基於光學變換理論的高增益分層透鏡天線的製作方法
2023-10-09 19:06:49 3
專利名稱：基於光學變換理論的高增益分層透鏡天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種高增益分層透鏡天線，尤其涉及一種應用光學變換原理設計 的、具有較好定向性、高增益的多層透鏡天線，可用在衛星通信中，以實現特定 寬頻段內高定向性的通信。
背景技術：
光學變換原理是英國皇家理工大學Pendry教授、杜克大學Schrig博士和 Smith教授2006年共同提出的一種設計各向異性新型人工電磁材料的工具 ("Controlling Electromagnetic Fields," Science 312， 1780, 2006)。目前，很 多科研工作者應用光學變換方法來設計隱身大衣、電磁波集中器等變換光學器 件。2007年，山東大學的F. Kong等人首次把光學變換原理應用到天線設計中 來，他們應用光學變換原理設計一種等價於拋物面天線的新型小型天線 ("Planar focusing antenna design by using coordinate transformation technology," Applied Physics Letters 91， 253509， 2007)。喇叭天線作為天線 家族的一個重要成員，起著由波導模到自由空間模平滑過渡的作用。這種平滑過 渡可以減小反射，從而達到提高輻射效率的效果。喇叭天線具有增益高、反射小 和工作頻帶寬等特點，且工藝上容易實現。常用的喇叭天線由波導段與具有一定 張角的長度的喇叭組成，具有較好的方向性和較高的增益。文獻中很多學者用相 位補償方法來設計透鏡並將其安置在喇叭天線口徑面上來構成透鏡天線。但是， 迄今為止尚無人應用光學變換原理來設計高增益透鏡天線。
發明內容
技術問題本發明的目的是提供一種基於光學變換理論的高增益分層透鏡 天線，該透鏡天線在特定頻段內具有較高增益。
技術方案 一種基於光學變換理論的高增益分層透鏡天線，包括矩形饋電波 導1)，在矩形饋電波導1)連接有金屬導體喇叭2)，在金屬導體喇叭2)內嵌入
分層透鏡3)，分層透鏡充滿喇叭2)並且每層透鏡與喇叭口徑面平行，分層透鏡 3)由非均勻、各向異性的人工電磁材料構成，電場方向垂直於紙面，第A層滿
足formula see original document page 4表示第*層
透鏡JC方向的磁導率，/^為第A層透鏡y方向的磁導率，《為第A層透鏡z方向
的介電常數，z方向垂直於紙面，q為與第;t層透鏡相關的一個中間變量，"為
透鏡的總層數，其取值範圍在10到50之間的某一整數，A:為透鏡所在層數，取 值在1到總層數"之間，&為0到1之間的某一取定常數，a為饋電波導的寬度，
6為喇叭天線的口徑寬度。喇叭的夾角P在60度到150度之間。本發明中的電 磁參數可以用常見的雙開口環諧振器結構(SRR)來實現。 有益效果與現有技術相比，本發明具有以下優點
1、 本發明首次將光學變換原理和透鏡天線設計結合在一起，進一步提高了 喇叭天線的增益，且有較好的定向性，仿真結果參見圖3。透鏡的電磁參數由光 學變換原理計算得到，並可由人工電磁材料製作而成。如果將這種透鏡嵌入到普 通喇叭天線中，則得到的透鏡天線增益比喇叭天線的增益能夠高出6dB左右。
2、 本發明中所設計的透鏡天線中採用的透鏡，其電磁參數與喇叭的地段寬 度、口徑寬度及所在層數有關，所以可以根據喇叭天線的具體形狀和結構進行設 計和加工，自由度高、適用範圍廣。
3、 以往應用相位補償方法設計的透鏡天線，通常呈雙曲面形狀，形狀複雜， 難於製作，本發明中所設計的透鏡天線，形狀簡單，易於製作。
圖1是本發明的結構示意圖。圖中包括矩形饋電波導1，在矩形饋電波導1 連接有金屬導體喇叭2，在金屬導體喇叭2內嵌入分層透鏡3，分層透鏡充滿喇 叭2並且每層透鏡與喇叭口徑面平行。喇叭的夾角e在60度到150度之間。
圖2是本發明的電場分布圖和傳統喇叭天線電場分布圖比較。(a)為本發明 的電場分布圖，圖中可以看出，口徑面上場強分布比較均勻；(b)為普通喇叭天 線的電場分布圖。兩個結果是在相同饋源和相同邊界條件下的仿真得到。
圖3是本發明的上述條件下仿真得到的方向圖與普通喇叭天線方向圖比較。 藍色實線為本發明的遠場方向圖，綠色虛線為普通喇叭天線的遠場方向圖。從圖
中可看出本發明的增益高於普通喇叭天線增益6dB。
具體實施例方式
一種基於光學變換理論的高增益分層透鏡天線，包括矩形饋電波導l，在矩 形饋電波導1連接有金屬導體喇叭2，在金屬導體喇叭2內嵌入分層透鏡3，分 層透鏡3充滿喇叭並且每層透鏡與喇叭口徑面平行，分層透鏡3由非均勻、各向
異性的人工電磁材料構成，電場方向垂直於紙面，第A層滿足"=《=1, //-=l/at2, at=l + (A-《)(6-a)/("")，其中"表示第A層透鏡x方向的磁導 率，"為第it層透鏡y方向的磁導率，^為第6層透鏡z方向的介電常數，z方
向垂直於紙面，^為與第A層透鏡相關的一個中間變量。w為透鏡的總層數，
其取值範圍在10到50之間的某一整數，如10層、20層；；t為透鏡所在層數，
取值在1到總層數"之間，這裡最下面為第一層，逐層往上數；^為0到1之間
的某一取定常數，如0.5，"為饋電波導的寬度，如5釐米，6為喇叭天線的口 徑寬度，如25釐米；喇叭的夾角0在6O度到150度之間，如60度，90度。
本發明中，基於光學變換原理的高增益分層透鏡天線包括矩形饋電波導1、 由金屬片構成的喇叭兩壁2、和嵌入在喇叭段的透鏡3。饋電矩形波導長度要大 於一個波長，具體長度可以根據工程需要選取。透鏡的每一層由非均勻、各向異 性新型人工電磁材料製作而成，其每層等效的電磁參數與喇叭口徑寬度、矩形波 導的寬度及喇叭段的長度有關。這裡設計的透鏡只對y方向的磁參數有要求，所 以製作起來比較方便、自由度比較高。
圖2給出了上述發明的電場仿真分布圖及傳統的喇叭天線的近場分布圖，而 圖3給出了遠場方向圖的比較。圖2和圖3是在相同激勵源和相同邊界條件下的 仿真結果。從圖2的近場分布圖比較可以看出，嵌入透鏡的喇叭天線，口徑面上 的電場分布比較均勻，從而有較高的增益和定向性。圖3的遠場方向圖比較也說 明了這一點，從圖3可以看出，所設計的分層透鏡天線比普通的喇叭天線增益要 高6dB，且定向性也增強了很多。
權利要求
1、一種基於光學變換理論的高增益分層透鏡天線，其特徵在於包括矩形饋電波導(1)，在矩形饋電波導(1)連接有金屬導體喇叭(2)，在金屬導體喇叭(2)內嵌入分層透鏡(3)，分層透鏡(3)充滿喇叭並且每層透鏡與喇叭口徑面平行，分層透鏡(3)由非均勻、各向異性的人工電磁材料構成，電場方向垂直於紙面，第k層滿足αk＝1+(k-δk)(b-a)/(na)，其中表示第k層透鏡x方向的磁導率，為第k層透鏡y方向的磁導率，為第k層透鏡z方向的介電常數，z方向垂直於紙面，αk為與第k層透鏡相關的一個中間變量，n為透鏡的總層數，其取值範圍在10到50之間的某一整數，k為透鏡所在層數，取值在1到總層數n之間，δk為0到1之間的某一取定常數，a為饋電波導的寬度，b為喇叭天線的口徑寬度。
2、 根據權利要求1所述的高增益分層透鏡天線，其特徵在於喇叭的夾角0在60 度到150度之間。
全文摘要
一種基於光學變換理論的高增益分層透鏡天線，包括矩形饋電波導，在矩形饋電波導連接有金屬導體喇叭，在金屬導體喇叭內嵌入分層透鏡，分層透鏡充滿喇叭並且每層透鏡與喇叭口徑面平行，分層透鏡由非均勻、各向異性的人工電磁材料構成，電場方向垂直於紙面，第k層滿足μxk＝εzk＝1，μyk＝1/αk2，αk＝1+(k-δk)(b-a)/(na)，其中μxk表示第k層透鏡x方向的磁導率，μyk為第k層透鏡y方向的磁導率，εzk為第k層透鏡z方向的介電常數，z方向垂直於紙面，αk為與第k層透鏡相關的一個中間變量，n為透鏡的總層數，其取值範圍在10到50之間的某一整數，k為透鏡所在層數，取值在1到總層數n之間，δk為0到1之間的某一取定常數，a為饋電波導的寬度，b為喇叭天線的口徑寬度。喇叭的夾角β在60度到150度之間。本發明形狀簡單、增益高。
文檔編號H01Q15/00GK101378151SQ200810155900
公開日2009年3月4日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者崔鐵軍, 楊歆汨, 強 程, 蔣衛祥, 馬慧鋒 申請人:東南大學