毫米波360^o全向掃描介質柱透鏡天線的製作方法

2023-06-21 15:14:11 1

專利名稱：毫米波360o全向掃描介質柱透鏡天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及天線，尤其涉及一種毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線。
背景技術：
國際上很早就對毫米波多波束天線系統開展了一系列的研究，傳統的方法包括採 用拋物面反射天線、以及Rotman透鏡等，但是這些方法要麼結構複雜、掃描範圍有限，要麼 損耗大、工作頻帶窄，因此都不能滿足現代毫米波系統應用的要求。最能體現當今毫米波 多波束天線研究水平的是將光學領域中透鏡技術的概念應用到毫米波段，這包括了介質透 鏡、球透鏡以及柱透鏡天線等，這些透鏡天線最大的特點是結構簡單、掃描範圍寬，可以實 現低損耗的寬帶工作。下面我們將簡要介紹幾種典型的毫米波多波束天線系統的結構及其 性能指標，並以此提出本發明的內容。密西根大學的G. Μ. Rebeiz所帶領的研究組在1993年提出了一種特別適 合於毫米波段工作的介質透鏡天線[1]，這種天線最大的特點是可以消除毫米波天線的表 面波損耗，1997年進一步，提出這種天線可以用於產生多波束掃描，其饋電天線可以很簡單 地集成在透鏡的焦平面上[2]。多倫多大學於2001年採用這種介質透鏡天線在八毫米波段 實現了 31個圓極化波束的掃描，可以覆蓋士23°的錐形掃描範圍，圓極化帶寬(3dB軸比)達 lGHz[3]。然而，這種介質透鏡天線的掃描範圍還是有限，真正實現大角度毫米波多波束掃 描的是在2001年由多倫多大學和密西根大學共同研製的均勻球透鏡天線W]，這是第一次 在國際上研製出了工作在77GHz，並能產生覆蓋範圍寬達180°的多波束掃描。該球面透鏡 天線由33個漸變槽天線組成的水平面半圓陣列進行饋電，每個單元產生的3dB波束寬度為 5.5°，這樣能覆蓋33X5.5 = 181. 5°的水平掃描範圍。該饋電陣列可以很方便地印刷在同 一個平面介質基片上，並放置於球面透鏡的赤道平面上，由於球面透鏡的自對稱性，每個饋 電單元產生的掃描波束幾乎一致，這使得球面透鏡的掃描角度非常寬，可以很方便地達到 180度掃描。透鏡加工則可選用Teflon ( ε r = 2. 08)塑料材料製成，這種材料在毫米波段 具有很低的損耗，而且價格便宜、加工方便，所以特別適合毫米波段的應用。在77GHz的實 驗測試結果表明，該球面透鏡天線能產生定向性非常好的掃描波束，方向圖也非常的乾淨 整齊，在E面和H面的旁瓣電平都低於_20dB，輻射效率高達M%。由於球透鏡天線在加工製作、系統固定等方面存在一些實際困難，這時 可以採用更為簡單的柱面透鏡天線來實現多波束掃描[5 - 6]。該柱面透鏡天 線放置於平行板波導之間，饋電仍可採用漸變槽天線組成的半圓陣列，水平放 置在兩平行板導體之間，以產生180°多波束掃描。當該平行板波導的高度選為 Λ /2<h < λ時(其中，λ是自由空間的波長)，就能在平行板之間激勵起TEltl模，因此該天線 極化方向為水平極化。這種柱面透鏡天線產生的方向圖為扇形波束，它在水平面內可以實現窄波束掃 描，而在垂直面內則產生較寬的波束。文獻W]中報導的均勻柱面透鏡天線在30GHz的工 作頻率上實現了 E面掃描波束寬度為6°，H面波束寬度為60°。這種柱面透鏡天線可以通過
3改變透鏡直徑來調節其E面波束寬度，而H面的波束寬度則取決於H面的有效輻射口徑。另 外必須要指出的是，當工作於TEltl模時，該柱面透鏡為一種色散型透鏡，柱面透鏡的焦距是 跟工作頻率和透鏡的高度有關，因而，這種結構是一種窄帶結構，測量結果顯示，均勻柱面 透鏡天線的工作帶寬大約在10% - 15%。在均勻柱面透鏡天線的基礎上，文獻[7]中提出了一種新型的柱面Limeberg透鏡 天線。該天線採用在平行板之間部分填充介質的方法來改變透鏡天線的等效介電常數，從 而實現Limeberg透鏡所需的連續可變的折射率。這種方法加工簡單，只需要加工上下兩層 介質材料的光滑表面，就能實現Limeberg定律所需的介電常數的連續變化，這種結構可進 一步很方便的拓展到毫米波高端的應用，而不會帶來性能指標的下降。其它文獻報導的實 現Limeberg透鏡的傳統方法，例如在透鏡材料上打孔，通過控制小孔密度來控制其等效介 電常數[8]，或者採用多層同心球面(或柱面)的介質材料結構，控制每層介質材料的介 電常數來模擬Limeberg透鏡[9 - 10]，這些方法或者由於加工精度要求高，在毫米波段難 以實現，或是其性能在毫米波段會大大下降，總之都不適合於毫米波段的應用。在文獻[7]中，採用了 一種塑料材料(Rexolite， er = 2.54)加工製成 Limeberg透鏡，這種材料價格低廉、易於加工、且損耗極低，特別適合毫米波段的應用。該 Luneberg透鏡天線在沈.5 - 37 GHz的測試頻段內，實際測得的天線效率在43% - 72% 之間，旁瓣電平低於-18 dB，交叉極化低於-25 dB。此外，該Luneberg透鏡的焦點就位於 透鏡邊緣位置，因此在該透鏡天線中，饋電天線不需要佔用額外的尺寸，因此整個天線系統 就能做到最小化。目前這種柱透鏡技術已被加拿大一公司應用於新一代飛機起降雷達系統 內。綜上所述，國際上毫米波多波束天線的研究，現在正朝著集成化、系統化的方向走 向實際應用。國內在毫米波集成多波束天線系統的研究方面還處於起步階段。近年來，南 京理工大學利用透鏡天線在產生多波束方面開展了不少研究工作，他們的工作目前主要集 中在微波波段，還沒有進入毫米波段。然而，國內國際上對毫米波多波束天線的研究還局限於實現大角度掃描，所以對 於實現360°全向掃描的方案比較少，而360°全向掃描對於航空航天、衛星通信以及軍事等 領域都有著非常重要的意義。參考文獻D. F. Filipovic, S. S. Gearhart and G. Μ. Rebeiz, "Double-slot antennas on extended hemispherical and elliptical silicon dielectric lenses, ，， IEEE Trans Microwave Theory Tech.， MTT—41， pp. 1738—1749， Oct. 1993.D. F. Filipovic, G. P. Gauthier, S. Raman and G. M. Rebeiz, "Off-axis properties of silicon and quartz dielectric lens antennas, 」 IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-45, No. 5, pp. 760-766，May 1997.X. ffu, G. V. Eleftheriades and Τ. E. van Deventer, "Design and characterization of single and multiple beam mm-wave circularly polarized substrate lens antennas for wireless communications, ，， IEEE Trans. Microwave Theory Tech.， MTT-49， pp. 431-441， March 2001B. Schoenlinner, X. ffu, G. V. Eleftheriades and G. M. Rebeiz, "Wide-scanspherical-lens antennas for automotive radars, 」 IEEE Trans. Microwave Theory Tech.，MTT-50, pp. 2166—2175，Sept. 2002.G. Peeler, D. Archer, "A two-dimensional microwave Luneberg lens,，，IRE Trans. Antennas and Propagation, AP-1, pp. 12-23, July 1953.X. Wu and J. -J. Laurin, "MM-wave wide-scan cylindrical dielectric lens antennas,，，Proc. IEEE APS Symp.，pp. 1387-1390，Monterey, CA, June 2004.X. ffu, J. -J. Laurin, "Fan-beam millimeter-wave antenna design based on the cylindrical Luneberg lens", IEEE Trans. Antennas and Propagation, AP-55, pp. 2147-2156，Aug. 2007.K. Sato and H. Ujiie, "A plate Luneberg lens with the permittivity distribution controlled by hole density,，，Proc. I SAP, pp. 975-978，Fukuoka, Japan, 2000.A. J. Emerson and A. J. Cuming, "Stepped-index Liineberg lenses: antennas and reflective devices,，，Electronic. Design, 1960.G. Peeler and H. Coleman, "Microwave stepped-index Luneberg lenses, 」 IRE Trans. Antennas and Propagation, pp. 202-207，Apr. 1958。

發明內容
為了克服現有技術的不足，本發明的目的是提供一種毫米波360°全向掃描介質柱 透鏡天線。本發明採用的技術方案是
本發明它包括三個介質柱透鏡、三個掃描範圍分別為120°的饋源天線陣列和四個金屬 圓盤；四個金屬圓盤形間分別同軸安裝有一個介質柱透鏡，相鄰兩個金屬圓盤邊緣中間處 分別安裝一個所述饋源天線陣列，所述三個饋源天線陣列在水平投影方向兩兩相差120°， 所述每一個饋源天線陣列的相位中心平面與各自的介質柱透鏡的焦平面重合。所述的介質柱透鏡為均勻介質柱透鏡。所述的饋源天線陣列由多個等間距布置的對拓漸變槽天線構成。所述的對拓漸變槽天線兩邊刻有完全相同的周期性狹槽。與背景技術相比，本發明具有的有益效果是
在水平方向實現了 360°全向掃描。天線結構緊湊，口徑效率高，旁瓣和後瓣較低，掃描 波束為扇形波束，水平方向為窄波束，俯仰方向為寬波束。其次，由於三個介質柱透鏡天線 之間有金屬圓盤形平行板相隔，各個均勻介質柱透鏡的掃描不受其它兩個透鏡的幹擾，因 此每層柱透鏡天線的掃描波束完全一致。再次，饋源陣列對拓漸變槽天線陣列可以方便地 與印刷集成電路連接。另外由於主體部分結構簡單，因而加工精度要求低，實現簡單，造價 便宜。毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線在諸如航天通信、衛星通信以及電子對抗等領 域有著極其廣泛的應用。


圖1是本發明的立體結構示意圖；圖2是圖1的剖視圖3是圖1的對拓漸變槽天線陣列的正面結構示意圖； 圖4是圖1的對拓漸變槽天線陣列的反面結構示意圖； 圖5是圖1的對拓漸變槽天線陣列單元的整體結構示意圖； 圖6是圖1的對拓漸變槽天線陣列單元的正面結構示意圖； 圖7是圖1的對拓漸變槽天線陣列單元的反面結構示意圖 圖中1、介質柱透鏡，2、饋源天線陣列，3、金屬圓盤。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明做進一步說明。本發明在水平極化的情況下，為保證相鄰兩個金屬圓盤構成的平行板波導激發的 是TEltl模，平行板波導的高度必須大於半個波長，同時小於一個波長。這種模式的傳播常數 k與平行板波導的高度也即介質柱透鏡的高度有關，同時柱透鏡天線的效率也取決於該高
度。因而選擇平行板波導的高度為0:^ ,這樣既可以保證柱透鏡天線具有最高的效率，同
時又能使柱透鏡的焦距較小，減小電磁波在金屬圓盤間的散射從而降低旁瓣和後瓣水平。 採用射線追蹤法估算出均勻介質柱透鏡的最佳饋源位置-焦點位置，然後將饋源天線的相 位中心與該介質柱透鏡的焦點重合，從而天線達到最優的口徑效率。聚焦時均勻介質柱透 鏡天線為扇形波束，即在E面(水平面)為窄波束，H面(俯仰面)則是很寬的波束。這種扇形 波束特別適用於毫米波段多波束、大範圍掃描的應用。再利用均勻介質柱透鏡天線結構上 的對稱性，採用對拓漸變槽天線布成陣列進行饋電，保證相鄰饋電單元間隔為均勻介質柱 透鏡天線E面的3dB波束寬度，並且使對拓漸變槽天線的相位中心平面與均勻介質柱透鏡 的焦平面重合，從而實現了單層均勻介質柱透鏡天線在水平方向的多波束掃描。通過阻擋 效應的研究，發現單層均勻介質柱透鏡天線的掃描範圍在120°-150°，因而利用介質柱透鏡 天線可以層疊的優點，採用三層完全相同的均勻介質柱透鏡天線上下層疊，每層介質柱透 鏡天線覆蓋120°的掃描範圍，這要求每層介質柱透鏡天線中的對拓漸變槽天線陣列在水平 方向兩兩相差120°，從而實現了水平方向360°全向掃描。通過加寬的金屬圓盤將三層介質 柱透鏡天線完全隔開，同時保證對拓漸變槽天線陣列完全在平行板波導以內，這樣三層介 質柱透鏡的輻射方向圖完全一致，相互之間不受任何幹擾，所產生的掃描波束完全相同。如圖1、圖2所示，它包括三個介質柱透鏡1、三個掃描範圍分別為120°的饋源天 線陣列2和四個金屬圓盤3 ；四個金屬圓盤3間分別同軸安裝有一個介質柱透鏡1，相鄰兩 個金屬圓盤3邊緣中間處分別安裝一個所述饋源天線陣列2，所述三個饋源天線陣列2在水 平投影面上兩兩相差120°，所述每一個饋源天線陣列2的相位中心平面與各自的介質柱透 鏡1的焦平面重合。介質柱透鏡1為均勻介質柱透鏡，由Rexolite材料加工而成，其相對 介電常數、=2. 54;四個金屬圓盤3由三個均勻介質柱透鏡支撐，且4個金屬圓盤3和三 個均勻介質柱透鏡關於中心軸對稱；相鄰兩個金屬圓盤3構成的平行板波導的邊緣中間處 設有饋源天線陣列2，饋源天線陣列2為對拓漸變槽天線陣列，對拓漸變槽天線陣列的相位 中心平面與均勻介質柱透鏡的焦平面重合；相鄰兩個金屬圓盤3、支撐的介質柱透鏡以及 相鄰金屬圓盤3之間的對拓漸變槽天線陣列構成一個多波束掃描介質柱透鏡天線；三個多
6波束掃描介質柱透鏡天線上下層疊，相鄰兩個對拓漸變槽天線陣列在水平投影面上兩兩相 差 1200。如圖2所示，所述對拓漸變槽天線陣列為水平陣列，且固定在嵌在相鄰兩個金屬 圓盤3邊緣的弧形金屬板中間。如圖3、圖4所示，所述的對拓漸變槽天線陣列為120°弧形陣列，實施例中採用17 個饋電單元組成，各單元間相隔角度完全相同，為天線E面3dB波束寬度。如圖5、圖6、圖7所示，所述的對拓漸變槽天線單元為對拓漸變槽天線，該天線為 對拓結構，末端通過圓弧形過渡段與微帶線相連，天線的兩邊刻有完全相同的周期性狹槽。以上是本發明的具體實施方式
，本領域的技術人員可以通過應用本發明公開的方 法以及發明中提到的一些替代方式製作出本毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線。本發 明饋源對拓漸變槽天線陣列可以實現寬帶工作，且易於同印刷集成電路連接。
權利要求
1.一種毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線，其特徵在於它包括三個介質柱透鏡 (1)、三個掃描範圍分別為120°的饋源天線陣列(2)和四個金屬圓盤(3)；四個金屬圓盤形 (3)間分別同軸安裝有一個介質柱透鏡(1)，相鄰兩個金屬圓盤(3)邊緣中間處分別安裝一 個所述饋源天線陣列(2)，所述三個饋源天線陣列(2)在水平投影方向兩兩相差120°，所述 每一個饋源天線陣列(2)的相位中心平面與各自的介質柱透鏡(1)的焦平面重合。
2.根據權利要求1所述的一種毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線，其特徵在於所述 的介質柱透鏡為均勻介質柱透鏡。
3.根據權利要求1所述的一種毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線，其特徵在於所 述的饋源天線陣列(2)由多個等間距布置的對拓漸變槽天線構成。
4.根據權利要求3所述的一種毫米波360°全向掃描介質柱透鏡天線，其特徵在於所 述的對拓漸變槽天線兩邊刻有完全相同的周期性狹槽。
全文摘要
本發明公開了一種毫米波360o全向掃描介質柱透鏡天線。它包括三個介質柱透鏡、三個掃描範圍分別為120o的饋源天線陣列和四個金屬圓盤；四個金屬圓盤間分別同軸安裝有一個介質柱透鏡，相鄰兩個金屬圓盤邊緣中間處分別安裝一個所述饋源天線陣列，所述三個饋源天線陣列在水平投影面上兩兩相差120o，所述每一個饋源天線陣列的相位中心平面與各自的介質柱透鏡的焦平面重合。本發明在水平方向實現了360o全向掃描；三個介質柱透鏡天線之間有金屬圓盤形平行板相隔，各個均勻介質柱透鏡的掃描不受其它兩個透鏡的幹擾，因此每層柱透鏡天線的掃描波束完全一致；可以方便地與印刷集成電路連接。在在航天通信、衛星通信以及電子對抗等領域中應用。
文檔編號H01Q21/00GK102122762SQ20111002639
公開日2011年7月13日 申請日期2011年1月25日 優先權日2011年1月25日
發明者吳錫東, 朱道虹 申請人:浙江大學