CN111799567A - 一种广角度宽带毫米波平面透镜及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种广角度宽带毫米波平面透镜及其设计方法，所述透镜包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时6个波长，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层、第一单元介质层、第一单元栅格层、第二单元介质层、第二单元贴片层、第三单元介质层、第二单元栅格层、第四单元介质层、第三单元贴片层、第五单元介质层、第三单元栅格层、第六单元介质层、第四单元贴片层，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层、第三单元贴片层与第四单元贴片层为完全相同的圆形金属层本发明的透镜可以显著的提高天线方向性，于中心位置可以达到27.3dBi的方向性。

Description

一种广角度宽带毫米波平面透镜及其设计方法

技术领域

本发明属于天线技术，具体为一种广角度宽带毫米波平面透镜及其设计方法。

背景技术

超材料透镜天线和传统的介质透镜天线相比有许多优点，有方向性好，体积小，重量轻，成本低，结构紧凑等特点。传统的平面微波透镜天线采用单层或者多层结构但是其频段低，大多为X波段，带宽小不适用于大容量通信，扫描角度小，通常扫描角度在±30°度以下。2015年，Nader Behdad将频率选择表面透镜应用于X波段，这种透镜天线采用喇叭天线馈电方式，在±45°度以内时扫描效果好，但是超过±45°度时其天线方向性就大大降低。2017年，加拿大华为技术公司Senglee Foo将透镜天线应用于毫米波段39Ghz，但是扫描角度只有±28.2°度。

发明内容

本发明目的在于提出了一种广角度宽带毫米波平面透镜。

实现本发明目的的技术方案为：一种广角度宽带毫米波平面透镜，包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时6个波长，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层、第一单元介质层、第一单元栅格层、第二单元介质层、第二单元贴片层、第三单元介质层、第二单元栅格层、第四单元介质层、第三单元贴片层、第五单元介质层、第三单元栅格层、第六单元介质层、第四单元贴片层，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层、第三单元贴片层与第四单元贴片层为完全相同的圆形金属层。

优选地，所述第一单元栅格层、第二单元栅格层与第三单元栅格层为完全相同的十字型栅格金属层。

优选地，所述十字型栅格宽度为a1＝0.4mm，长度为a2＝4mm,厚度d＝0.018mm。

优选地，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层、第三单元贴片层以及第四单元贴片层厚度为d1＝0.018mm。

优选地，所述第一单元介质层、第二单元介质层、第三单元介质层、第四单元介质层、第五单元介质层、第六单元介质层相同，均为正方形，边长为b1＝4mm，厚度为d2＝0.508mm。

本发明还提出了一种广角度宽带毫米波平面透镜的设计方法，其特征在于，具体步骤为：

确定毫米波平面透镜的结构组成，所述毫米波平面透镜包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层、第一单元介质层、第一单元栅格层、第二单元介质层、第二单元贴片层、第三单元介质层、第二单元栅格层、第四单元介质层、第三单元贴片层、第五单元介质层、第三单元栅格层、第六单元介质层、第四单元贴片层，所述第一单元贴片层、第二单元贴片层、第三单元贴片层与第四单元贴片层为完全相同的圆形金属层；

确定天线单元的尺寸，所述天线单元的尺寸包括圆形金属层的直径。

优选地，确定圆形金属层的直径的具体方法为：

采用垂直入射补偿的方法确定第一周期内的圆形金属层的相位，采用60度斜入射补偿的方法确定剩余周期内的圆形金属层的相位；

根据圆形金属层的相位确定圆形金属层的直径。

优选地，采用垂直入射补偿的方法确定第一周期内的圆形金属层的相位的具体方法为：

确定第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离；

根据第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离及设计的透镜焦距确定第一周期内的圆形金属层的延迟相位，具体公式为：

式中，l_n为第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离，l₁为设计的透镜焦距，λ为平面波波长。

优选地，确定的剩余周期内的圆形金属层的延迟相位为：

式中，hn为任一圆形金属层cn到平面等相位w的垂直距离，ldn为焦点F1到圆形金属层cn的距离，圆形金属层c1位于平面等相位面w上，ld1为焦点F1到圆形金属层c1的距离，λ为平面波波长。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明可以做到宽角度扫描，扫描角度达到±60°；(2)本发明设计的频段是毫米波段为28Ghz-32Ghz具有4Ghz的超宽带传输特性；(3)本发明的透镜显著的提高了天线方向性，于中心位置可以达到27.3dBi的方向性。

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。

附图说明

图1为实施例设计的透镜结构图。

图2为实施例设计的单元结构图。

图3为实施例设计的透镜结构示意图。

图4为实施例设计的单元贴片层图。

图5为实施例设计的单元栅格层图。

图6为实施例设计的单元介质层图。

图7为实施例设计的单元右视图。

图8为实施例设计的天线多角度入射示意图。

图9为实施例设计的贴片多周期示意图。

图10为实施例设计的栅格结构整体图。

图11为实施例设计的垂直入射补偿示意图。

图12为实施例设计的垂直入射准直原理图。

图13为实施例设计的斜入射补偿示意图。

图14为实施例设计的斜入射准直原理图。

图15为实施例设计的馈源天线入射位置图。

图16为实施例设计的贴片尺寸大小图。

图17为实施例设计的馈源天线电压驻波比。

图18为实施例设计的馈源天线30Ghz天线方向图。

图19为实施例设计的各频率方向图。

图20为实施例设计的各角度方向图。

具体实施方式

一种广角度宽带毫米波平面透镜，包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时6个波长，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层1、第一单元介质层2、第一单元栅格层3、第二单元介质层4、第二单元贴片层5、第三单元介质层6、第二单元栅格层7、第四单元介质层8、第三单元贴片层9、第五单元介质层10、第三单元栅格层11、第六单元介质层12、第四单元贴片层13，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9与第四单元贴片层13为完全相同的圆形金属层。

如图8～15所示，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9以及第四单元贴片层13为金属圆形贴片，圆形贴片直径为g1，贴片位置不同g1的大小不同，对应的相位提前量不同，透镜的相位设计采用两步完成：

首先，对贴片采用垂直入射补偿的方法进行相位设计，天线F位于透镜中心的延长线位置，距离透镜为70mm，l₁＝70mm，r₁为正对天线F的贴片，r_N是透镜上一个周期内任意一位置的贴片，l₁为r₁到天线F的距离，l_n是r_n到天线F的距离，通过改变贴片造成的相位超前量来补偿路径产生的相位差值，当从天线F发出的球面波照射时，经过r_n贴片产生的相位延迟比在贴片r₁处提前

角度时，贴片经过相位补偿后穿过两贴片的球面波会因为相位的补偿变成同相位的平行波从而提高天线的方向性，当两个贴片的相位差

则正好为周期的整数倍，由于电磁波经过整数倍周期相位变化时可以等效为相位不变，则此时无需补偿，在第一步设计中，最边缘贴片和中心贴片相位相差2160°即6个周期，其中λ为平面波波长。

其次，采用60度斜入射补偿的方法进行相位设计，大体实施方法为通过对第一步设计的透镜进行60度平面波斜入射，确定此时60度斜入射焦点位置，再根据60度斜入射焦点位置对除第一周期外其余五个周期的贴片进行尺寸的调整使得相位改变从而更好的对60度斜入射进行补偿，此时准直后的平行波与透镜法线夹角为60度，第一周期内的贴片相位保持不变，对于外部5个周期采用斜入射补偿的方法设计，c1为透镜最边缘的贴片看做第一周期外的基准贴片，坐标为0，98单位mm，cn为第一周期外的任意一个贴片，F1为通过第一步设计的透镜进行平面波斜入射60度激励从而找到斜入射60度焦点位置，坐标为55，77单位mm，w为准直后的等相位面，球面波从天线F1传播到cn再变成平行波w的波程为hn+ldn，由于贴片c1在边缘上且在平行波w的等相位面上，则球面波从天线F1到第一周期外的任意一个贴片c1再到平行波等相位面w的波程为ld1，则从天线F1到第一周期外的任意一个贴片cn到平行波等相位面w比从天线F1到c1到等相位面w波程多ld＝hn+ldn-ld1，对应延迟相位

角度，当cn使得穿透的电磁波提前

角度时，经过cn和c1的球面波才能准直为传播方向和透镜法线夹角为60度的平行波，不同的贴片尺寸决定了不同的相位超前量，直径g1的确定方法为：根据单元贴片层位置确定垂直相位补偿或者斜入射相位补偿，根据上述方法确定的相位超前量与贴片层边长的对应关系，确定第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9以及第四单元贴片层13的直径。相位超前量与贴片层边长的关系为：相位超前量为0-17，17-32，32-56，56-72，72-87，87-108，108-135，135-156，156-174，174-190，190-207，207-220，220-241，241-258，258-271，271-288，288-360角度时分别对应直径g1大小为3.28mm,3.24mm,3.2mm,3.14mm,3.1mm,3.06mm,3mm,2.9mm,2.8mm,2.7mm,2.6mm,2.5mm,2.4mm,2.2mm,2mm,1.8mm,1.2mm。当相位提前量超过一个周期即360°时，由于相位的周期性，此时该相位对应在0°-360°的相位为本身相位减去整数倍的360°，使得减后结果在0°-360°内，则可以继续按照对应关系得到相位超前量，设计贴片g1大小。

所述透镜中心位于xoy坐标原点，透镜沿着y轴方向，透镜的法向沿着x轴方向，所述an1为垂直入射时天线位置，此时位置为70，0单位mm，所述an2为斜入射15度时天线位置，此时位置为67，25单位mm，所述an3为斜入射30度时天线位置，此时位置为62，45单位mm，所述an4为斜入射45度时天线位置，此时位置为60，64单位mm，所述an5为斜入射60度时天线位置，此时位置为55，77单位mm。

进一步的实施例中，所述第一单元栅格层3、第二单元栅格层7与第三单元栅格层11为完全相同的十字型栅格金属层。

具体地，所述十字型栅格宽度为a1＝0.4mm，长度为a2＝4mm,厚度d＝0.018mm。

进一步的实施例中，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9以及第四单元贴片层13厚度为d1＝0.018mm。

进一步的实施例中，所述第一单元介质层2、第二单元介质层4、第三单元介质层6、第四单元介质层8、第五单元介质层10、第六单元介质层12相同，均为正方形，边长为b1＝4mm，厚度为d2＝0.508mm。矩阵周期排列时会合成一块大介质层边长为200mm，材质采用Rogers RT5880LZ。

所述第一单元贴片层按照矩阵圆结构构成第一贴片层，从中心到边缘的长度为e1＝98mm。

在一块200mm×200mm厚度为d1＝0.018mm的金属板上按照第一单元栅格层镂空形成第一栅格层。

由第一单元介质层周期排布形成尺寸为200mm×200mm，厚度为d2＝0.508mm的第一介质层。

一种广角度宽带毫米波平面透镜的设计方法，具体步骤为：

确定毫米波平面透镜的结构组成，所述毫米波平面透镜包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层1、第一单元介质层2、第一单元栅格层3、第二单元介质层4、第二单元贴片层5、第三单元介质层6、第二单元栅格层7、第四单元介质层8、第三单元贴片层9、第五单元介质层10、第三单元栅格层11、第六单元介质层12、第四单元贴片层13，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9与第四单元贴片层13为完全相同的圆形金属层；

确定天线单元的尺寸，所述天线单元的尺寸包括圆形金属层的直径。

进一步的实施例中，确定圆形金属层的直径的具体方法为：

采用垂直入射补偿的方法确定第一周期内的圆形金属层的相位，采用60度斜入射补偿的方法确定剩余周期内的圆形金属层的相位；

进一步地，采用垂直入射补偿的方法确定第一周期内的圆形金属层的相位的方法为：

确定第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离；

根据第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离及设计的透镜焦距确定第一周期内的圆形金属层的延迟相位，具体公式为：

式中，l_n为第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离，l₁为设计的透镜焦距，λ为平面波波长。

进一步地，确定的剩余周期内的圆形金属层的延迟相位为：

式中，式中，hn为任一贴片cn到平面等相位w的垂直距离，ldn为焦点F1到cn的距离，贴片c1位于平面等相位面w上，则贴片c1到平面等相位面w的距离为0，ld1为焦点F1到贴片c1的距离，λ为平面波波长。

根据圆形金属层的相位确定圆形金属层的直径。

本发明的具体工作过程为：天线发出的球面波入射在本发明上，会被准直成为平面波，经过斜入射补偿，在天线位置不同时，会产生传播方向不相同的平行波，从而提高天线的方向性。

实施例

如图1～7所示，一种广角度宽带毫米波平面透镜，包括若干个呈矩阵形式排列成圆形的单元，所述中心位置单元和边缘位置单元延时6个波长，所述天线单元包括依次包括第一单元贴片层1、第一单元介质层2、第一单元栅格层3、第二单元介质层4、第二单元贴片层5、第三单元介质层6、第二单元栅格层7、第四单元介质层8、第三单元贴片层9、第五单元介质层10、第三单元栅格层11、第六单元介质层12、第四单元贴片层13，所述第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9与第四单元贴片层13为完全相同的圆形金属层，所述第一单元栅格层3、第二单元栅格层7与第三单元栅格层11为完全相同的十字型金属层。

本实施例中，毫米波平面透镜为6个周期，确定圆形金属层位于第几周期的方法为取透镜某一圆形金属层A计算圆形金属层到焦点距离为l_n，中心圆形金属层到焦点距离为l₁，则可以计算出焦点到两圆形金属层的路程差为l_n-l₁，则相位差为

其中λ为波长，若此时

则圆形金属层A位于第一周期内，若此时

则圆形金属层A位于第二周期内，若此时

则圆形金属层A位于第三周期内，若此时

则圆形金属层A位于第四周期内，若此时

则圆形金属层A位于第五周期内，若此时

则圆形金属层A位于第六周期内，此设计的透镜共六个周期；

实施例中，第一单元介质层2、第二单元介质层4、第三单元介质层6、第四单元介质层8、第五单元介质层10、第六单元介质层12的边长为b1＝4mm，矩阵周期排列时会合成一块大的介质层，材质采用Rogers RT5880LZ，厚度为h1＝0.508mm。

本实施例中，第一贴片层由第一单元贴片层按照圆结构构成，尺寸按照上述相位计算，中心位置距离边缘为为e1＝98mm，第一栅格层在一块200mm×200mm厚度为d1＝0.018mm的金属板上按照第一单元栅格层镂空形成的，中心镂空距离边缘镂空长度为e2＝98mm，第一介质层由第一单元介质层周期排布形成，尺寸为200mm×200mm，厚度为d2＝0.508mm。

如图16所示，本实施例中，其中每一个格子代表一个4×4mm的天线单元，共有49×49个格子，格子中无数字代表该格子位置没有相位单元，格子中有数字对应相位单元，格子中数字代表每一个不同位置相位单元所对应第一单元贴片层1、第二单元贴片层5、第三单元贴片层9以及第四单元贴片层13，中直径g1的大小。

如图17所示，本实施例中，为配合使用的馈源天线的电压驻波比，该天线具有28-32Ghz带宽，可以良好的匹配透镜的带宽。

如图18所示，本实施例中，为配合使用的馈源天线的E面和H面方向性图，该天线在30Ghz的方向性为8.5dBi。

如图19所示，本实施例中，为28Ghz，30Ghz，32Ghz垂直入射时方向性图，在中心频率30Ghz时方向性为27.3dBi，在28Ghz和32Ghz时方向性分别为25.3dBi和26.2dBi，而在29Ghz和31Ghz时方向性分别为25.9dBi和28dBi，28Ghz和32Ghz相比在中心频率下降2dB和1dB，该透镜的带宽可以达到28Ghz-32Ghz。

如图20所示，本实施例中，为0度垂直入射，15度斜入射，30度斜入射，45度斜入射，60度斜入射时方向性图，在0度，15度，30度，45度和60度时方向性分别为27.3dBi，26.8dBi，25.8dBi，24.8dBi和21.4dBi。相比0度，60度入射时方向性下降5.9dBi，总体增益都是在20dBi以上的，相对于方向性为8.5dBi的馈源天线，经过透镜提升方向性后在0度，15度，30度，45度和60度时天线可以提升18.8dB，18.3dB，17.3dB，16.3dB，12.9dB的方向性，大大提高了馈源天线的方向性，可以做到±60°的广角扫描。

Claims (9)

1.一种广角度宽带毫米波平面透镜，其特征在于，包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述中心位置天线单元和边缘位置天线单元延时6个波长，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层(1)、第一单元介质层(2)、第一单元栅格层(3)、第二单元介质层(4)、第二单元贴片层(5)、第三单元介质层(6)、第二单元栅格层(7)、第四单元介质层(8)、第三单元贴片层(9)、第五单元介质层(10)、第三单元栅格层(11)、第六单元介质层(12)、第四单元贴片层(13)，所述第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)、第三单元贴片层(9)与第四单元贴片层(13)为完全相同的圆形金属层。

2.根据权利要求1所述的广角度宽带毫米波平面透镜，其特征在于，所述第一单元栅格层(3)、第二单元栅格层(7)与第三单元栅格层(11)为完全相同的十字型栅格金属层。

3.根据权利要求2所述的广角度宽带毫米波平面透镜，其特征在于，所述十字型栅格宽度为a1＝0.4mm，长度为a2＝4mm,厚度d＝0.018mm。

4.根据权利要求1所述的广角度宽带毫米波平面透镜，其特征在于，所述第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)、第三单元贴片层(9)以及第四单元贴片层(13)厚度为d1＝0.018mm。

5.根据权利要求1所述的广角度宽带毫米波平面透镜，其特征在于，所述第一单元介质层(2)、第二单元介质层(4)、第三单元介质层(6)、第四单元介质层(8)、第五单元介质层(10)、第六单元介质层(12)相同，均为正方形，边长为b1＝4mm，厚度为d2＝0.508mm。

6.一种广角度宽带毫米波平面透镜的设计方法，其特征在于，具体步骤为：

确定毫米波平面透镜的结构组成，所述毫米波平面透镜包括若干个呈矩阵形式周期排列的天线单元，所述天线单元均包括依次设置的第一单元贴片层(1)、第一单元介质层(2)、第一单元栅格层(3)、第二单元介质层(4)、第二单元贴片层(5)、第三单元介质层(6)、第二单元栅格层(7)、第四单元介质层(8)、第三单元贴片层(9)、第五单元介质层(10)、第三单元栅格层(11)、第六单元介质层(12)、第四单元贴片层(13)，所述第一单元贴片层(1)、第二单元贴片层(5)、第三单元贴片层(9)与第四单元贴片层(13)为完全相同的圆形金属层；

确定天线单元的尺寸，所述天线单元的尺寸包括圆形金属层的直径。

7.根据权利要求6所述的广角度宽带毫米波平面透镜的设计方法，其特征在于，确定圆形金属层的直径的具体方法为：

采用垂直入射补偿的方法确定第一周期内的圆形金属层的相位，采用60度斜入射补偿的方法确定剩余周期内的圆形金属层的相位；

根据圆形金属层的相位确定圆形金属层的直径。

8.根据权利要求7所述的广角度宽带毫米波平面透镜的设计方法，其特征在于，采用垂直入射补偿的方法确定第一周期内的圆形金属层的相位的具体方法为：

确定第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离；

根据第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离及设计的透镜焦距确定第一周期内的圆形金属层的延迟相位，具体公式为：

式中，l_n为第一周期内任一圆形金属层到焦点的距离，l₁为设计的透镜焦距，λ为平面波波长。

9.根据权利要求7所述的广角度宽带毫米波平面透镜的设计方法，其特征在于，确定的剩余周期内的圆形金属层的延迟相位为：

式中，hn为任一圆形金属层cn到平面等相位w的垂直距离，ldn为焦点F1到圆形金属层cn的距离，圆形金属层c1位于平面等相位面w上，ld1为焦点F1到圆形金属层c1的距离，λ为平面波波长。

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