CN112652889A - 一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜 - Google Patents

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马凯学
张国帅
傅海鹏
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism

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  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

本发明公开了一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，基于介质集成悬置线构建罗特曼透镜。本发明的有益效果为，1、借助介质集成悬置线平台的优势，可得到较小的插入损耗；2、所发明的罗特曼透镜输入输出端口数多达16×16，有着较大的扫描角度，从而实现更精确的波束扫描；3、搭建在介质集成悬置线上的罗特曼透镜可以实现自封装，降低了制造的成本。

Description

一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜
技术领域
本发明涉及多波束成型技术，应用于微波射频邻域，具体涉及一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜。
背景技术
近年来，随着无限通信技术的不断发展，人们对天线的性能提出了越来越多的要求，在卫星通讯、航天、车载以及陆基无限通信等的应用领域里，要求天线不仅具有高的增益，还要有大的波束覆盖范围，而对一般天线而言这两者是相互制约的，而多波束扫描技术可以解决这一矛盾。多波束技术通过形成多点波束实现大面积覆盖，使得全向辐射功率以及信道容量得以提高，从而获得频谱资源的利用最大化。罗特曼透镜作为常用的多波束形成网络，有着以下优点：采用准光学法设计，具有真延时性和较宽的带宽；通过多个波束端口馈电，可是实现较远距离波束扫描；可实现波束的空间、极化隔离，从而提高通信容量有效利用频谱资源等。自1963年罗特曼透镜提出以来，被广泛用于卫星通信、基站、高分辨率雷达、多基地雷达以及汽车防撞雷达等领域。但随着毫米波、太赫兹频段的兴起，搭建在传统平台的罗特曼透镜有着损耗大、扫描角度小、阵列方向图副瓣高等缺陷。
综上所述，为了克服以上传统罗特曼透镜的缺陷，本发明基于介质集成悬置线平台公开了一种新型罗特曼透镜，应用于汽车防撞雷达等邻域。。
发明内容
基于上述需求，本发明公开了一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，借助介质集成悬置线的优势，可以实现较低的插入损耗，较宽的工作带宽，以及较大的扫描角度，为汽车防撞雷达提供了一种新型的、性能优良的波束形成网络。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，基于介质集成悬置线构建罗特曼透镜。
进一步地，
所述透镜通过如下步骤加工：
第一步：选取合适的工作频段；
第二步：基于罗特曼透镜的设计原理优化设计参数；
第三步：利用编程软件计算透镜轮廓；
第四步：设计透镜延迟线实现相位调整作用；
第五步：基于介质集成悬置线平台搭建新型罗特曼透镜的电路结构；
第六步：通过电磁软件(HFSS)对整个电路结构仿真并优化最终得到最优的电路结构设计；
第七步：对新型罗特曼透镜进行版图的绘制和加工，最后对加工实物进行测试。
进一步地，所述介质集成悬置线利用了多层电路板结构和现有的PCB层叠加工技术，对多层电路板内部局部开槽已形成空气腔，从而构成了一种新型的介质集成悬置线。
进一步地，所述介质集成悬置线由五层PCB板构成，每层PCB板由一层介质和两层金属层组成，因此整个SISL结构共包括15层，其中金属层从上到下命名为G1-G10，介质层从上到下命名为Substrate1-Substrate5，其中天线和电路设计集中在G5与G6层进行，通过对介质基板挖槽的手段来形成设计所需要的空气腔，然后通过介质板覆盖封装在一起形成了最后的SISL结构。
5、根据权利要求2所述的一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，其特征在于，在第二步中，通过以下方程选取g值：
Figure BDA0002214646030000031
通过焦距的计算公式来确定最终的透镜尺寸：
Figure BDA0002214646030000032
与现有技术相比，本发明的有益效果为，
1、借助介质集成悬置线平台的优势，可得到较小的插入损耗；
2、所发明的罗特曼透镜输入输出端口数多达16×16，有着较大的扫描角度，从而实现更精确的波束扫描；
3、搭建在介质集成悬置线上的罗特曼透镜可以实现自封装，降低了制造的成本。
附图说明
图1所示为本申请的罗特曼透镜结构示意图；
图2所示为本申请的Matlab中罗特曼透镜轮廓示意图；
图3所示为本申请介质集成悬置线结构示意图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用属于“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、部件或者模块、组件和/或它们的组合。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明采用几何光学分析法对罗特曼透镜进行设计。
首先可以这样理解罗特曼透镜天线的工作原理：电磁波信号从波束口轮廓上的其中一个波束口出发，经透镜平行板腔体、阵列口轮廓和相位传输线到达阵列面上的所有辐射天线单元，此时到达辐射天线单元上的信号以一定的相位增量依次增大或减小，并且若发出信号的波束口不同，则其在天线单元上产生的相位增量也是不同的常数。因此，由相控阵原理可知当不同的波束口被激励时，将产生不同指向的波束。
其中，波束口轮廓是一段聚焦圆弧，其上分布着三个完美焦点(两个偏轴交点F1、F2、正轴焦点G)，而其余波束口都存在一定的相位误差。阵列口轮廓由设计方程决定，其上的阵列口P(x,y)由一定长度的相位传输线Wn与阵面上对应辐射单元天线Q(x,y)相互连接，N为辐射单元天线距阵列中心O2的距离。α为正轴焦距与偏轴焦距的夹角，β为天线阵的最大扫描角，通常两者相等，也可根据设计适当地取两个不等的值。
根据等光程原理：从透镜的某一焦点出发的电磁波经过透镜输出轮廓上任意一点P然后经传输线Wn到达阵列平面的光程与从该焦点出发的电磁波通过透镜输出轮廓原点O1然后经传输线W0所得的光程相等。另外，不同结构的罗特曼透镜的相对介电常数对设计的影响很大，需要将相对介电常数εr考虑到设计方程中。根据上述原理有以下方程：
Figure BDA0002214646030000041
Figure BDA0002214646030000042
Figure BDA0002214646030000043
Figure BDA0002214646030000044
Figure BDA0002214646030000045
Figure BDA0002214646030000046
为方便计算，将各参数以焦距F为基准进行归一化：
a0＝cosα，b0＝sinα，a1＝cosβ，b1＝sinβ
x＝X/F，y＝Y/F，g＝G/F
Figure BDA0002214646030000051
据以上归一化参数对(1.1)至(1.6)式化简：
Figure BDA0002214646030000052
Figure BDA0002214646030000053
Figure BDA0002214646030000054
Figure BDA0002214646030000055
Figure BDA0002214646030000056
Figure BDA0002214646030000057
联立(7)和(10)式：
(1-w-b0η)2＝1+x2+y2+2xa0-2yb0 (13)
由于F1和F2关于坐标轴对称，η可用-η替换，y可用-y替换，上式拆分为两个方程，其中一个方程为：
-b0η+2b0wη＝-2b0y (14)
即，y＝η(1-w) (15)
另一方程为：
x2+y2+2xa0＝w2+b0 2η2-2w (16)
将(9)式与(12)式联立并化简，得
x2+y2+2gx＝w2-2gw (17)
将(17)式与(16)式相减，得：
Figure BDA0002214646030000061
再将(15)式和(18)式代入到(17)式中，化简得：
aw2+bw+c＝0 (19)
其中，
Figure BDA0002214646030000062
Figure BDA0002214646030000063
Figure BDA0002214646030000064
Figure BDA0002214646030000065
由此也可得R的表达式：
Figure BDA0002214646030000066
通过以上一系列推导可知，P(x,y)可以通过把w和η代入(15)式和(18)式计算出来，从而得到阵列口轮廓，另外可通过(20)式和(21)式得到波束口的轮廓。于是通过合理设计α、β、g、w和η的值，可以得到想要的罗特曼透镜整体的轮廓曲线。
本发明具体的实施方式如下：
第一步：选取合适的工作频段。基于汽车防撞雷达24G的工作频率，选取K波段(18-27GHz)作为所设计罗特曼透镜的工作频段。
第二步：基于罗特曼透镜的设计原理优化设计参数。前面已经基于等光程原理推导了罗特曼透镜的基本设计方程，为了使透镜的光程相位误差最小，通过以下方程选取合理的g值：
Figure BDA0002214646030000071
接下来通过焦距的计算公式来确定最终的透镜尺寸：
Figure BDA0002214646030000072
第三步：利用编程软件计算透镜轮廓。为方便计算罗特曼透镜的轮廓，选用Matlab软件构建以上轮廓，如图2所示。
第四步：设计透镜延迟线实现相位调整作用。为调整各阵列端口输出的相位，需要在阵列内轮廓与阵列外轮廓加上长度不同的带线来实现相移功能。其长度的公式已经从上述设计方程给出了。
第五步：基于介质集成悬置线平台搭建新型罗特曼透镜的电路结构。本发明基于介质集成悬置线构建了罗特曼透镜。介质集成悬置线(Substrate Integrated SuspensionLine,SISL)是一种性能非常优良的新型微波传输线系统，其具有低损耗、低色散、低成本、自封装等特性，在融合了传统波导悬置线优点的同时，也克服了波导悬置线的固有缺点。其充分利用了多层电路板结构和现有的PCB层叠加工技术，对多层电路板内部局部开槽已形成空气腔，从而构成了一种新型的介质集成悬置线。
如图3所示，一般的SISL结构主要由五层PCB板构成，每层PCB板由一层介质和两层金属层组成，因此整个SISL结构共包括15层，其中金属层从上到下命名为G1-G10，介质层从上到下命名为Substrate1-Substrate5，其中天线和电路设计主要集中在G5与G6层进行。通过对介质基板挖槽的手段来形成设计所需要的空气腔，然后通过介质板覆盖封装在一起形成了最后的SISL结构。SISL结构的电磁屏蔽主要是通过顶层和底层的金属层以及电路周围的金属过孔来实现的，这些金属过孔与多层PCB金属走线相结合，可以及其方便的实现电路中互联所需要的纵向与横向走线。本发明在G5和G6层同时布线，在Substrate2、Substrate4介质层部分挖除后形成空气腔，之后通过镶嵌在Substrate3中的金属铜柱将两层电路结构连接，这样相对单层布线而言进一步减小了介质板的损耗，充分利用了平台的优势。相对传统的罗特曼透镜，大大减小了其插入损耗。
第六步：通过电磁软件(HFSS)对整个电路结构仿真并优化最终得到最优的电路结构设计。
第七步：对新型罗特曼透镜进行版图的绘制和加工，最后对加工实物进行测试。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，其特征在于，基于介质集成悬置线构建罗特曼透镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，其特征在于，
所述透镜通过如下步骤加工：
第一步：选取合适的工作频段；
第二步：基于罗特曼透镜的设计原理优化设计参数；
第三步：利用编程软件计算透镜轮廓；
第四步：设计透镜延迟线实现相位调整作用；
第五步：基于介质集成悬置线平台搭建新型罗特曼透镜的电路结构；
第六步：通过电磁软件(HFSS)对整个电路结构仿真并优化最终得到最优的电路结构设计；
第七步：对新型罗特曼透镜进行版图的绘制和加工，最后对加工实物进行测试。
3.根据权利要求2所述的一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，其特征在于，所述介质集成悬置线利用了多层电路板结构和现有的PCB层叠加工技术，对多层电路板内部局部开槽已形成空气腔，从而构成了一种新型的介质集成悬置线。
4.根据权利要求3所述的一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，其特征在于，所述介质集成悬置线由五层PCB板构成，每层PCB板由一层介质和两层金属层组成，因此整个SISL结构共包括15层，其中金属层从上到下命名为G1-G10，介质层从上到下命名为Substrate1-Substrate5，其中天线和电路设计集中在G5与G6层进行，通过对介质基板挖槽的手段来形成设计所需要的空气腔，然后通过介质板覆盖封装在一起形成了最后的SISL结构。
5.根据权利要求2所述的一种基于介质集成悬置线的新型罗特曼透镜，其特征在于，在第二步中，通过以下方程选取g值：
Figure FDA0002214646020000021
通过焦距的计算公式来确定最终的透镜尺寸：
Figure FDA0002214646020000022
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