CN205609758U - 一种可宽角扫描的低剖面透镜天线 - Google Patents
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Abstract
本新型涉及一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，包括透镜和位于透镜焦面上的馈源，并通过对馈源进行机械控制实现波束扫描和跟踪；透镜具有汇聚电磁波功能，其外形可以是平板或曲面，实现与载体平台共形设计；透镜的等效介电常数分布特点为沿横向和纵向从中心向边缘减小；通过改变超材料单元的结构或尺寸实现对等效介电常数的调控，采用多层超材料面板堆叠方式实现低成本透镜的组装制备。本新型具有宽带、高增益、低剖面、易共形等特点，特别适用于通信测控等领域中要求高增益共形的机载或弹载平台。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，具有频带宽、增益高、剖面低、易共形等特点，特别适用于通信测控等领域中要求高增益共形的机载或弹载平台。
背景技术
在通信测控领域中可实现高增益、波束扫描的天线主要有如下几种，但它们在性能上均存在某些缺陷。
1、抛物反射面天线具有高增益特点，利用伺服机构实现波束扫描，但其整机剖面较高，无法实现共形设计。
2、相控阵天线剖面较低，利用移相器件等组件实现高增益传输及波束扫描，且其辐射阵列可共形设计，但大量移相器和复杂的控制电路导致成本高、散热难度大等，对于大口径相控阵天线来说，该问题尤为严重。
3、普通透镜天线(如龙珀透镜、均匀介质透镜)，采用伺服机构控制馈源可实现高增益信号传输和波束扫描，但龙珀透镜的介质成型工艺难度大且强度差，龙珀透镜和均匀介质透镜都具有剖面高、重量大、难共形的缺点，尤其无法用于机载或弹载平台。
实用新型内容
本实用新型的目的是提出一种由馈源照射的低剖面透镜天线，使其具有高增益信号传输、波束扫描、多波束等功能的同时，具备体积小、重量轻、与载体共形等优点。
本实用新型的技术方案为构造一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，包 括透镜和位于透镜焦面上的馈源，透镜由多层超材料面板堆叠而成，该超材料面板是印制板，每层印制板上有超材料微结构；每层印制板被划分成以透镜中心为圆心的多个同心圆区域，每个区域内的超材料微结构的尺寸相同，从中心圆形区域向边缘区域超材料微结构的尺寸递增。
其中，透镜外形是平板或曲面。
其中，透镜的厚度为口面直径的1/8-1/2。
其中，超材料微结构采用圆形介质孔或十字交叉金属贴片或环形金属贴片。
本实用新型与背景技术相比具有如下优点：
1、本实用新型的低剖面透镜天线具有易共形的优点。本实用新型透镜剖面低，采用平面或曲面外形，可实现与载体平台共形设计，克服了现有反射面天线不能共形设计的缺点，与普通透镜天线相比，也具有剖面低、重量轻、易共形的优点。
2、本实用新型的低剖面透镜天线具有可灵活设计的优点。通过调整超材料微单元的结构或尺寸即得到相应的有效介电常数，与现有材料技术相比，该方法设计灵活性更高，甚至可得到现有材料技术无法获得的介电常数。超材料的灵活性使天线具备更佳电气性能，例如实现多波束、超低旁瓣等。
3、本实用新型的低剖面透镜天线具有成本低、功耗小的优点。本实用新型的超材料面板采用成熟的印刷电路板工艺进行加工，制作简单、成本低廉，且便于透镜组装；与需要移相器的相控阵天线相比，本实用新型超材料透镜还具有功耗小的优点。
4、本实用新型的低剖面透镜天线具有宽频带的优点。本实用新型采用非谐振超材料结构实现透镜，该类型单元具有宽带电磁响应特性。
附图说明
图1是一种平面的低剖面透镜天线的结构示意图。
图2是一种曲面的低剖面透镜天线的结构示意图。
图3是馈源在曲面内移动实现波束扫描的结构示意图。
图4是馈源在平面内移动实现波束扫描的结构示意图。
图5是馈源旋转运动实现波束扫描的结构示意图。
图6是本实用新型设计的低剖面透镜的剖面图。
图7是本实用新型设计的超材料面板的区域划分结构示意图。
图8是本实用新型设计的十字交叉金属贴片结构超材料单元结构示意图。
图9是本实用新型设计的环形金属贴片结构超材料单元结构示意图。
图10是本实用新型设计的圆形介质孔结构超材料单元结构示意图。
图11是本实用新型实施例设计的超材料平板透镜结构示意图，其中透镜直径4.2λ，厚度0.8λ。
图12是本实用新型实施例设计的波纹喇叭馈源的结构示意图。
图13是本实用新型实施例设计的法向波束和扫描25°波束的方向图仿真结果。
具体实施方式
本实用新型的低剖面透镜天线，包括馈源1和圆形的平板透镜2或曲面透镜3，馈源1的相心位于平板透镜2或曲面透镜3的焦点处，如图1和 图2所示。平板透镜2和曲面透镜3特别适用于需要共形的移动平台。
本实用新型透镜天线的扫描工作原理如图3到图5所示。采用机械控制馈源移动的方式实现波束扫描，馈源的移动方式包括如图3所示的二维曲面移动、如图4所示的二维平面移动、如图5所示的馈源旋转等。为获得高效率宽角扫描性能，馈源可采用上述移动方式中的一种或多种。
在透镜下方放置多个馈源还可实现多波束出射，如图3到图5所示，其中波束1和波束2分别对应处于不同位置的馈源1。
平板透镜2或曲面透镜3的功能是对馈源1发出的近球面电磁波信号进行相位补偿，使其呈平面电磁波出射。本实用新型以超材料平板透镜为例说明该透镜的具体实现方式。平板透镜中心处的介电常数数值最高，介电常数沿横向和纵向从中心向边缘减小。平板透镜2由多层超材料面板堆叠而成，如图6，该超材料面板是印制板，每层超材料面板使用一种或多种印制板材，使透镜具有宽带、双极化电磁响应。每层印制板上刻蚀如图8到图10所示的十字交叉金属贴片、环形金属贴片、圆形介质孔等弱谐振的超材料微结构；每层印制板被划分成以透镜中心为圆心的多个同心圆区域。如图7，区域4-7内的介电常数值相同。每个区域内的超材料微结构的尺寸相同，从中心圆形区域向边缘区域超材料微结构的尺寸递增。
本设计实施例采用如图10所示的圆形介质孔结构，单元周期小于0.2λ。区域内介电常数值相同，即介质孔单元尺寸相同，通过调控每个区域内孔直径的尺寸，得到适当的介电常数分布，获得单层超材料面板。
多层超材料面板组装成如图11所示的平板透镜，其中超材料平板透镜8的口面直径为4.2λ，厚度为0.8λ，透镜的厚度为口面直径的八分之一到二 分之一。波纹喇叭馈源9如图12所示，波纹喇叭馈源9位于透镜的焦点处，且具有特定照射角。
图13是本实用新型设计实施例的法向波束和扫描25°波束的远场方向图仿真结果。插图1是实现法向波束的结构示意图，法向方向图旁瓣值为-20.6dB，口面效率高达约70％。通过旋转波纹喇叭馈源9实现透镜天线实现波束扫描。
Claims (4)
1.一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，其特征在于，包括透镜和位于透镜焦面上的馈源，透镜由多层超材料面板堆叠而成，该超材料面板是印制板，每层印制板上有超材料微结构；每层印制板被划分成以透镜中心为圆心的多个同心圆区域，每个区域内的超材料微结构的尺寸相同，从中心圆形区域向边缘区域超材料微结构的尺寸递增。
2.根据权利要求1所述的一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，其特征在于，透镜外形是平板或曲面。
3.根据权利要求1所述的一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，其特征在于，透镜的厚度为口面直径的八分之一到二分之一。
4.根据权利要求1所述的一种可宽角扫描的低剖面透镜天线，其特征在于，超材料微结构采用圆形介质孔或十字交叉金属贴片或环形金属贴片。
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