CN113851856B - 一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，包括多个透镜单元构成的透镜和位于所述透镜焦点平面的馈源喇叭，其中每个透镜单元均由一个方形波导和四个位于所述方形波导四壁中央的脊组成，解决了传统透镜天线难以同时实现宽增益带宽和高口径效率的问题；该发明的天线，增益高，工作增益带宽宽，能够满足毫米波远距离通信需求；该发明的天线，在实现远场高增益辐射的同时，在两个维度实现双极化扫描，适用于毫米波多波束扫描的应用场景。

Description

一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线
技术领域
本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，各类系统对天线的要求也在不断提高。一方面，由于天线工作频段的不断提高，其传输损耗相较于传统工作在低频的天线有所增加，因此在这种情况下必须使用具有高定向性和远距传输特性的高增益天线。另一方面，现代天线需要覆盖更大的空间范围以满足多波束应用场景，因此波束扫描天线也备受关注。高增益波束扫描天线广泛应用于卫星通信、雷达探测、空间通信等毫米波通信领域。
透镜天线是毫米波频段常见的高增益波束扫描天线，是一种将光学理论和阵列综合理论相结合的一种天线形式，其工作原理是通过相位补偿将馈源天线辐射的球面波转换为平面波，从而获得高增益笔形波束。透镜天线由透镜和馈源组成，其中馈源通常选择宽带高增益喇叭天线，而常见的透镜主要有多层频率选择表面型、可重构型，以及超表面型。多层频率选择表面型透镜由多层介质板和金属贴片组成，每一层之间存在空气缝隙，是一种周期性亚波长结构，通过调节单元贴片的物理尺寸或旋转贴片单元即需要的相位补偿。由于天线尺寸和频率存在对应关系，按中心频率说设计的透镜在频率变化时相位误差会变很大，因此这种透镜结构往往存在带宽较窄的缺点，且欧姆损耗和介质损耗不可忽略。可重构型透镜其单元加载有二极管或变容管，通过调节这些集总元件的电参数进而实现对单元的相位调控，从而实现天线的极化和方向图的可重构。由于集总元件的加入引入了插入损耗和高Q值，这类透镜天线存在带宽较窄的口径效率较低的缺点。超表面型透镜利用新型人工材料实现相位调控，但其结构往往比较复杂，设计较为繁琐，和多层频率选择表面型透镜一样存在带宽较窄的缺点，且存在欧姆损耗和介质损耗。通过上诉现有技术的综述分析，目前的透镜天线，难以实现同时实现宽带宽、高效率、高增益。通过利用四脊波导的相位可调、低损耗、高效率的特性，提出基于四脊波导单元的全金属透镜天线，能够实现宽增益带宽、高口径效率，同时也能实现二维双极化波束扫描，满足了毫米波频段对高增益多波束应用场景的高质量通信需求。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，所述透镜天线包括多个四脊波导单元构成的透镜和位于所述透镜焦点平面的馈源喇叭，其中每个四脊波导单元均包括一个方形波导和四个位于所述方形波导四壁中央的脊。
上述方案的有益效果是，所提出的金属透镜天线具有高增益、宽增益带宽、损耗低、双极化等优点，适合多种毫米波远距离多波束应用场景的通信需求；本发明具有非常宽的增益带宽，能够在主要毫米波频段实现高增益覆盖，满足更大带宽的通信要求；本发明增益高，能实现远距离定向通信，满足毫米波频段对通信距离的要求；本发明提供了双极化波束扫描方案，同时也能实现固定圆极化波束高增益辐射，可以根据实际应用场景进行选择。
进一步的，所述方形波导四壁中央的脊沿波导内壁上下两端具有过渡结构，其上下两端的过渡结构使所述脊呈梯形，用于减小电磁波在四脊波导中的传播损耗。
进一步的，所述四个位于所述方形波导四壁中央的脊在波导内壁呈轴对称且中心对称分布，用于支持双线极化和双圆极化的传播模式。
进一步的，所述脊长度可调，调节范围为16mm-40mm，其中两个过渡结构总长为16mm，用于获取每个单元需要的相位补偿，实现将馈源辐射出的球面波转换成平面波的性能。
进一步的，所述宽带高增益金属透镜天线的焦点设置于所述透镜正下方，所述馈源喇叭沿所述焦点所在平面的两条轴线分布，其中馈源喇叭到所述透镜的距离即为所述透镜天线焦距。
进一步的，所述天线通过切换不同馈源，能够在两个方向实现双极化波束扫描。
进一步的，所述透镜单元为全金属结构。
上述进一步方案的有益效果是，与传统透镜相比不存在介质损耗，所以该单元在较宽的频带内都具有较低的透射损耗。
附图说明
图1是本发明四脊波导单元的结构示意图，其中a为剖面图，b为俯视图。
图2是本发明四脊波导单元随脊长度L改变的透射相位图。
图3是本发明不同脊长度的四脊波导单元随频率改变的透射损耗图。
图4是本发明实施例16x16单元脊长度配置图。
图5是基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线等轴测图。
图6是基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线辐射性能图。
图7是基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线中心波束增益带宽图。
图8是基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线波束扫描原理图。
图9是基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线波束扫描方向图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，如图6所示，所述透镜天线包括多个透镜单元构成的透镜1和位于所述透镜焦点平面的馈源喇叭2，其中每个透镜单元均包括一个方形波导3和四个位于所述方形波导四壁中央的脊4。
本实施例利用四脊波导作为透镜单元，该四脊波导由一个方形波导3和四个位于波导内壁中央的脊4组成，其剖面图和俯视图如图1所示。每个脊都有两个过渡结构，目的是减小电磁波在四脊波导中的传播损耗。通过同时调节四个脊的长度，能够实现需要的相位补偿。由于其对称性，四脊波导支持双线极化和双圆极化的传播模式，所以本发明能满足不同的应用需求。
如图2所示，该四脊波导的相位随脊长度变化曲线在较宽频率范围内几乎平行，所以能够保证本发明的宽带性能。由于该透镜单元是一个全金属结构，与传统透镜相比不存在介质损耗，所以该单元在较宽的频带内都具有较低的透射损耗，如图3所示，该结构在28GHz-40 GHz带宽内透射损耗小于1.4 dB。
通常，透镜天线的焦点设置在透镜的正下方中央，馈源的口径面的相位中心位于焦点，馈源到透镜的距离称之为焦距。借助于光学理论中的费曼原理，可以计算出从馈源辐射到每个单元时的相位差（该透镜的相位分布以位于中心的馈源喇叭为基准进行计算），通过透镜单元的相位补偿作用，使得最后从透镜辐射出来的电磁波具有近似相同的相位，从而实现球面波到平面波的转换，即实现高增益。
如图4所示为该16x16个单元对应的脊长度，四脊波导单元中的脊长度在透镜天线中心点的位置最大，并沿径向方向上其脊长度各不相同，在沿径向方向上从中心至边缘呈波形分布，如图6所示为本发明在仿真软件Ansys HFSS中在30 GHz频率的3D方向图，该中心波束仿真增益如图7所示，达到了28.8 dBi，能够满足远距离定向辐射的设计要求。
如图5所示为本发明所提出的透镜天线配置图，1为透镜，2为馈源喇叭。馈源喇叭沿焦点所在平面的两条轴线排布，馈源到透镜的距离为焦距。沿焦点所在平面的两条轴线排布一定数量的馈源喇叭，通过对不同馈源进行激励，即可在两个维度实现机械扫描。将不同透镜单元的设置组合起来是实现透镜的整体效果，即通过补偿相位，将球面波转换为平面波。不同位置的透镜单元其脊长度是根据相应位置的相位分布确定的，而这个相位分布是以位于中心的馈源计算的。焦距一旦确定，相位分布也就确定，不同位置的透镜单元也随即确定。
图8给出了本发明的多波束扫描原理，通过切换不同馈源即可实现不同波束的切换。由于本发明所用到的四脊波导具有双极化特性，故馈源喇叭采用双极化喇叭。图8中，不同的馈源和不同偏转角度波束的对应关系，激励一个馈源，即可获得相应编号的波束，例如，激励或者说切换至馈源A，最后获得的是相对位置为A的波束，如图8最上方。
图9给出了一个极化在一个维度的扫描方向图。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述透镜天线包括多个透镜单元构成的透镜和位于所述透镜焦点平面的馈源喇叭，其中每个透镜单元均包括一个方形波导和四个位于所述方形波导四壁中央的脊,所述方形波导四壁中央的脊长度在透镜中心最大，并沿径向方向上其脊长度各不相同，在沿径向方向上从中心至边缘呈波形分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述方形波导四壁中央的脊沿波导内壁上下两端具有过渡结构，其上下两端的过渡结构使所述脊呈梯形，用于减小电磁波在四脊波导中的传播损耗。
3.根据权利要求2所述的一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述四个位于所述方形波导四壁中央的脊在波导内壁呈轴对称且中心对称分布，用于支持双线极化和双圆极化的传播模式。
4.根据权利要求1所述的一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述脊长度调节范围为16mm-40mm，其中两个过渡结构总长为16mm，用于获取每个单元需要的相位补偿，实现将馈源辐射出的球面波转换成平面波的性能。
5.根据权利要求4所述的一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述宽带高增益金属透镜天线的焦点设置于所述透镜正下方，所述馈源喇叭沿所述焦点所在平面的两条轴线分布，其中馈源喇叭到所述透镜的距离即为所述透镜天线焦距。
6.根据权利要求5所述的一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述透镜为全金属结构。
7.根据权利要求6所述的一种基于四脊波导的宽带高增益金属透镜天线，其特征在于，所述透镜天线通过3D金属打印加工。
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