基于变换光学的多波束天线制造技术

基于变换光学的多波束天线，涉及一种天线。它是为了实现构造轻量化、易于构造、体积较小的任意N波束普适的多波束天线。以4波束天线设计为例，它的每块固定板均为矩形框架结构，每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板相对设置；所述两块固定板之间通过四个固定柱固定为一个整体；所述四个固定柱的一端位于一块固定板的四个角处；所述四个固定柱的另一端位于另一块固定板的四个角处；相邻两个固定柱之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜分别嵌固在四个透镜安装窗上；所述每个透镜上蚀刻N个金属带条；偶极子天线位于四个透镜围成的区域的中心。本发明专利技术适用于应用多波束天线的场合。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】基于变换光学的多波束天线，涉及一种天线。它是为了实现构造轻量化、易于构造、体积较小的任意N波束普适的多波束天线。以4波束天线设计为例，它的每块固定板均为矩形框架结构，每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板相对设置；所述两块固定板之间通过四个固定柱固定为一个整体；所述四个固定柱的一端位于一块固定板的四个角处；所述四个固定柱的另一端位于另一块固定板的四个角处；相邻两个固定柱之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜分别嵌固在四个透镜安装窗上；所述每个透镜上蚀刻N个金属带条；偶极子天线位于四个透镜围成的区域的中心。本专利技术适用于应用多波束天线的场合。【专利说明】基于变换光学的多波束天线
本专利技术涉及一种天线。
技术介绍
关于人工电磁能量调控的多波束天线，常用的设计方法有三种，第一种采用变换光学的方法将近似平面波的中间场映射到边缘区域，使得整个场域更近似平面波，从而提高天线增益。变换光学最早2006年由Pendry和Leonhardt引入人工调控电磁学领域。已经产生了很多理论研究和应用，比如隐身、完美透镜。在透镜研究方面，对在全向天线，如单极子或者偶极子天线四周填充变换媒质区域，有可能实现多波束天线。但是变换光学透镜会导致介电常数和磁导率并矢非常复杂，不太容易实现。直到其2011年Douglas H.Werner等人利用变换光学透镜提设计出一种宽带的多波束天线，由于考虑阻抗匹配，构造阻抗匹配的超常媒质，得到了 4.2GHz到5.2GHz相对带宽的四波束单极子天线，增益可以提高6.5dB。之后在2012年他们在此基础上加工了天线实物并进行了测试，但是超常媒质构造较为复杂，而且天线体积庞大；另一种方法利用梯度折射率的人工电磁媒质设计高增益透镜。2012年伊朗ImanAghanejad等人提出利用近似保角变换，得到各项同性梯度折射率材料(GRIN)的透镜。该介质可以用非谐振的非磁全介质实现，具有宽频带和低损耗等优点。仿真了一个六波束天线，各波束可以独立控制，但该GRIN媒质非均匀也存在难以实现的缺陷；第三种方法是由Nanfang Yu在2011年nature杂志上提出的。他针对传统的光学snell折射定律，提出了广义折射率。由于受限制引入不连续相位的结构需要特定极化方式,该带宽也有限等问题,在2013年Anthony Grbic等人提出基于超常媒质惠更斯表面的无反射的透镜，该透镜该方法与Nanfang Yu利用广义折射率，相位不连续性不同，优点在于，没有反射的损耗，而且不用仅仅局限于调节交叉极化来控制相位，从而可以实现线极化，圆极化，或者椭圆极化，并且没有反射。成功设计出了一个可以使TM波偏转45°的无反射透镜。近几年来，在人工电磁媒质调控设计高增益多波束天线研究方向上，国内也有很多学者提出了自己的研究方案，在该研究领域十分活跃，展开了很全面的研究，发表了很多高水平论文。如2008年东南大学的Wei Xin Jiang等人从提出了基于变换光学的方法，设计了一种小过渡距离的(c=0.15m)柱面波到平面波的转换装置。柱面波如果在中心处开始传播的话，由球面波变为平面波，从理论上严格推导了转换区域电磁媒质介电常数和磁导率的并矢表达式，并进行了仿真。之后东南大学的崔铁军2008年在APL上针对早期提出的坐标变换的装置都是基于连续坐标变换的，这样使得电磁参数很复杂，非线性，各向异性，工程上难以实现等问题，提出了提出一种分层离散的的转换透镜。这种透镜是线性的，只有一方向上是各项异性的，从而使得介电常数和磁导率很容易构造，通过将小范围区域场好的性质转换成较大范围区域的，从而实现了天线的高增益，并基于此设计了 6波束的高增益天线。仿真了工作在6GHz的喇叭天线分别离散，离散优化，以及连续等几种情况。2009年Xi Chen等人提出了基于梯度折射率波束可扫描的喇叭天线。透镜基本工作原理如主要是利用相位相等，然后推导出折射率满足的关系再利用metamaterial超常媒质构造这种电磁参数。构造人工电磁媒质，对三个偏转角度需要构造不同的metamaterial。为了实现对介电常数和磁导率有效控制,加工了三个偏转角的透镜喇卩八天线，给出了 z方向电场分布以及0°偏转时方向图。但是也存每一个方向都需重新构建metamaterial,需要构造较多次,工作繁琐。而且透镜厚度较大等缺点。2010年Hui Feng Ma等人提出使用梯度折射超常媒质设计高增益的多波束天线，从Snell折射率入手，给出了透镜折射率随沿着透镜轴向分布规律，并进行了商业软件仿真。2012年中科院的黄庐军等人提出一种分块坐标变换的方法区别于非均匀媒质。将喇叭内部区域分为两个三角形区域，每个区域材料是均匀各项异性的；可实现高方向性的波束，且波束方向可通过改变喇叭形状控制EMT有效媒质理论，各向异性材料可以由各向同性的材料构造，从而使得更容易实现。国内外等研究人员的设计思想，构造的超常媒质需要同时构造磁导率两个方向均变化的超常媒质，而且变化区域填充面积很大，反射严重。东南大学Wei jiang Xing的变换光学及分层坐标变换透镜介质是各项异性且非均匀，而且部分介电常数很大，甚至出现奇异点。以及提出的梯度折射透镜方法得到透镜电磁参数各项异性且非均匀，实际上难以构造。中科院黄庐军提出分块三角变换方法得到均匀媒质，但是用有效媒质理论常规媒质构造，仍然存在需要很大介电常数媒质，而且各项异性也使得常规媒质难以满足要求。绝大多数的研究都存在理论研究阶段，很少有加工出实际天线。寻找一种单层，轻量化，反射小的透镜来实现多波束天线，是值得研究的方向。
技术实现思路
本专利技术是为了实现构造轻量化、体积较小的任意N波束普适的多波束天线，从而提供一种基于变换光学的多波束天线。基于变换光学的多波束天线，它包括偶极子天线I ;它还包括四块透镜2、两块固定板4、四个固定柱3和4N个金属条5 ；N为大于或等于且小于或等于12的整数；每块固定板4均为矩形框架结构，其中每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板4上、下相对设置；所述两块固定板4之间通过四个固定柱3固定为一个整体；所述四个固定柱3的一端位于一块固定板4的四个角处；所述四个固定柱3的另一端位于另一块固定板4的四个角处；相邻两个固定柱3之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜2分别嵌固在四个透镜安装窗上；所述每个透镜表面上均蚀刻N个金属条5，偶极子天线I位于四个透镜2围成区域的中心。它还包括同轴电缆，其中一块透镜2上开有通孔；所述偶极子天线I的一端通过该通孔与同轴电缆的一端连接。它还包括绝缘固定横杆，所述绝缘固定横杆的两端分别固定在两个相对的透镜2上，所述偶极子天线I固定在该绝缘固定横杆上。相邻两个金属条5的距离相等。偶极子天线I距离其中一块透镜2的距离为67mm ;每块透镜2的厚度均为0.8mm ；每个透镜2的长度均为107mm ;相邻两个金属条5的距离均为13mm。透镜2上开设的通孔为矩形孔，该通孔的宽度为2mm，且该通孔位于相邻两个金属条5之间，且该通孔的中心线距两邻两个金属条5之间的距离均为5mm。本专利技术的基于变换光学原理，提出一套N波束天线的普适的多波束天线，从近场将球面波变换为近似的均匀平面波。远场方面，从而将全向辐射天线变换为本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于变换光学的多波束天线，它包括偶极子天线（1）；其特征是：它还包括四块透镜（2）、两块固定板（4）、四个固定柱（3）和4N个金属条（5）；N为大于或等于且小于或等于12的整数；每块固定板（4）均为矩形框架结构，其中每个边框中间均开有矩形插槽，两块固定板（4）上、下相对设置；所述两块固定板（4）之间通过四个固定柱（3）固定为一个整体；所述四个固定柱（3）的一端位于一块固定板（4）的四个角处；所述四个固定柱（3）的另一端位于另一块固定板（4）的四个角处；相邻两个固定柱（3）之间形成矩形的透镜安装窗；四块透镜（2）分别嵌固在四个透镜安装窗上；所述每个透镜表面上均蚀刻N个金属条（5），偶极子天线（1）位于四个透镜（2）围成区域的中心。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张狂，傅佳辉，沃得良，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23