CN111697349A - 一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于多波束定向通信及波束扫描的基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线。它的基本结构包括若干个开口脊波导天线组成的线性馈源阵及互相平行的上下金属板。该透镜天线是利用空气填充、金属板内侧加载金属圆柱或刻蚀不同等高面的方法，实现了透镜变换形状后所需的等效介电常数分布，解决了在设计工作于5G毫米波频段的介质龙伯透镜天线的过程中遇到的一系列的设计和工程应用问题，有助于透镜天线更好的应用于多波束定向通信和波束扫描的使用场景和相应的市场需求。基于本发明的基本结构，合理改变天线形状、天线尺寸、馈源形式，即可构成本发明的其它具体实施方案。

Description

一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线

本发明属于天线技术领域，涉及到全金属透镜天线，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准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，尤其适用于工作在5G毫米波频段和宽角度波束扫描的使用场景。

背景技术

近年来，随着5G通信系统的快速发展，用于毫米波频段的多波束天线备受人们的关注。多波束天线具备高增益和宽角波束扫描等特性，可有效解决电磁波在毫米波频段的空间覆盖范围小和空间损耗大的缺点。本发明正是基于上述需求，设计了基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线。

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，并且在某些极端条件下的应用，例如潮湿、盐雾、高温等等环境中，在使用过程中极易造成损毁，维护起来也不方便，从而极大的降低它的使用寿命，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，这就使得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、宽角度范围内多波束扫描且馈电网络简单等特性，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。例如2002年Bernhard Schoenlinner等人在IEEETransactions on Microwave Theory and Techniques中发表的题为“Wide-ScanSpherical-Lens Antennas for Automotive Radars”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，并且其弧面的馈源摆布方式也降低了天线的集成度。再者，现阶段大多数透镜天线所采用的透镜材料为纯介质和超材料，如吴锡东等人在专利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，故天线口径效率低。超材料透镜天线的提出丰富了透镜的实现形式，然而超材料所固有的高损耗、窄频带等缺点严重限制了其实际应用。尤其是在毫米波频段，介质损耗和超材料的损耗的影响更加显著。为提高透镜天线的整体效率，选择合适的透镜材料是最直接的有效措施。近年来，空气填充透镜或全金属周期结构被提出用于透镜天线在毫米波频段的研究。例如：2002年，Young-Jin Park在IEEE Antenna and Wireless Propagation Letters发表题为“AngularIndependency of a Parallel-Plate Luneburg Lens With Hexagonal Lattice andCircular Metal Posts”中，通过在平行板波导之间加载不同尺寸和高度的金属柱或槽以实现不同的折射率，但是存在带宽较窄的问题。2016年，Oscar Quevedo-Teruel在IEEEAntenna and Wireless Propagation Letters发表题为“Ultrawideband MetasurfaceLenses Based on Off-Shifted Opposite Layers”中，提出了基于空气填充的滑动对称周期结构的全金属龙伯透镜天线，通过数值仿真证明了该结构能在很宽的频带内保持较小的色散性，从而大大提高了工作带宽。2018年，该团队再次发表“Glide-Symmetric FullyMetallic Luneburg Lens for 5G Communications at Ka-Band”，在保证透镜天线性能优异的同时，进一步简化了透镜天线的结构和工程实现难度，并通过实验验证了其可行性。2019年，Hongda Lu在IEEE Transactions on Antennas and Propagation发表题为“Compact Air-Filled Luneburg Lens Antennas Based on Almost-Parallel PlateWaveguide Loaded With Equal-Sized Metallic Posts”中，基于在平行板波导之间加载相同尺寸的金属柱，提出了一种小型化、低成本和高效率的空气填充的龙伯透镜和对应的龙伯反射器透镜，其覆盖Ka波段的工作带宽和多波束扫描特性可应用于相应的多波束覆盖场景。

然而，上述用于毫米波频段的全金属龙伯透镜天线均维持了传统龙伯透镜的原有型态和体积而不利于集成，一定程度上限制了其在5G通信系统中的应用。将变换光学运用于透镜天线的设计则可以有效地解决传统龙伯透镜天线的形态和集成度问题。随着各种新型透镜天线的提出，在既保留了传统龙伯透镜天线原有优异性能的同时，又有效缩减了透镜天线的体积和剖面。2014年，Carolina Mateo-Segura等人在IEEE Transactions onAntennas and Propagation中发表的题为“Flat Luneburg Lens via TransformationOptics 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，通过切换波束扫描到±34°，但是该天线的中心工作频率在10GHz且透镜为纯介质材料，推广至毫米波频段的实用性有待商榷。2019年，Y.Su等人在IEEE Transactions on Antennasand Propagation中发表的题为“ARadial Transformation-Optics Mapping for FlatUltra-Wide-Angle Dual-Polarized Stacked GRIN MTM Luneburg Lens Antenna”的文章中，利用多层PCB板工艺和超材料技术，实现了一种双极化平板龙伯透镜天线，然而该天线的中心工作频率仍在10GHz且口径效率较低。

与以前公开的发明专利和论文相比，本发明的基于准保角变换光学的全金属透镜天线主要针对介质透镜天线在5G毫米波频段损耗较高，全金属龙伯透镜的天线形态、体积较大与系统集成度较低的问题，在空气填充的全金属龙伯透镜的基础上，采用准保角变换光学对透镜形状进行变形，在有效缩小透镜天线体积的同时，保持了原有传统龙伯透镜天线高口径效率和宽角度扫描的特性。本发明结构简单，加工工艺成熟、稳定、成本低，非常适用于毫米波频段且透镜剖面非常受限制的需求场景。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景及要求，提出了基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，具体来说，针对工作于28GHz频段的全金属透镜天线，整体透镜天线分为上下两层金属平行板，两层金属平行板构成平行板波导或准平行板波导，波导内通过加载独立金属圆柱形式的周期结构以实现不同折射率等效。该天线最大有效辐射口径尺寸为112mm×3mm，天线通过1×15的一维开口瘠波导线阵馈源(其中边缘各两个哑元)进行馈电，馈源单元间距为5.8mm，即0.54个28GHz时的波长，布阵方向为馈源天线的H面方向，焦距为7mm。通过HFSS仿真结果发现，该透镜天线在不扫描时，E/H面(俯仰/方位)波束宽度为60°/7.6°，增益为14.98dBi，对应口径效率为85％，通过切换不同馈源单元分别工作，该天线在方位面能实现的最大扫描角度为±53°。该透镜天线采用空气填充的全金属透镜形式，相比传统的介质透镜，实现了毫米波频段的高效率，兼具加工组装方便及成本低的特性；相比传统的龙伯透镜天线，实现了天线形态的小型化和易于集成化，且保持了一定的扫描性能，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，尤其是毫米波频段以及天线整体剖面受限制的应用场合。

准保角变换光学法属于变换光学的一种，不同于传统变换光学里的普通坐标变换，它采用数值方法在一定的边界条件下求解偏微分方程，使得变换后的空间网格正交或者近似正交，以最大程度地减小材料的各向异性。准保角变换光学法的关键在于保持变换空间坐标的正交性，从而使得变换后的透镜媒质中只存在介电常数分量，从而简化了透镜的设计方法和实现形式。本发明对于提出的全金属多波束透镜天线的分析与设计也是基于准保角变换光学法，通过改变透镜的外延形状，得到变换后的透镜介电常数分布，并尽可能保持原有的传统龙伯透镜天线的优良聚焦性能。通过切换不同馈源单元的工作，不同位置的入射电磁波经过透镜之后，最终实现方位面的一维波束宽角度扫描。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使用二维旋转对称法优化出具有高口径效率的变形透镜各层离散的介电常数分布，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。

本发明最突出的创新之处在于采用准保角变换光学原理结合全金属透镜的结构形式，在实现天线低剖面、小型化、易于集成的同时，保障了透镜天线在5G毫米波频段的高口径效率和宽角扫描特性。具体举例来说，如本设计中的工作在28GHz频段的延伸半球形式的全金属透镜天线有效辐射口径的剖面厚度只有3mm，且纵横向比为0.65，天线的形态已经大大小于传统龙伯透镜的正圆形形状(纵横向比为1)，同时透镜天线不扫描时的口径效率为85％，方位面3dB角度覆盖范围达到了±64°，与传统的龙伯透镜天线的性能可比拟。

本发明的特点是在全金属透镜天线中的金属平行板的外沿部分和靠近开口瘠波导馈源的部分采用了内向渐变斜切的形状，调节斜切的尺寸可有效改善整体透镜天线的阻抗匹配性能和天线辐射方向图。

本发明的另一个特点是使用现阶段成熟的CNC(计算机数字化控制精密机械加工)加工工艺，根据设计所需的变换后透镜形状对应的离散化各层介电常数分布、线性瘠波导馈源阵列和加载的等尺寸的周期性独立金属圆柱，可完成透镜和馈源的整体一体化加工，上下两层相互平行的金属板可通过金属螺钉装配到一起，具有较高的结构强度。现有的CNC加工工艺具有精度高、易加工、加工成本低等特点，适用于毫米频段的天线，解决了毫米波透镜天线批量加工和成本问题。

本发明实施方式是馈源阵列辐射的电磁波入射到全金属透镜上，在全金属透镜的聚焦作用下，通过切换馈源阵列单元的工作实现透镜天线的波束扫描。本发明采用1×15开口瘠波导天线做馈源(边缘各两个哑元)，能实现的一维最大扫描角度为±53°，扫描时增益损失为2.9dB。

附图说明

图1为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线的三维结构图；

图2为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线的俯视图和侧视图；

图3为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线的上层金属板内侧示意图；

图4为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线的下层金属板内侧示意图；

图5为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线的驻波比；

图6为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线在28GHz一维扫描时的方位面辐射方向图；

图7为本发明基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线在28GHz不扫描时的俯仰面辐射方向图。

具体实施方案

图1和图2示例性地描述了基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线的三维设计结构。依图所示，此结构包括金属平行板上层(1)、金属平行板下层(2)和1×15开口瘠波导线阵馈源(3)。

金属平行板上层(1)和金属平行板下层(2)为内侧结构完全不同的两片金属板，1×15开口瘠波导线阵馈源(3)为方便加工，也沿水平面均分为上下两部分，分别放置于金属平行板的上层(1)和金属平行板下层(2)，整体结构可以通过金属螺钉简易组装和固定在一起。开口瘠波导馈源具有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，使得透镜天线有高的口径效率。1×15开口瘠波导线阵馈源(3)沿变形后的延伸半球透镜焦线上呈直线状排列，相邻馈源间间距为0.54个28GHz时的波长，以使馈源阵列尽可能占据焦线照射透镜从而使相邻波束的交叠电平尽可能小于3dB。

图3为全金属透镜天线的金属平行板上层(1)内侧示意图。该图完整地显示了全金属透镜天线的金属平行板上层(1)的详细构造，其中包含了分6层不同厚度的等高金属面(4)，分别代表了准保角光学变换后的透镜6层离散化介电常数分布。此外，可以从图2和图3中清晰地看到金属平行板层(1)中的外沿部分和靠近开口瘠波导馈源的部分采用了内向渐变斜切的形状，这是为了有效改善整体透镜天线的阻抗匹配性能和天线辐射方向图。

图4完整显示了全金属透镜天线的金属平行板下层(2)的详细构造。其中，等尺寸独立金属圆柱(5)按照周期性间隔摆布在金属平行板下层(2)的开槽部分，垂直方向上对应部位为金属平行板上层(1)中的等高金属面(4)。等高金属面(4)和等尺寸独立金属圆柱(5)的共同作用，则可实现不同的等效折射率。

图5为本发明全金属透镜天线的驻波比情况。根据该天线的结构轴对称性，6个端口可以代表所有的11个端口工作情况，故只给出了全金属透镜天线中6个具有代表性的瘠波导馈源端口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26GHz，上限为29.9GHz)，透镜天线的驻波系数均小于2。

图6为本发明基于准保角变换光学的全金属透镜天线在28GHz一维扫描时的方位面辐射方向图。同理，只给出了本发明6个对称端口依次激励时在方位面形成的6个波束。其中，相邻馈源间隔5.8mm(受限于当前机械加工工艺精度，金属壁厚设置为0.8mm更为牢固)，每个瘠波导馈源辐射的电磁波经透镜聚焦后在方位面上形成的波束，相邻波束在3dB左右的点发生波束交叠。可以看出，能实现的一维最大扫描角度为±53°，扫描时增益损失为2.9dB。

图7是基于本发明的全金属透镜天线在28GHz不扫描时的俯仰面辐射方向图。HFSS仿真结果显示增益达到14.98dBi。相较方位面方向图，由于该天线在俯仰面上的等效口径很小，所以波束较宽，它的3dB波瓣宽度为60°。

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)

1.一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其基本结构包括金属平行板上层(1)、金属平行板下层(2)和1×15开口瘠波导线阵馈源(3)；其中金属平行板上层(1)的内侧包含代表透镜介电常数分层的等高金属面(4)，金属平行板下层(2)的内侧加载了周期性排布的等尺寸独立金属圆柱(5)，金属平行板上层(1)和金属平行板下层(2)通过金属螺钉装配连接成一个整体。

2.根据权利要求1所述的一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其特征在于结合准保角变换光学原理和全金属透镜结构，实现了天线低剖面、小型化、高口径效率和宽角扫描特性，同时在金属平行板上层(1)的外沿部分和靠近开口瘠波导馈源的部分采用了具有合理尺寸的内向渐变斜切形状，有效改善了整体透镜天线的阻抗匹配性能和天线辐射方向图。

3.根据权利要求1所述的一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其特征在于1×15开口瘠波导线阵馈源(3)在垂直方向上沿水平面一分为二，分别与金属平行板上层(1)和金属平行板下层(2)实现了一体化加工。

4.根据权利要求1所述的一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其特征在于金属平行板之间填充的透镜介质为空气，提供了一种在5G毫米波频段的高效率透镜天线方案。

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