CN114899616A - 一种毫米波低损耗罗特曼透镜 - Google Patents

一种毫米波低损耗罗特曼透镜 Download PDF

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许轲
杨培刚
赵志强
徐利明
全旭林
陈曦
万养涛
柏航
郭兰维
欧婧鑫
周明洋
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Abstract

本发明公开了一种毫米波低损耗罗特曼透镜，所述罗特曼透镜包括单层非金属化介质基板和两层印制化金属平面透镜，非金属化介质基板位于两层印制化金属平面透镜之间，形成夹层结构。本发明通过将透镜体分区并且每个区域对应的非金属化介质基板具有等效相对介电常数分区设计，输入端口到输出端口间的传输会发生折射，相邻区域能量传输满足Snell折射定律，而不满足几何光学直线传输，通过优化透镜体的分区数量M及非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i，可使能量传输聚集在输入端口区域和输出端口区域之间，减少传输至空置端口的能量，保证本实施例设计的罗特曼透镜具有低损耗特性。

Description

一种毫米波低损耗罗特曼透镜
技术领域
本发明涉及多波束形成网络技术领域，尤其涉及到一种毫米波低损耗罗特曼透镜。
背景技术
罗特曼(Rotman)透镜是一种常用的多波束形成网络，利用波束口到天线阵上各个单元的光程差来确定波束指向，是一种真时延(True Time Delay，TTD)波束形成器，理论上波束指向与工作频率无关，频率变化时波束指向固定不变，能实现较宽的频带。微带线型罗特曼透镜的电路简单，体积小，重量轻，设计灵活，采用印制电路技术加工，易于集成，成本低，也是最常用的实现形式。
随着技术发展，毫米波频段设备得到广泛应用，微带线型罗特曼透镜有较大损耗，且微带线宽度和厚度与频率相关，导致微带线线宽尺寸小，馈电结构复杂，实现难度大。基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)罗特曼透镜因其加工方便，易于集成等优点，广泛应用于毫米波频段。但罗特曼透镜能量传输基于几何光学直线传播，会有部分能量传输至空置端口，导致能量损失，致使输入端口至输出端口间传输损耗变大。综上所述，应用于毫米波频段的基片集成波导罗特曼透镜也存在传输损耗较大的问题，难以应用于低损耗场合。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种毫米波低损耗罗特曼透镜，旨在解决目前应用于毫米波频段的基片集成波导罗特曼透镜也存在传输损耗较大的问题，难以应用于低损耗场合的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供一种毫米波低损耗罗特曼透镜，包括单层非金属化介质基板和两层印制化金属平面透镜；其中：
所述非金属化介质基板位于两层印制化金属平面透镜之间，形成夹层结构，印制化金属化平面透镜包括输入端口、输出端口、空置端口和透镜体；
所述透镜体分为M个区域，每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计，所述输入端口，输出端口和空置端口基于基片集成波导结构实现；
其中，所述透镜体上每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数不同；
所述透镜体上从输入端口至输出端口的M个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数分别为εeff,1，εeff,2，…，εeff,M-1，εeff,M，满足关系式：
εeff,1<εeff,2<…<εeff,i<…<εeff,M-1<εeff,M
其中，i表示所述透镜体上从输入端口至输出端口的第i个区域。
可选的，所述每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计，具体为：
根据非金属化介质基板的相对介电常数εh，对透镜体的M个区域对应的非金属化介质基板开非金属化孔，使每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i发生变化；其中：
每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i通过等效媒质理论计算获得。
可选的，介质基板的相对介电常数εh小于5。
可选的，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i通过A-BG等效媒质理论来进行等效；公式具体为：
Figure BDA0003668799750000021
其中，εeff,i为第i个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数，ε为第i个区域的非金属孔中填充材料的相对介电常数，εh为非金属化介质基板1的相对介电常数，p为第i个区域的非金属化孔中填充材料体积占第i个区域体积的体积比分数。
可选的，所述非金属化孔中填充材料为空气，ε＝1。
可选的，所述非金属化孔为圆柱形孔。
可选的，所述非金属化孔的孔径小于0.03λ，λ为罗特曼透镜的工作频率对应的波长。
可选的，M为大于等于2的整数。
本发明提出的毫米波低损耗罗特曼透镜，其有益效果如下：
1、由于透镜体分区并且每个区域对应的非金属化介质基板具有等效相对介电常数分区设计，输入端口到输出端口间的传输会发生折射，相邻区域能量传输满足Snell折射定律，而不满足几何光学直线传输，可使能量传输聚集在输入端口区域和输出端口区域之间，减少传输至空置端口的能量，保证本实施例设计的罗特曼透镜具有低损耗特性。
2、基片集成波导结构实现方式，保证本实施例设计的罗特曼透镜能够以平面电路的形式工作在于毫米波频段。
3、本发明的罗特曼透镜在加工制造过程中所涉及的微波印制工艺、开金属化孔工艺、开非金属化孔工艺成熟可靠，操作简单，适合大批量生产且生产一致性好。
附图说明
图1为传统基片集成波导罗特曼透镜的透镜电路结构示意图。
图2为传统基片集成波导罗特曼透镜能量传输示意图。
图3为本发明毫米波低损耗罗特曼透镜的示意图。
图4为本发明本发明所述罗特曼透镜能量传输示意。
附图标号说明：
1-介质基板；2-印制化金属平面透镜；21-输入端口；22-输出端口；221-其一输出端口；222-其二输出端口；223-其三输出端口；224-其四输出端口；225-其五输出端口；226-其六输出端口；23-空置端口；24-透镜体；5-透镜电路；51-透镜电路的输入端口；513-透镜电路的其一输入端口；52-透镜电路的输出端口；53-透镜电路的空置端口；54-透镜电路的透镜体；61-其一能量传输路径；62-其二能量传输路径；2124-空置端口。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释发明，并不用于限定发明。
下面将结合发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于发明保护的范围。
需要说明，发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当人认为这种技术方案的结合不存在，也不在发明要求的保护范围之内。
目前，相关技术领域中，应用于毫米波频段的基片集成波导罗特曼透镜也存在传输损耗较大的问题，难以应用于低损耗场合。
为了解决这一问题，提出本发明的毫米波低损耗罗特曼透镜的各个实施例。本发明提供的毫米波低损耗罗特曼透镜，通过将透镜体分区并且每个区域对应的非金属化介质基板具有等效相对介电常数分区设计，输入端口到输出端口间的传输会发生折射，相邻区域能量传输满足Snell折射定律，而不满足几何光学直线传输，通过优化透镜体的分区数量M及非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i，可使能量传输聚集在输入端口区域和输出端口区域之间，减少传输至空置端口的能量，保证本实施例设计的罗特曼透镜具有低损耗特性。
传统基片集成波导罗特曼透镜的透镜电路结构示意图如图1所示，其中，5是透镜的透镜电路，51为透镜电路的输入端口，52为透镜电路的输出端口，53为传统透镜电路的空置端口(位于输入端口51和输出端口52之间)，54为透镜电路的透镜体。
传统基片集成波导罗特曼透镜通过透镜体54完成输入端口51到输出端口52间的能量传输，其传输满足几何光学直线法则，如图2所示。以输入端口513为例，能量传输路径类似其一能量传输路径61和其二能量传输路径62，导致部分能量传输到空置端口53区域，导致能量损耗。
如图3所示，图3是本实施例提供的毫米波低损耗罗特曼透镜的示意图，包括单层非金属化介质基板1和两层印制化金属平面透镜2组成，所述印制化金属化平面透镜2包括输入端口21、输出端口22、空置端口23(位于输入端口21和输出端口22之间的区域)、透镜体24。所述透镜体24分为M个区域，每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计；所述输入端口21，输出端口22和空置端口23基于基片集成波导结构(开金属化孔)实现。
每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计是指，所述透镜体24上每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数不同。如图4所示，所述透镜体24上从输入端口21至输出端口22的M个区域对应的非金属化介质基板1区域的等效相对介电常数分别为εeff,1，εeff,2，…，εeff,M-1，εeff,M，则满足关系式：
εeff,1<εeff,2<…<εeff,i<…<εeff,M-1<εeff,M
i表示所述透镜体24上从输入端口21至输出端口22的第i个区域。
使每个区域对应的非金属化介质基板1区域具有等效相对介电常数分区设计的方法为：根据非金属化介质基板1的相对介电常数εh，对透镜体24的M个区域对应的非金属化介质基板开非金属化孔，使每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i发生变化，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i可通过等效媒质理论计算求得。
等效媒质理论是一种关于混合介质材料电磁特性的宏观等效理论。按照不同比例混合不同电磁特性的材料可以让混合后的材料具有期望的电磁特性。本实施中，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i通过A-BG等效媒质理论来进行等效。其计算公式如下：
Figure BDA0003668799750000061
其中εeff,i为第i个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数，ε为第i个区域的非金属孔中填充材料的相对介电常数，εh为非金属化介质基板1的相对介电常数，优选εh<5，p为第i个区域的非金属化孔中填充材料体积占第i个区域体积的体积比分数。作为优选，所述非金属化孔中填充材料为空气，即ε＝1。开非金属化孔密集的非金属化介质基板1区域对应的等效相对介电常数小，开非金属化孔稀疏的非金属化介质基板1区域对应的等效相对介电常数大。为实现加工方便、等效均匀一致性好、加工后材料机械强度高等要求，本实施例的非金属化孔采用圆柱形孔。为保证等效媒质理论的有效性，非金属化孔的孔径大小一般控制在0.03λ以下，λ为罗特曼透镜的工作频率对应的波长。
如图3所示，输入端口21，输出端口22及空置端口23所所在的曲线轮廓及相应位置可由罗特曼透镜输入端和输出端设计公式给出。透镜体24的分区数量M及非金属化介质基板1区域的等效相对介电常数εeff,i可通过优化算法多次迭代给出。
本实施例实现的毫米波低损耗罗特曼透镜，由于透镜体24分区并且每个区域对应的非金属化介质基板1具有等效相对介电常数分区设计，输入端口21到输出端口22间的传输会发生折射，相邻区域能量传输满足Snell折射定律，而不满足几何光学直线传输，通过优化透镜体24的分区数量M及非金属化介质基板1区域的等效相对介电常数εeff,i，可使能量传输聚集在输入端口21区域和输出端口22区域之间，减少传输至空置端口23的能量，保证本实施例设计的罗特曼透镜具有低损耗特性，如图4所示。
本实施例所述的罗特曼透镜输入端口21，输出端口22，空置端口23采用基片集成波导结构，可通过开金属化孔实现。基片集成波导结构能较好地适用于毫米波频段，可视为金属波导的特殊形式，一种介质填充的金属波导，介质基板1的厚度为波导的宽，金属孔间的间距为波导的长。毫米波频段波长较短，导致微带线或带状线结构的传输线尺寸较小，工程实现难度大，且尺寸较为敏感，难以工程批量化。
本实施例实现的毫米波低损耗罗特曼透镜先采用微波印制工艺完成非金属化介质基板1和两层印制化金属平面透镜2加工，然后对透镜体24对应的非金属化介质基板1开非金属化孔，对输入端口21、输出端口22、空置端口23对应的非金属化介质基板1开金属化孔，完成所述毫米波低损耗罗特曼透镜加工。加工制造过程中所涉及的微波印制工艺、开金属化孔工艺、开非金属化孔工艺成熟可靠，操作简单，适合大批量生产且生产一致性好。
以上仅为发明的优选实施例，并非因此限制发明的专利范围，凡是利用发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，包括单层非金属化介质基板和两层印制化金属平面透镜；其中：
所述非金属化介质基板位于两层印制化金属平面透镜之间，形成夹层结构，印制化金属化平面透镜包括输入端口、输出端口、空置端口和透镜体；
所述透镜体分为M个区域，每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计，所述输入端口，输出端口和空置端口基于基片集成波导结构实现；
其中，所述透镜体上每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数不同；
所述透镜体上从输入端口至输出端口的M个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数分别为εeff,1，εeff,2，…，εeff,M-1，εeff,M，满足关系式：
εeff,1＜εeff,2＜…＜εeff,i＜…＜εeff,M-1＜εeff,M
其中，i表示所述透镜体上从输入端口至输出端口的第i个区域。
2.如权利要求1所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，所述每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计，具体为：
根据非金属化介质基板的相对介电常数εh，对透镜体的M个区域对应的非金属化介质基板开非金属化孔，使每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i发生变化；其中：
每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i通过等效媒质理论计算获得。
3.如权利要求1所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，介质基板的相对介电常数εh小于5。
4.如权利要求1所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数εeff,i通过A-BG等效媒质理论来进行等效；公式具体为：
Figure FDA0003668799740000021
其中，εeff,i为第i个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数，ε为第i个区域的非金属孔中填充材料的相对介电常数，εh为非金属化介质基板1的相对介电常数，p为第i个区域的非金属化孔中填充材料体积占第i个区域体积的体积比分数。
5.如权利要求4所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，所述非金属化孔中填充材料为空气，ε＝1。
6.如权利要求1所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，所述非金属化孔为圆柱形孔。
7.如权利要求1所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，所述非金属化孔的孔径小于0.03λ，λ为罗特曼透镜的工作频率对应的波长。
8.如权利要求1所述的毫米波低损耗罗特曼透镜，其特征在于，M为大于等于2的整数。
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