CN111555039B - 基于pcb技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于通信技术领域，具体涉及基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法。包括输入端、输出端和透镜部分；所述透镜部分由对折的完整的龙伯透镜构成；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为均有若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；所述介质基板上开设有空气通孔；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增。使用多层结构对平面龙伯透镜进行折叠，将透镜面积减少至原来的1/2，并且这种龙伯透镜是基于开孔结构的，可利用PCB技术加工实现，降低了成本。
Description
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法。
背景技术
波束形成网络是现代无线通信网络中常用的无源电路，用以控制天线的多波束形成和切换。例如在卫星通信中，需要通过天线接收卫星发射的电磁波信号，但是随着接收着的位置变化，往往需要调整天线的主瓣方向对准信号来向，以实现最大信号接收。而多波束天线提供了一种低成本、高效率波束切换方式。其中龙伯透镜就是一种常用的波束形成网络，用以激励天线阵列，实现多波束天线。
现有技术中的龙伯透镜往往结构较为复杂，面积大，成本高，且多为三维龙伯透镜。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法，使用多层结构对平面龙伯透镜进行折叠，将透镜面积减少至原来的1/2，并且这种龙伯透镜是基于开孔结构的，可利用PCB技术加工实现，降低了成本。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜，包括输入端、输出端和透镜部分；所述透镜部分由对折的完整的龙伯透镜构成；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为均有若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；所述介质基板上开设有空气通孔；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增。
进一步的，所述第一部分和第二部分通过180°平行板波导过渡连接。
进一步的，所述波导过渡连接的方式为多个耦合小缝的过渡。
进一步的，使用PCB技术，在介质基板上开设空气通孔。
进一步的，所述第一部分和第二部分的金属层和介质层的外围开设有和介质层最外层空气通孔直径等大的空气通孔。
进一步的，所述方法执行以下步骤：
步骤1：将完整的龙伯透镜进行对折；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为均有若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；
步骤2：对所述龙伯透镜进行等分层近似，计算每层介质层对应的等效介电常数；
步骤2：在介质基板上开设空气通孔，调节等效介电常数；其中，开设的空气通孔越大对应越小的等效介电常数；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增。
进一步的，所述第一部分和第二部分通过180°平行板波导过渡连接。
进一步的，所述波导过渡连接的方式为多个耦合小缝的过渡。
进一步的，使用PCB技术，在介质基板上开设空气通孔。
进一步的，所述第一部分和第二部分的金属层和介质层的外围开设有和介质层最外层空气通孔直径等大的空气通孔。
本发明的基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜及制作方法，具有如下有益效果：本发明充分利用多层板的优势，实现了龙伯透镜的小型化。具体的实现方式是通过对完整的龙伯透镜进行折叠，成功将透镜的面积减小一半。透镜的两个部分通过180°平行板波导过渡连接，但是和传统的单缝过渡不同，本发明采用的是多个耦合小缝的过渡，这样的优势是增大了透镜的工作带宽，同时改善了传统过渡方式引起的相位误差。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于PCB技术和开孔结构的折叠平面龙伯透镜的系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的于PCB技术和开孔结构的折叠平面龙伯透镜的分层结构示意图。
图3为本发明S参数实测值，图3(a)位正中央端口输入时，输出端口相位；图3(b)为右偏第一个端口输入时，输出端口相位；图3(c)为右偏第二个端口输入时，输出端口相位；图3(d)为右偏第三个端口输入时，输出端口相位。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜，包括输入端、输出端和透镜部分；所述透镜部分由对折的完整的龙伯透镜构成；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为均有若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；所述介质基板上开设有空气通孔；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增。
具体的，利用PCB技术，通过在介质基板上开大小不等的空气通孔，实现了对龙伯透镜梯度反射系数的近似。并利用多层机构成功的实现了龙伯透镜的小型化。信号由最上层的7个端口中的一个输入，经过微带线和介质集成波导过渡输入到设计的龙伯透镜，龙伯透镜将输入的柱面波转化为沿特定传播的平面波后，经由介质集成波导输出。变换输入的端口，即可实现不同方向出射的平面波，从而控制输出端口的相位差。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述第一部分和第二部分通过180°平行板波导过渡连接。
实施例3
在上一实施例的基础上，所述波导过渡连接的方式为多个耦合小缝的过渡。
实施例4
在上一实施例的基础上，使用PCB技术，在介质基板上开设空气通孔。
实施例5
在上一实施例的基础上，所述第一部分和第二部分的金属层和介质层的外围开设有和介质层最外层空气通孔直径等大的空气通孔。
具体的，对于龙伯透镜设计实现，主要有两个主要部分。首先，是龙伯透镜梯度介电常数的实现。理想的龙伯透镜反射系数分布满足
其中R为透镜的大小。由于介电常数连续变化的介质很难实现，本发明使用离散介电常数近似实现龙伯透镜。先对透镜进行等分层近似，计算每层对应的介电常数，然后利用在介质基板上打空气通孔的方式，调节等效介电常数。越大的空气通孔对应越小的介电常数。这里可以通过仿真计算出分层龙伯透镜每层介质对应所需的开孔大小。由内到外，通孔的直径逐渐增大，对应的等效介电常数也逐渐减小。
实施例6
在上一实施例的基础上，所述方法执行以下步骤：
步骤1：将完整的龙伯透镜进行对折；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均为均有若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；
步骤2：对所述龙伯透镜进行等分层近似，计算每层介质层对应的等效介电常数；
步骤2：在介质基板上开设空气通孔，调节等效介电常数；其中，开设的空气通孔越大对应越小的等效介电常数；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增。
具体的，本发明充分利用多层板的优势，实现了龙伯透镜的小型化。具体的实现方式是通过对完整的龙伯透镜进行折叠，成功将透镜的面积减小一半。透镜的两个部分通过180°平行板波导过渡连接，但是和传统的单缝过渡不同，本发明采用的是多个耦合小缝的过渡，这样的优势是增大了透镜的工作带宽，同时改善了传统过渡方式引起的相位误差。
实施例7
在上一实施例的基础上，所述第一部分和第二部分通过180°平行板波导过渡连接。
实施例8
在上一实施例的基础上，所述波导过渡连接的方式为多个耦合小缝的过渡。
实施例9
在上一实施例的基础上，使用PCB技术，在介质基板上开设空气通孔。
实施例10
在上一实施例的基础上，所述第一部分和第二部分的金属层和介质层的外围开设有和介质层最外层空气通孔直径等大的空气通孔。
实施例11
介质基板选用RogersRO4350，基板厚度为20mil，输入输出端口由SMA接头连接。如图1所示，本实例中的龙伯透镜由两层介质基板和三层金属层构成，每层的具体结构如图2所示。
图2中，(a)、(c)、(e)分别是三层铜的结构，(b)、(d)则是两个介质层对应的开孔结构。
具体地，图2的5个子图中，围绕着周边的大通孔是用以组装固定的定位孔。图(b)、(d)中的同心圆孔是用来近似实现梯度介电常数的空气通孔，为了减小龙伯透镜和介质基板之间的不连续性，龙伯透镜的外围也打上了和最外层直径等大的空气通孔。
剩下的小孔均为金属化的通孔，它们的作用是接地，介质集成波导的通孔壁和180°平行平板波导过渡的放射面。
经过仿真优化设计，透镜工作在9.5～10.5GHz，一共分9层，由内到外对应的等效介电常数为3.66、3.46、3.26、3.07、2.87、2.67、2.47、2.28、2.08，每层厚8.6mm，为了满足等效媒质条件，每层打两圈通孔。通孔大小由内到外依次是0mm、0.7mm、0.95mm、1.18mm、1.35mm、1.52mm、1.65mm、1.79mm、1.9mm。
本发明实施方案中，龙伯透镜的输入输出部分均采用微带和介质集成波导来过渡，便于与其他微波元件集成和测试。
如图2(a)就是利用微带到介质集成波导的渐变过渡，实现对透镜的激励，微带的弯折是因为透镜的输出端口和输入端口在同一侧，为了便于SMA接头的焊接测试，将输入的端口设置在透镜的两侧，与透镜输出端口错开。图2(c)是透镜两部分之间的过渡结构，这些小缝隙经过优化设计可以最大的将工作频段内的电磁能量耦合到透镜的另一半，同时引起的相位偏差很小。最后，如图2(e)所示，经过透镜聚焦后的平面波由介质集成波导经微带输出。通过切换输入的端口，可以控制输出端口之间的相差。最后，只需测试输出端口的相差即可验证本发明的正确性。经过仿真优化之后耦合缝的宽度为2mm，长度为6.62mm。
图3显示了激励不同输入端口时，取输出的3个端口的相位关系，可发现随着端口向透镜两边切换，输出端口的相差逐渐增大，与仿真结构吻合。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (8)
1.基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜，包括输入端、输出端和透镜部分；其特征在于，所述透镜部分由对折的完整的龙伯透镜构成；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均由若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；
第一部分的金属层利用微带到介质集成波导的渐变过渡，实现对透镜的激励；第二部分的金属层用于把经过透镜聚焦后的平面波由介质集成波导经微带输出；
所述介质基板上开设有空气通孔；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增；
所述第一部分和第二部分通过180°平行板波导过渡连接。
2.如权利要求1所述的基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜，其特征在于，所述波导过渡连接的方式为多个耦合小缝的过渡。
3.如权利要求2所述的基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜，其特征在于，使用PCB技术，在介质基板上开设空气通孔。
4.如权利要求3所述的基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜，其特征在于，所述第一部分和第二部分的金属层和介质层的外围开设有和介质层最外层空气通孔直径等大的空气通孔。
5.基于PCB技术的折叠平面龙伯透镜制作方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤1：将完整的龙伯透镜进行对折；对折后的龙伯透镜分为两个部分，分别为第一部分和第二部分；所述第一部分和第二部分均由若干金属层和介质层组成；所述介质层为介质基板；第一部分的金属层利用微带到介质集成波导的渐变过渡，实现对透镜的激励；第二部分的金属层用于把经过透镜聚焦后的平面波由介质集成波导经微带输出；
步骤2：对所述龙伯透镜进行等分层近似，计算每层介质层对应的等效介电常数；
步骤2：在介质基板上开设空气通孔，调节等效介电常数；其中，开设的空气通孔越大对应越小的等效介电常数；每一介质基板上的空气通孔有多组，每组空气通孔的内径大小相等，分布于同心半圆的圆弧上；所有空气通孔以同心半圆的结构由内向外扩散，且由内至外，空气通孔的内径大小依次递增；
所述第一部分和第二部分通过180°平行板波导过渡连接。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述波导过渡连接的方式为多个耦合小缝的过渡。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，使用PCB技术，在介质基板上开设空气通孔。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第一部分和第二部分的金属层和介质层的外围开设有和介质层最外层空气通孔直径等大的空气通孔。
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