CN113285236A - 一种龙伯透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种龙伯透镜天线，包括：至少一个谐振单元，每个谐振单元包括组成田字形结构的四个金属开口谐振环；谐振单元的平面整体为方形，各个金属开口谐振环的开口分别位于方形的四个方向。通过四个金属开口谐振环组成田字形结构的谐振单元，方形的四个方向分别设置开口，可以接收各个方向的电磁波，解决了单一开口朝向带来的入射波方向问题，对入射波极化方向不敏感，可以适用于线极化入射与圆极化入射；另外，本申请的谐振单元结构简单，制作难度低，有利于降低制作成本。

Description

一种龙伯透镜天线
技术领域
本发明属于龙伯透镜领域，涉及一种龙伯透镜天线。
背景技术
龙伯透镜天线是一种介电常数从1渐变到2的球形对称的介质透镜天线，距离透镜表面一定距离的球焦面都可以认为是其焦点。通过在透镜表面安放若干个馈源天线，就可以容易得到多波束性能，处于焦点处的馈源发出的球面电磁波经龙伯透镜的折射便可以转变成平面电磁波，由于龙伯透镜的这一特性，可将其应用于高增益天线的设计之中，目前龙伯透镜天线已经得到了较为广泛的应用。龙伯透镜天线的制造通常不采用完整的球体，而是做成半球的形状，半球的底面用反射电波的材料制作，这种设计难度比较大，也不利于成本的控制。另外在透镜天线中，透镜边缘的超表面单元处入射波同透镜平面存在交角，所以超表面透镜单元存在斜入射，容易引起折射波方向的畸变。
发明内容
本发明目的是：提供一种用于微波频段的龙伯透镜天线，解决入射波方向问题导致的相位偏移问题。
本发明的技术方案是：一种龙伯透镜天线，包括：至少一个谐振单元，每个所述谐振单元包括组成田字形结构的四个金属开口谐振环；所述谐振单元的平面整体为方形，各个所述金属开口谐振环的开口分别位于方形的四个方向。
通过四个金属开口谐振环组成田字形结构的谐振单元，方形的四个方向分别设置开口，可以接收各个方向的电磁波，解决了单一开口朝向带来的入射波方向问题，对入射波极化方向不敏感，可以适用于线极化入射与圆极化入射；另外，本申请的谐振单元结构简单，制作难度低，有利于降低制作成本。
其进一步的技术方案是：每个所述谐振单元包括上下叠拼的至少两组田字形结构的金属开口谐振环。
通过上下叠拼至少两组田字形结构的金属开口谐振环实现小型化以及展宽工作带宽。
其进一步的技术方案是：叠拼的各层田字形结构的金属开口谐振环之间通过金属过孔或金属柱连接。
通过金属过孔或金属柱连接叠拼的各层田字形结构的金属开口谐振环，可以进一步拓宽系统的工作带宽。
其进一步的技术方案是：所述谐振单元周期性排列附着在介质薄层上，各层介质薄层上的谐振单元排列为同心圆。
通过在单层介质薄层上周期性排列谐振单元，可以解决电磁波斜入导致的方向畸变问题。
其进一步的技术方案是：所述龙伯透镜天线由预定层数的介质薄层组成，各层介质薄层上的同心圆半径渐变；各层介质薄层堆叠后，介质薄层上的同心圆构成球体，单层介质薄层上的谐振单元尺寸一致，越靠近球心的介质薄层上的谐振单元的尺寸越大。
通过将附着有周期性排列的谐振单元的介质薄层堆叠成球体，田字形谐振单元的周期排列，加上径向上尺寸的渐变分布，可以实现渐变折射率分布，进而控制波的传播。
其进一步的技术方案是：所述介质薄层为方形或圆形。
方形或圆形的介质薄层较为规则，便于工程中的安装应用。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本申请提供的谐振单元的示意图；
图2是本申请提供的叠拼的谐振单元的示意图；
图3是本申请提供的龙伯透镜天线的单层介质薄层的示意图；
图4是本申请提供的龙伯透镜天线的示意图；
图5是本申请提供的35GHz龙伯透镜天线的H面方向图；
图6是本申请提供的35GHz龙伯透镜天线的E面方向图。
其中：1、谐振单元；2、金属开口谐振环；3、金属柱；4、介质薄层；5、圆形轨道；6、线型馈源。
具体实施方式
实施例：本申请提供了一种龙伯透镜天线，如图1所示，该龙伯透镜天线包括：至少一个谐振单元1，每个谐振单元1包括组成田字形结构的四个金属开口谐振环2；谐振单元1的平面整体为方形，各个金属开口谐振环2的开口分别位于方形的四个方向。
图1中，一个金属开口谐振环2的等效电路类似于电容电感组成的LC滤波电路，将四个这样的金属开口谐振环2设计成一个整体，整体为正方形，大致呈“田”字，上下左右分别设有一个开口。
通过在田字形结构的谐振单元1的四个方向都设置开口，可以接收各个方向的电磁波，克服单一开口朝向带来的折射波方向的畸变问题，本申请中的谐振单元1对入射波极化方向不敏感，可以适用于线极化入射和圆极化入射。
可选的，每个谐振单元1包括上下叠拼的至少两组田字形结构的金属开口谐振环2。
为了实现小型化和展宽工作带宽，将至少两组田字形结构的金属开口谐振环2上下叠拼在一起。设计多层周期谐振单元，使得田字形结构的等效介电常数实部在所需频段内为负，而等效磁导率实部为正值，因此在此频段范围内满足单负材料特性，具有电磁超材料独特的电磁锦带。
叠拼的各层田字形结构的金属开口谐振环2之间通过金属过孔或金属柱连接。上下层之间通过金属过孔或金属柱连接，进一步扩宽系统的工作带宽。示例性的，图2中示出了金属柱3连接两组金属开口谐振环2。
在实际应用中，相邻两层田字形结构的金属开口谐振环2之间设置介质基板，介质基板上设置多个金属过孔，连接上下两层金属开口谐振环2。
可选的，结合参考图3，谐振单元1周期性排列附着在介质薄层4上，各层介质薄层4上的谐振单元1排列为同心圆。
每层介质薄层4上的谐振单元1按照周期性排列为圆形结构，多层介质薄层4堆叠起来，从俯视角度看，各个圆形构成同心圆。
附着有谐振单元1的介质薄层4构成电磁学中的人工介质材料，其基础是等效媒质，由一系列的结构单元在亚波长尺度上按照一定规律排列构成，通过设计单元结构和尺寸大小，可以得到所需要的等效介电常数和磁导率。
可选的，介质薄层4为方形或圆形。在实际应用中，介质薄层4也可以设计成其他便于加工及安装的形状。
示例性的，在实际应用中，可以将谐振单元1的田字形结构刻蚀在方形的PCB介质板上，采用方形或圆形的PCB板可以便于工程安装。
龙伯透镜天线由预定层数的介质薄层4组成，各层介质薄层4上的同心圆半径渐变；各层介质薄层4堆叠后，介质薄层4上的同心圆构成球体，单层介质薄层4上的谐振单元1尺寸一致，越靠近球心的介质薄层4上的谐振单元1的尺寸越大。
示例性的，整个龙伯透镜天线可以由10层附着有排列成同心圆的谐振单元1的介质薄层4组成。可选的，各层介质薄层4之间可以通过粘合层固定。
田字形的谐振单元1可以看做由条横向和条竖向的金属条构成，同一介质薄层4上的谐振单元1具有相同尺寸，即金属条的长度和宽度分别相等，不同介质薄层4上的谐振单元1具有不同尺寸，即金属条的长度不同。由于越靠近球心的介质薄层4上的谐振单元1的尺寸越大，因此圆形结构的半径越大，谐振单元1的尺寸越大，金属条的长度越长。
利用田字形的谐振单元1的周期排列，加上谐振单元1在径向上尺寸的渐变分布，以实现渐变折射率分布，进而控制波的传播，有效解决电磁波斜入射带来的方向畸变问题。
结合参考图4，将线型馈源6放置在设定好的圆形轨道5上，其产生的柱面波通过龙伯透镜的作用变为平面波射出，在圆形轨道5上移动线型馈源6，平面波的出射角度随之改变，达到宽角度波束扫描的效果。
通过对龙伯透镜内部折射率分布的调整，可以将馈源放置在龙伯透镜的内部，龙伯透镜天线在35GHz下的方向图的仿真结果如图5和图6所示，天线仿真增益29.4dB，口径效率41.5%，H面波束宽度4.6度，E面波束宽度5.1度，旁瓣-23.2dB，其1dB带宽为33.5-38.5GHz，相对带宽13.9%，可以观察到，利用该超表面电磁透镜实现的龙伯透镜天线可以达到较高的口径效率以及较低的旁瓣，具有较高的旁瓣抑制能力。
综上所述，本申请提供的龙伯透镜天线，通过四个金属开口谐振环组成田字形结构的谐振单元，方形的四个方向分别设置开口，可以接收各个方向的电磁波，解决了单一开口朝向带来的入射波方向问题，对入射波极化方向不敏感，可以适用于线极化入射与圆极化入射；另外，本申请的谐振单元结构简单，制作难度低，有利于降低制作成本。
另外，通过上下叠拼至少两组田字形结构的金属开口谐振环实现小型化以及展宽工作带宽。
另外，通过金属过孔或金属柱连接叠拼的各层田字形结构的金属开口谐振环，可以进一步拓宽系统的工作带宽。
另外，通过在单层介质薄层上周期性排列谐振单元，可以解决电磁波斜入导致的方向畸变问题。
另外，通过将附着有周期性排列的谐振单元的介质薄层堆叠成球体，田字形谐振单元的周期排列，加上径向上尺寸的渐变分布，可以实现渐变折射率分布，进而控制波的传播。
另外，方形或圆形的介质薄层较为规则，便于工程中的安装应用。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或者两个以上。
上述本申请实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本申请的较佳实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种龙伯透镜天线，其特征在于，包括：至少一个谐振单元，每个所述谐振单元包括组成田字形结构的四个金属开口谐振环；
所述谐振单元的平面整体为方形，各个所述金属开口谐振环的开口分别位于方形的四个方向。
2.根据权利要求1所述的龙伯透镜天线，其特征在于，每个所述谐振单元包括上下叠拼的至少两组田字形结构的金属开口谐振环。
3.根据权利要求2所述的龙伯透镜天线，其特征在于，叠拼的各层田字形结构的金属开口谐振环之间通过金属过孔或金属柱连接。
4.根据权利要求1至3任一所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述谐振单元周期性排列附着在介质薄层上，各层介质薄层上的谐振单元排列为同心圆。
5.根据权利要求4所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述龙伯透镜天线由预定层数的介质薄层组成，各层介质薄层上的同心圆半径渐变；
各层介质薄层堆叠后，介质薄层上的同心圆构成球体，单层介质薄层上的谐振单元尺寸一致，越靠近球心的介质薄层上的谐振单元的尺寸越大。
6.根据权利要求4所述的龙伯透镜天线，其特征在于，所述介质薄层为方形或圆形。
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