据上述公式可以得到特定边长的超表面透镜天线单元11在特定半径的圆柱面上相位角位置曲线，即pc1、h1和Rt为已知量。
根据现有理论知识可知，改变矩形金属基片122与金属环121之间的缝隙125的大小，可以实现对超表面透镜天线单元的相位控制。由于每个超表面透镜天线单元11的金属环121边长相等，因此通过改变矩形基片的边长diy或diz的长度，即可获得不同角位置的传输相位。由上述公式计算出的第n个超表面透镜天线单元11的在载体圆周面上的相位ψt(n)后，通过仿真软件(cst)进行仿真计算，最后可得到圆柱面上的各个位置的超表面透镜天线单元11的矩形金属基片尺寸，从而确定每个超表面透镜天线单元11。
为了提高增益效果，本发明的微带天线馈源2采用介电常数2.2，介电损耗角正切值为0.001，厚度为0.787mm的TACONICTLY-5材料作为介质基片。
以下结合仿真实验结果，对发明的技术效果作进一步的详细描述。
图5是在10GHz下的使用CST仿真软件仿真出的本发明与现有微带贴片天线远场方向对比图。由图5(a)与5(b)可知，TE极化波的轴向增益，从单独微带贴片天线的7.12dBi提高到共形超表面透镜天线的18.35dBi，提高了11.23dbB。由图5(c)与5(d)可知，TM极化波的轴向增益，从单独微带贴片天线的7.42dBi提高到共形超表面透镜天线的18.86dBi，提高了11.44dbB。通过比较，轴向增益提高效果十分明显，因此，本发明的圆柱面共形超表面透镜天线解决现普通共形天线增益不够理想的技术问题，在满足了圆柱形高速移动体的空气动力性能，也满足圆柱形高速移动体对天线系统的高增益需求，实现了高增益。

Claims (2)

1.一种圆柱面共形超表面透镜天线，其特征在于：包括微带天线馈源(2)、为圆柱状曲面结构的载体(15)和多个呈阵列排列设置在载体(15)上的超表面透镜天线单元(11)，所述微带天线馈源(2)设置在所述载体(15)的圆心点(14)处；
所述超表面透镜天线单元(11)为多层结构，包括三层介质板(13)和四层金属层(12)，所述金属层(12)包括金属环(121)和矩形金属基片(122)，所述金属环(121)成正方形围合，所述矩形金属基片(122)设置在所述金属环(121)中心，且矩形金属基片对称中心线(124)与金属环对称中心线(123)重合，所述矩形金属基片(122)与所述金属环(121)之间留有缝隙(125)；四层所述金属层(12)以相同方式层叠设置，所述介质板(13)分别设置在相邻金属层(12)之间，以分隔开相邻金属层(12)；
每个所述超表面透镜天线单元(11)的金属环(121)边长相等，每个所述超表面透镜天线单元(11)的矩形金属基片(122)的尺寸由对应的超表面透镜天线单元(11)在载体(15)圆周方向上的所处位置的相位确定，其中，
所述超表面透镜天线单元(11)在载体(15)上的相位公式为：
式中：n为超表面透镜天线单元(11)的数目，n取2到(90°/δt)之间的整数，δt＝(360×pc1)/[2π×(Rt+h1)]，pc1为金属环(121)的边长，α为超表面透镜天线单元(11)在载体(15)上的中心角，h1为载体(15)厚度，Rt为载体(15)的内径；
所述介质板(13)采用TACONIC RF-30材料，材料介电常数为3，介电损耗角正切值为0.0014，所述介质板(13)厚度为载体(15)厚度的三分之一；
所述载体(15)采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫制成，材料的相对介电常数为1.067。
2.如权利要求1所述的一种圆柱面共形超表面透镜天线，其特征在于：所述微带天线馈源(2)采用介电常数2.2，介电损耗角正切值为0.001，厚度为0.787mm的TACONICTLY-5材料作为介质基片。
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