一種透鏡天線的製作方法

2023-11-03 05:04:27

專利名稱：一種透鏡天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種透鏡天線，應用在微波中繼通信、衛星通信等通信系統中接收和
發送信息。
背景技術：
目前，常用的透鏡天線中的透鏡都帶有弧形曲面。例如，申請號為97104401. 5，名 稱為改進介質透鏡減少內反射波幹擾的透鏡天線的專利文件，公開了一種透鏡天線，包括 一個錐形輻射器和一個裝接在輻射器開口上的透鏡，透鏡在第一側面有一面對自由空間的 平面表面，而在相對於第一側面的第二側面有一旋轉雙曲面。申請號為200710140739. 2，名 稱為一種無線電波透鏡天線裝置的專利文件，公開了一種透鏡天線，包括有電介質形成的 半球形龍伯透鏡、設在該透鏡的球的半球斷面且比透鏡直徑尺寸大的反射板和由夾持器支 撐的設在透鏡焦點部的天線元件一體化地組合，而且，相對設置部設有安裝部，與地面幾乎 垂直地將反射板安裝在設置部。申請號為200480008809. 3，名稱為一種無線電波透鏡天線 設備的專利文件，公開了一種透鏡天線，包括由電介質製成的半球形龍伯透鏡，尺寸大於所 述透鏡直徑的反射板，該反射板設置於平分球體的剖面上，該球體的一半為半球體；布置於 所述透鏡的焦點處的主饋源，以及用於固定所述主饋源的臂。在檢索到的上述文獻中，透鏡 天線中的透鏡都是帶有弧形曲面。這種透鏡，對曲面精度要求很高，因此加工難度大。

發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種透鏡天線，使透鏡製作更加簡易。
為解決上述技術問題，本發明採用的技術方案是 —種透鏡天線，包括裝有饋源的金屬喇叭和透鏡；該饋源嵌置於金屬喇叭直徑較 小的一端，該透鏡嵌置於金屬喇叭直徑較大的一端，所述的透鏡包括芯板；該芯板是平面介 質板，其中一個平面上有若干芯板非諧振基本單元；每個芯板非諧振基本單元內印刷有一 個芯板金屬方框；該芯板非諧振基本單元的面積和芯板金屬方框的面積從芯板的中心位置 向邊緣位置遞減。 所述芯板的兩個平面上都有相互對應的若干芯板非諧振基本單元和芯板金屬方 框。 所述的芯板數量至少是兩塊；相鄰芯板之間固定連接，其印刷有芯板金屬方框的 平面朝向相同，並且相鄰芯板之間留有空隙。
所述的空隙是2毫米至4毫米。
所述的空隙填充有泡沫。 所述的透鏡還包括匹配板，該匹配板是平面介質板，其中一個平面上有若干匹配 板非諧振基本單元；每個匹配板非諧振基本單元內印刷有一個匹配板金屬方框；該匹配板 非諧振基本單元的面積和匹配板金屬方框的面積從匹配板的中心位置向邊緣位置遞減；該 匹配板至少兩塊，分別位於整個芯板的兩側，匹配板上印刷有匹配板金屬方框的平面和芯板上印刷有芯板金屬方框的平面相匹配；相鄰匹配板和芯板之間固定連接，並且留有空隙；
在芯板和匹配板相互對應的位置上，芯板金屬方框和匹配板金屬方框錯位布置。
採用本發明的透鏡天線的技術方案，具有以下有益效果 1、本發明的透鏡天線製作簡單，便於大規模製造。本發明是由人工電磁材料基本 單元按一定的規律排列，構成折射率漸變的透鏡天線，其採用的工藝為印刷電路板工藝。此 透鏡由若干層印刷電路板按固定間距固定在泡沫中，比聚苯乙烯介質透鏡等傳統透鏡重量 明顯較小。此透鏡天線為多層平面印刷電路板結構，比傳統介質透鏡的曲面結構，易於大規 模製造、安裝。 2、本發明的透鏡天線具有設計靈活的優點。本透鏡由人工電磁材料製作而成，通 過調整其上基本單元尺寸，可以任意調節人工等效媒質的折射率和特性阻抗，實現透鏡天 線在設計上的靈活性。 3、本發明具有阻抗匹配的特點。在透鏡兩側設置匹配板，以減少電磁波在透鏡和 空氣交界面上，由於阻抗失配而引起的反射。匹配板明顯減小了天線饋源的回波損耗。
4、本發明具有寬頻帶的特點。由於使用人工電磁材料基本結構為非諧振基本單 元，在設計的X波段，即8GHz至12GHz內，由該基本單元構成的人工等效媒質的電磁特性對 頻率的響應不敏感，所以本發明具有寬頻帶特性。


圖1是本發明一種透鏡天線的結構示意圖。
圖2是本發明一種透鏡天線的剖面圖。
圖3是本發明中的芯板的結構示意圖。 圖4是本發明中的芯板中的一個非諧振基本單元的結構示意圖。
圖5是本發明中的匹配板的結構示意圖。 圖6a為本發明的透鏡中的非諧振基本單元的相對介電常數隨其邊長變化的分布 規律圖，其中工作頻率是10GHz， d是非諧振基本單元的邊長。 圖6b為本發明的透鏡中的非諧振基本單元的相對磁導率隨其邊長變化的分布規 律圖，其中工作頻率是10GHz， d是非諧振基本單元的邊長。 圖6c為本發明的透鏡中的非諧振基本單元的相對波阻抗隨其邊長變化的分布規 律圖，其中工作頻率是10GHz， d是非諧振基本單元的邊長。 圖6d為本發明的透鏡中的非諧振基本單元的折射率隨其邊長變化的分布規律 圖，其中工作頻率是10GHz， d是非諧振基本單元的邊長。
圖7為本發明的透鏡天線的實測回波損耗圖。 圖8a為本發明的透鏡天線的實測天線遠場E面方向圖，其中四條曲線的工作頻率 分別為8. 2GHz、9. 8GHz、10. 6GHz、12. 2GHz。 圖8b為本發明的透鏡天線的實測天線遠場H面方向圖，其中四條曲線的工作頻率 分別為8. 2GHz、9. 8GHz、10. 6GHz、12. 2GHz。
圖中，1、透鏡；2、芯板；3、匹配板；4、金屬喇叭；5、芯板金屬方框；6、匹配板金屬方框。
具體實施例方式
如圖l和圖2所示，本發明的一種透鏡天線，包括裝有饋源的金屬喇叭4和透鏡1， 該饋源嵌置於金屬喇叭4直徑較小的一端，透鏡1嵌置於金屬喇叭4直徑較大的一端。透 鏡l由人工電磁材料製成。透鏡1可以僅包括芯板2。芯板2是平面介質板。因為透鏡l 採用平板狀，沒有弧形曲面，因此透鏡1便於製造加工，其製造精度也便於操控。
如圖3和圖4所示，芯板2上含有若干芯板非諧振基本單元。該芯板非諧振基本單 元既可以位於芯板2遠離饋源的平面上，也可以位於芯板2靠近饋源的平面上，還可以同時 位於芯板2的兩個平面上。該芯板非諧振基本單元呈方形，中間印刷有一個芯板金屬方框 5。芯板非諧振基本單元的面積從芯板2的中心位置向邊緣位置遞減，芯板金屬方框5的面 積也相應的從芯板2的中心位置向邊緣位置遞減。當芯板2的兩個平面上都有芯板非諧振 基本單元時，芯板非諧振基本單元是相互對應的，芯板非諧振基本單元中的芯板金屬方框5 也是相互對應的。這樣，芯板2上含有一系列面積不同的芯板非諧振基本單元，和一系列面 積不同的芯板金屬方框5。這些面積不同的芯板非諧振基本單元和芯板金屬方框5，保證了 透鏡1的折射率按照一定的規律分布。 芯板2的數量至少是一塊。因為一塊芯板2厚度有限，所以為達到設計要求，可以 同時使用多塊芯板2。當採用多塊芯板2的時候，各芯板2上的芯板非諧振基本單元相互對 應，並且其上的芯板金屬方框5也相互對應。同時，當使用多塊芯板2時，芯板2上印刷有 芯板金屬框5的平面朝向相同，都是遠離饋源的一面，或者都是靠近饋源的一面。對於雙面 都印刷芯板金屬框5的芯板2，其任何安裝方式，朝向皆滿足要求。這樣，每塊芯板2都有相 同的折射率分布規律。當採用多塊芯板2時，相鄰芯板2之間固定連接，並且相鄰芯板2之 間留有空隙。相鄰芯板2間應該保留2毫米至4毫米的空隙。為保證空隙固定不變，相鄰 芯板2之間可以填充泡沫。這樣，由於泡沫的存在，相鄰芯板2之間就不會接觸。
為了減小電磁波在透鏡1表面反射，提高天線效率，透鏡1還包括匹配板3。如圖 5所示，該匹配板3的結構與芯板2的結構相同，都是平面介質板，含有匹配板非諧振基本 單元。該匹配板非諧振基本單元既可以位於匹配板3遠離饋源的平面上，也可以位於匹配 板3靠近饋源的平面上，還可以同時位於匹配板3的兩個平面上。該匹配板非諧振基本單 元呈方形，中間印刷有匹配板金屬方框6。匹配板3上的匹配板非諧振基本單元的面積從匹 配板3的中心位置向邊緣位置遞減。相應的，匹配板金屬方框6面積也從匹配板3的中心 位置向邊緣位置遞減。 由於芯板2和匹配版3的參數不一樣，所以在芯板2和匹配板3相互對應的位置 上，芯板2上的芯板非諧振基本單元的對稱中心和匹配板3上的匹配板非諧振基本單元的 對稱中心不在同一條直線上，即芯板2上的芯板非諧振基本單元和匹配板3上的匹配板非 諧振基本單元錯位布置。相應的，匹配板金屬方框6的對稱中心和芯板金屬框5的對稱中 心也不在同一條直線上，即芯板金屬方框5和匹配板金屬方框6錯位布置。
該匹配板3布置在整個芯板2的兩側，可以各布置1塊，也可以各布置多塊。當布 置多塊匹配板3的時候，所有匹配板3上的匹配板非諧振基本單元相互對應，並且其上的匹 配板金屬方框6也相互對應。這樣，每塊匹配板3都有相同的折射率分布規律。匹配板3 上印刷有匹配板金屬方框6的平面和芯板2上印刷有芯板金屬方框5的平面朝向相同。當 其兩面都印刷金屬方框的時候，該匹配板或者芯板的朝向皆滿足匹配要求。也就是說，匹配板3上印刷有匹配板金屬方框6的平面和芯板2上印刷有芯板金屬方框5的平面相匹配；
匹配板3的布置，以在整個芯板2兩側對稱布置兩塊為佳。相鄰匹配板3之間，以 及相鄰匹配板3和芯板2之間固定連接，並且留有空隙。當然，此空隙中可以填充泡沫，以 避免相鄰匹配板3之間接觸，或者相鄰匹配板3和芯板2之間接觸。 芯板2和匹配板3的邊緣輪廓根據與其匹配的金屬喇叭形狀而定，可以是圓形，也 可以是矩形。通常，金屬喇叭4兩端是空心圓柱，中間是過渡空心圓臺。透鏡l鑲嵌直徑較 大的空心圓柱內，所以直徑較大的空心圓柱內徑與透鏡1直徑相等。在這種結構的金屬喇 叭4中，芯板2和匹配板3呈圓形。採用這種結構的透鏡天線，芯板2的折射率n。_函數 ncore(r)為 "core(r) = * + f "(r) — ^ V4 + 45"("'公式1 [OO38] 匹配板3的折射率nIML的函數n皿(r)為
"腿(r) = ，公式2 其中，n(r)為不考慮匹配層時的整個透鏡的折射率分布函數
希)= 。 — *2+,)-S ，公式3 R為圓柱形透鏡的半徑；S為圓柱形透鏡的焦距；T為圓柱形透鏡的厚度；r為圓柱 形透鏡上住意一點到圓柱軸心的距離，0《r《R;n。是不考慮匹配層時，透鏡圓心處的折射 率，即r = 0時的折射率，為常數， 一般，1. 5《n。《2. 5 ;n皿(r) ， n鵬(r)是考慮匹配層之 後，整個透鏡折射率分布函數。 圖6a至圖6d表示，當芯板2或者匹配板3上的非諧振基本單元邊長由邊緣位置 的0.6mm變化到中心位置的2. 7mm時，非諧振基本單元相關性能參數的變化。其中，實線是 實部，虛線是虛部。當虛部很小的時候，損耗就很小，可以忽略不計。 一般無損耗情況下，所 指非諧振基本單元的性能參數數值就是實部。圖6a所示，非諧振基本單元等效介電常數由 1. 6變到6. 0 ;圖6b所示，等效磁導率由1變化到0. 85 ;圖6c所示，特性阻抗由0. 85變化 到0. 4 ;圖6d所示，折射率由1. 15變化到2. 25。由此可見，用該非諧振基本單元實現的折 射率符合公式1、2、3的分布。 如圖7所示，本發明在透鏡1兩側增加匹配板3，減小了電磁波在透鏡1與空氣間 的反射，使回波損耗Sll在8GHz至12GHz頻段內保持-13dB以下。這保證了天線擁有40% 的阻抗帶寬。 如圖8a和圖8b所示，在本發明的透鏡天線的實測天線遠場E面方向圖和H面方向 圖中，在8. 2GHz至12. 2GHz的頻帶內，副瓣在E面保持在_17dB以下，在H面保持在_24dB 以下，天線在整個X波段上保持低副瓣。同時，隨著頻率增高，天線等效口徑面相對變大，半 功率波瓣寬度變窄，天線在整個X波段上保持高定向性。由此可見，天線遠場性能優良，完 全可用於衛星通信或微波中繼通信等通信系統中。
權利要求
一種透鏡天線，包括裝有饋源的金屬喇叭(4)和透鏡(1)；該饋源嵌置於金屬喇叭(4)直徑較小的一端，該透鏡(1)嵌置於金屬喇叭(4)直徑較大的一端，其特徵在於，所述的透鏡(1)包括芯板(2)；該芯板(2)是平面介質板，其中一個平面上有若干芯板非諧振基本單元；每個芯板非諧振基本單元內印刷有一個芯板金屬方框(5)；該芯板非諧振基本單元的面積和芯板金屬方框(5)的面積從芯板(2)的中心位置向邊緣位置遞減。
2. 按照權利要求1所述的透鏡天線，其特徵在於，所述芯板(2)的兩個平面上都有相互 對應的若干芯板非諧振基本單元和芯板金屬方框(5)。
3. 按照權利要求1或2所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的芯板(2)數量至少是兩 塊；相鄰芯板(2)之間固定連接，其印刷有芯板金屬方框(5)的平面朝向相同，並且相鄰芯 板(2)之間留有空隙。
4. 按照權利要求3所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的空隙是2毫米至4毫米。
5. 按照權利要求4所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的空隙填充有泡沫。
6. 按照權利要求5所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的透鏡(1)還包括匹配板(3)， 該匹配板(3)是平面介質板，其中一個平面上有若干匹配板非諧振基本單元；每個匹配板 非諧振基本單元內印刷有一個匹配板金屬方框(6);該匹配板非諧振基本單元的面積和匹 配板金屬方框(6)的面積從匹配板(3)的中心位置向邊緣位置遞減；該匹配板(3)至少兩 塊，分別位於整個芯板(2)的兩側，匹配板(3)上印刷有匹配板金屬方框(6)的平面和芯板 (2)上印刷有芯板金屬方框(5)的平面相匹配；相鄰匹配板(3)和芯板(2)之間固定連接， 並且留有空隙；在芯板(2)和匹配板(3)相互對應的位置上，芯板金屬方框(5)和匹配板金 屬方框(6)錯位布置。
7. 按照權利要求6所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的匹配板(3)兩個平面上都有相 互對應的匹配板非諧振基本單元和匹配板金屬方框(6)。
8. 按照權利要求6所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的匹配板(3)有四塊，分別對稱 布置在整個芯板(2)的兩側，並且相鄰匹配板(3)之間填充有泡沫，相鄰匹配板(3)和芯板 (2)之間填充有泡沫。
9. 按照權利要求7所述的透鏡天線，其特徵在於，所述的匹配板(3)有四塊，分別對稱 布置在整個芯板(2)的兩側，並且相鄰匹配板(3)之間填充有泡沫，相鄰匹配板(3)和芯板 (2)之間填充有泡沫。
全文摘要
本發明涉及一種透鏡天線，包括裝有饋源的金屬喇叭(4)和透鏡(1)；饋源嵌置於金屬喇叭(4)直徑較小的一端，透鏡(1)嵌置於金屬喇叭(4)直徑較大的一端；透鏡(1)包括芯板(2)；芯板(2)是平面介質板，其中一個平面上有若干芯板非諧振基本單元；每個芯板非諧振基本單元內印刷有一個芯板金屬方框(5)；芯板非諧振基本單元的面積和芯板金屬方框(5)的面積從芯板(2)的中心位置向邊緣位置遞減。由於芯板(2)是平板狀，因而透鏡(1)易於製作。另外，透鏡(1)還包括匹配板(3)。匹配板(3)位於芯板(2)的兩側。它可以減少電磁波在透鏡(1)和空氣交界面上反射。
文檔編號H01Q19/06GK101699659SQ20091021350
公開日2010年4月28日 申請日期2009年11月4日 優先權日2009年11月4日
發明者崔鐵軍, 楊歆汨, 程強, 陳曦, 馬慧鋒 申請人:東南大學