CN116544679A - 一种基于电磁透镜的接收天线及设计方法 - Google Patents

一种基于电磁透镜的接收天线及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电磁透镜的接收天线及其设计方法，涉及天线设计技术领域，该天线包括：超表面电磁透镜，用于将不同角度入射的多个电磁波进行聚集至焦平面；馈源阵列，设置在所述超表面电磁透镜的焦平面处，用于接收聚集至焦平面的多个电磁波；超表面电磁透镜为多个透镜单元组成的阵列，透镜单元的单元结构周期为2.5mm，厚度为3.048mm，包括五个PEC层和四个介质层。本发明通过超表面电磁透镜将从不同角度入射的电磁波聚于焦平面内不同的馈源上，使得接收天线阵列可以实现同时接受来自多个方向的电磁波信号，可实现大视场角范围内有限个通道的波束聚焦的功能。

Description

一种基于电磁透镜的接收天线及设计方法
技术领域
本发明涉及天线设计技术领域，特别是涉及一种基于电磁透镜的接收天线及其设计方法。
背景技术
随着通讯技术的不断进步，高通量天线技术的发展极大的提高用户的上网体验。但目前高频波段面临路径损耗过高的问题，需要提高天线的发射增益来弥补高频电磁波的路径损耗。同时高增益电磁波使得相同的电磁波谱在空间上实现复用成为可能，具备不同方向角的电磁波束在空间互不影响，可使用相同的频谱资源，提高频谱利用率，即实现多通道同时收发，这无疑能够进一步提高用户体验。因此设计一款高口径增益且可以实现多通道接收天线具有极其重要的意义。
具备大角度波束汇聚的平焦面透镜的设计一直以来都是十分困难的。在光学领域一般采用非球面透镜或透镜组的设计方式。微波领域对天线的增益要求较高，多层透镜无疑会造成较大的增益损失；同时，具备大角度波束汇聚的平焦面透镜的设计一直以来都是十分困难的，另外，受限与曲面加工难度传统的非球面镜的设计自由度有限，成本较高。
发明内容
本发明提供了一种基于电磁透镜的接收天线及其设计方法，可以解决现有技术中存在的平焦面透镜设计难度高、成本高的技术问题。
本发明提供一种基于电磁透镜的接收天线，其特征在于，包括：
超表面电磁透镜，用于将不同角度入射的多个电磁波进行聚集至焦平面；
馈源阵列，设置在所述超表面电磁透镜的焦平面处，用于接收聚集至焦平面的多个电磁波；
所述超表面电磁透镜为多个透镜单元组成的阵列，所述透镜单元的单元结构周期为2.5mm，厚度为3.048mm，包括五个PEC层和四个介质层。
优选的，五个PEC层中的三个PEC层分别位于透镜单元的上下表面与正中心，剩余两个PEC层位于中间的PEC层上下距离0.34mm处。
优选的，所述透镜单元的单元结构为闭合结构，无金属通孔和空气层。
优选的，所述超表面电磁透镜对角线长108.65mm，厚度为3.048mm，焦距f为22mm。
优选的，所述馈源阵列包括多个馈源。
一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法，包括以下步骤：
通过PB相位原理对透镜单元的单元结构进行设计，单元结构包括五个PEC层和四个介质层；
通过菲涅尔-基尔霍夫衍射公式结合PSO算法计算超表面电磁透镜的相位分布；
根据超表面电磁透镜的相位分布将多个透镜单元进行排布组成阵列，得到超表面电磁透镜；
预先设定多个馈源的位置，将多个馈源进行排列得到馈源阵列；
将超表面电磁透镜和馈源阵列进行组合，得到了基于超表面电磁透镜的接收天线。
优选的，所述菲涅尔-基尔霍夫衍射公式如下所示：
式中，Eo表示出射电磁场的复振幅，R表示超表面的半径，Ei(r,θ)表示馈源发出的电磁波照射到超表面(r,θ)点的电场振幅，f(r)表示超表面每一环上单元结构对应的相位，由于透镜为圆对称结构所以每一环上的单元结构相位相同，ψi表示馈源发出的电磁波照射到超表面点的电场相位，为倾斜因子，r表示透镜的径向坐标，表示透镜的角度坐标，下标表示入射电场波下标出射电磁波，j表示复数单位，/>表示电磁波的波什，表示出射电磁波方向。
优选的，多个所述馈源分别位于距透镜中心0、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm处位置处，且分别对应0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°入射的电磁波。
优选的，所述透镜单元的单元结构周期为2.5mm，厚度为3.048mm；五个PEC层中的三个PEC层分别位于透镜单元的上下表面与正中心，剩余两个PEC层位于中间的PEC层上下距离0.34mm处。
优选的，所述超表面电磁透镜1对角线长108.65mm，厚度为3.048mm，焦距f为22mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过超表面电磁透镜将从不同角度入射的电磁波聚于焦平面内不同的馈源上，使得接收天线阵列可以实现同时接受来自多个方向的电磁波信号，可实现大视场角范围内有限个通道的波束聚焦的功能。采用超表面作为透镜的材料，可充分发挥对相位曲面的设计自由度，摆脱工艺的限制，实现更好的性能。超表面阵列的加工采用PCB加工技术成本较低，因此可极大节省天线制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一种基于电磁透镜的接收天线工作原理示意图；
图2(a)为本发明的超表面透镜单元结构正视示意图；
图2(b)为本发明的超表面透镜单元结构俯视示意图；
图3为本发明的超表面透镜单元传输系数示意图；
图4为本发明的超表面透镜相位曲线图；
图5为本发明的超表面透镜补偿相位的相位分布图；
图6为本发明的基于PB相位的超表面阵列设计示意图；
图7是本发明的一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法的流程图；
图8是本发明的超表面透镜天线在27GHz频率下得到的远场增益图；
图9是本发明的超表面透镜天线在28.5GHz频率下得到的远场增益图；
图10是本发明的超表面透镜天线在30GHz频率下得到的远场增益图。
图中：1-超表面电磁透镜、2-馈源阵列。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本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本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明提供了一种基于电磁透镜的接收天线，包括超表面电磁透镜1和馈源阵列2，空间中的电磁波入射到超表面透镜1上，超表面透镜1对入射的电磁波进行聚集，经过超表面后的电磁波会在焦平面汇聚，其中不同角度入射到超表面透镜1上的电磁波在焦平面内汇聚的位置并不相同。馈源阵列2设置在超表面电磁透镜1的焦平面处，用于接收聚集的电磁波。利用焦平面内的馈源阵列2接收汇聚的电磁波，可以实现接收天线在大广角范围内接收电磁信号的功能。
超表面是一种可以实现对电磁波振幅相位频率以及偏振态控制的亚波长二维材料。超表面介质可以具有被人为设计的电导率和磁导率，这就使得超表面器件具有了自然界中不存在的电磁特性。此外，超表面结构由于本身亚波长厚度特性使其具有高集成度特点，同时作为一种特殊器件，超表面器件不需要供能与控制电路就可以实现对入射波振幅，相位，偏振状态的调制。
超表面作为一种二维表面，可充分发挥对相位曲面的设计自由度，摆脱工艺的限制，实现更好的性能。
馈源阵列2是由多个馈源组成的阵列，虽然馈源的大小无法做到无限小，只能实现有限个通道的波束聚焦，但该技术可作为服务固定目标的接收天线使用，例如，为多个小区提供服务。另外，该设计不含相移器电路成本远低于传统的多天线或相控阵天线。
本发明的超表面电磁透镜1的对角线长108.65mm，厚度为3.048mm，透镜的焦距f为22mm。本发明的超表面电磁透镜1为多个透镜单元组成的阵列。
参照图2，每个透镜单元的单元结构的周期为2.5mm，均包括五个PEC层和四个介质层，PEC层为正反两面均印刷有金属铜线的PEC板。PEC板的具体结构如图2(b)所示，其中PEC层可以视为一个截去一个小长方形的长方形，大长方形的长L为1.88mm，宽M为1.4mm。被截去的小长方形长为1.40mm,长为1.37mm，五个PEC层结构相同，被四层介质分隔。五个PEC层被四层介质分隔。透镜单元的厚度为3.048mm，三层PEC层位于透镜单元的上下表面与正中心，剩余两层PEC位于与中间层PEC距离0.34mm处。
方框结构的PEC层作为电场谐振器，主要为整个结构提供电振荡，层与层之间的耦合效应产生强烈的磁振荡，整个结构能够产生稳定的电磁振荡，并且随结构参数的不同而改变。整个结构为闭合结构，无金属通孔或者空气层，与其他多层金属结构的透镜单元相比，在保证了传输相位全覆盖的前提下，有效降低了透镜剖面的厚度和结构的复杂度。
图3所示为单元结构在不同频率下的传输系数，可以看出在24GHz-36GHz传输系数都在0.8以上。
参照图7，本发明提供一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法，具体包括以下步骤：
第一步：通过PB相位原理对透镜单元的单元结构进行设计。
透镜单元的单元结构可以使用COMSOL、CST STUDIO SUITE、FDTD等电磁仿真软件进行设计并优化，旨在设计透射率达到80％以上，相位覆盖2π范围并且工作在Ka波段的亚波长结构单元。图2是本发明设计的透镜单元的单元结构，该单元结构利用PB相位原理进行设计。PB相位结构是超表面结构单元调控圆偏振光入射波相位的一种常用方式，PB相位结构单元能够通过旋转结构单元的方式实现0到2π任意值的相位改变。
第二步：通过菲涅尔-基尔霍夫衍射公式结合PSO算法计算超表面电磁透镜1的相位分布。
菲涅尔-基尔霍夫衍射公式如下所示：
式中，Eo表示出射电磁场的复振幅，R表示超表面的半径，Ei(r,θ)表示馈源发出的电磁波照射到超表面(r,θ)点的电场振幅，f(r)表示超表面每一环上单元结构对应的相位，由于透镜为圆对称结构所以每一环上的单元结构相位相同，ψi表示馈源发出的电磁波照射到超表面点的电场相位，为倾斜因子，r表示透镜的径向坐标，表示透镜的角度坐标，下标表示入射电场波下标出射电磁波，j表示复数单位，/>表示电磁波的波什，表示出射电磁波方向。
在超表面的相位分布的设计中，首先提出假设，整个超表面满足圆对称分布，且接受天线和发射天线具备互异性。因此在计算中将点馈源作为发射源，对于拥有相同半径的坐标点赋予相同的相位值，并利用菲涅尔-基尔霍夫衍射公式(Fresnel-Kirchoff'sdiffraction formula)计算得到了出射电磁波的电场强度，不同位置的馈源对应不同的发射方向，将不同发射方向下的电场强度求和作为优化指标A，改变透镜相位分布通过PSO算法使A的值最大，获得对应的相位分布。经过优化后的相位分布函数如图5所示，由于超表面透镜1本身具备圆对称性，因此只给出一个方向的相位分布，如图4所示。根据优化后的相位分布函数可以确定不同位置处的补偿相位，如图6所示。
第三步：根据超表面电磁透镜1的相位分布将多个透镜单元进行排布组成阵列，得到超表面电磁透镜1。本发明的超表面电磁透镜1工作在以28.5GHz为中心频率的毫米波波段。
第四步：预先设定多个馈源的位置，将多个馈源进行排列得到馈源阵列(2)。假定馈源在透镜的焦平面上且分别位于距透镜中心0、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm处位置处，分别对应0度、10°、20°、30°、40°、50°、60°入射的电磁波。利用惠更斯-基尔霍夫方程计算不同角度入射的电磁波通过超透镜后再对应馈源处的电场强度，并将多个值加权求和，优化透镜的相位分布直至电场强度的加权和最大。得到优化后的多个馈源位置。将多个馈源进行排列得到馈源阵列2。
第六步：将超表面电磁透镜1和馈源阵列2进行组合，得到了基于超表面电磁透镜的接收天线。
参照图8-10，显示了在27GHz，28.5GHz，30GHz频率下，本发明的接收天线的远场增益图，从三幅图中可以看出，天线的最大增益随着扫描角θ的增大而降低，但下降并不明显。当θ＝0°时，透镜天线为中心馈电，对应三个频率的最大增益分别为20.1dB，22.42dB，23.21dB。当θ＝30°时，最大增益下降了0.82dB、0.74dB和2.31dB。当θ＝55°时，最大增益下降了5.5dB、4.62dB和5.41dB。在±30°的扫描范围内，接收天线的最大增益保持在19dB的高增益以上，同时接收天线的最大增益损耗保持在3dB范围内。目前，超表面技术已经趋于完善，并且制备方法与现有的PCB工艺兼容，可实现大批量生产并做到成本低廉。
通过在焦平面内波束汇聚的位置放置接收天线阵列，便可以实现平焦面大广角接收天线功能。天线后端发射电路可借鉴传统的相控阵电路，且结构网络的复杂程度远低于相控阵电路。能够实现所需的大广角范围内接收信号的功能。
本发明虽然只能实现有限个通道的波束聚焦，但该技术可作为服务固定目标的接收天线使用，例如，为多个小区提供服务。超表面阵列的加工采用PCB加工技术成本较低，因此可极大节省天线制造成本，另外，该设计不含相移器电路成本也远低于传统的天线。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于电磁透镜的接收天线，其特征在于，包括：
超表面电磁透镜(1)，用于将不同角度入射的多个电磁波进行聚集至焦平面；
馈源阵列(2)，设置在所述超表面电磁透镜(1)的焦平面处，用于接收聚集至焦平面的多个电磁波；
所述超表面电磁透镜(1)为多个透镜单元组成的阵列，所述透镜单元的单元结构周期为2.5mm，厚度为3.048mm，包括五个PEC层和四个介质层。
2.如权利要求1所述的一种基于电磁透镜的接收天线，其特征在于，五个PEC层中的三个PEC层分别位于透镜单元的上下表面与正中心，剩余两个PEC层位于中间的PEC层上下距离0.34mm处。
3.如权利要求1所述的一种基于电磁透镜的接收天线，其特征在于，所述透镜单元的单元结构为闭合结构，无金属通孔和空气层。
4.如权利要求1所述的一种基于电磁透镜的接收天线，其特征在于，所述超表面电磁透镜(1)对角线长108.65mm，厚度为3.048mm，焦距f为22mm。
5.如权利要求1所述的一种基于电磁透镜的接收天线，其特征在于，所述馈源阵列(2)包括多个馈源。
6.一种根据权利要求5所述的基于电磁透镜的接收天线的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过PB相位原理对透镜单元的单元结构进行设计，单元结构包括五个PEC层和四个介质层；
通过菲涅尔-基尔霍夫衍射公式结合PSO算法计算超表面电磁透镜(1)的相位分布；
根据超表面电磁透镜(1)的相位分布将多个透镜单元进行排布组成阵列，得到超表面电磁透镜(1)；
预先设定多个馈源的位置，将多个馈源进行排列得到馈源阵列(2)；
将超表面电磁透镜(1)和馈源阵列(2)进行组合，得到了基于超表面电磁透镜的接收天线。
7.如权利要求6所述的一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法，其特征在于，所述菲涅尔-基尔霍夫衍射公式如下所示：
式中，Eo表示出射电磁场的复振幅，R表示超表面的半径，Ei(r,θ)表示馈源发出的电磁波照射到超表面(r,θ)点的电场振幅，f(r)表示超表面每一环上单元结构对应的相位，由于透镜为圆对称结构所以每一环上的单元结构相位相同，ψi表示馈源发出的电磁波照射到超表面点的电场相位，为倾斜因子，r表示透镜的径向坐标，表示透镜的角度坐标，下标表示入射电场波下标出射电磁波，j表示复数单位，/>表示电磁波的波什，/>表示出射电磁波方向。
8.如权利要求6所述的一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法，其特征在于，多个所述馈源分别位于距透镜中心0、5mm、10mm、15mm、20mm、25mm和30mm处位置处，且分别对应0°、10°、20°、30°、40°、50°和60°入射的电磁波。
9.如权利要求6所述的一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法，其特征在于，所述透镜单元的单元结构周期为2.5mm，厚度为3.048mm；五个PEC层中的三个PEC层分别位于透镜单元的上下表面与正中心，剩余两个PEC层位于中间的PEC层上下距离0.34mm处。
10.如权利要求6所述的一种基于电磁透镜的接收天线的设计方法，其特征在于，所述超表面电磁透镜(1)对角线长108.65mm，厚度为3.048mm，焦距f为22mm。
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