一种产生贝塞尔波束的天线制造技术

本发明专利技术属于电磁波束成型领域，提供一种产生贝塞尔波束的天线，包括聚束平面和馈电喇叭，馈电喇叭正对聚束平面的中心；所述聚束平面为具有聚束功能的双层介质基板结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层、高频介质基板下层、印刷电路中层、高频介质基板上层、印刷电路上层，其中，高频介质基板上层和高频介质基板下层为相同大小的矩形平面结构，所述上、中、下三层印刷电路层均设置有网格排列的聚束单元，且三层印刷电路层网格分布相同，每个聚束单元内均设置金属贴片、且位于网格的中心。本发明专利技术结构简单、加工成本低、聚束效率高、有效带宽宽、应用频带高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电磁波波束成型领域，特别涉及一种产生贝塞尔波束的天线。
技术介绍
贝塞尔波束具有聚束传播的特性，能以无衍射方式传播相当一段距离。电磁波的空间聚束传播有着十分重要的应用，在电磁能无线传输、THz频段空间波导、近场探测雷达、微波医疗器械、高精度微波测量乃至空间太阳能的地-空输能等领域都需要电磁波的空间聚束特性。贝塞尔波束在光学领域已有广泛而深入的研究，可以通过环缝法、全息成像、球面像差透镜等变换方法产生贝塞尔波束，但这些方法在微波毫米波频段很难实现，且转换效率低；在微波毫米波领域，广泛采用的方法有轴棱锥变换法和天线口面生成法。传统轴棱锥透镜及其变形形式需要至少一个凸透镜先将馈电喇叭的出射波转换为高斯波束，再在高斯波束的束腰处放置轴棱锥或其变形透镜，以实现高斯-贝塞尔波束转换，这种结构不仅透镜笨重，体积大，加工困难成本高，同时对三器件的相对位置，共轴都有较高要求，多层且较厚的介质也引入了较大损耗。天线口面生成法是采用各类天线形式，在天线口径面上使出射场的幅相分布服从贝塞尔函数，从而生成贝塞尔波束；但是，由于电场在波阵面上形成良好的贝塞尔函数分布特性具有较大难度，天线结构普遍复杂，在微波特别是毫米波频段加工困难，精度要求高，带宽窄，效率低，难以广泛应用。因此，设计一种全新的结构简单，效率较高，易于在较高频率上实现的新型贝塞尔波束生成装置具有十分重要的意义。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对
技术介绍
的不足之处提供一种产生贝塞尔波束的天线，具有结构简单、加工成本低、聚束效率高、有效带宽宽、应用频带高的优点。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种产生贝塞尔波束的天线，包括聚束平面1和馈电喇叭2，馈电喇叭2正对聚束平面1的中心；其特征在于，所述聚束平面1为具有聚束功能的双层介质基板结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层14、高频介质基板下层112、印刷电路中层13、高频介质基板上层111、印刷电路上层12，其中，高频介质基板上层111和高频介质基板下层112为相同大小的矩形平面结构，所述上、中、下三层印刷电路层均设置有网格排列的聚束单元，且三层印刷电路层网格分布相同，每个聚束单元内均设置金属贴片、且位于网格的中心。进一步的，所述网格与金属贴片形状相对应，为矩形或六边形；所述印刷电路下层14、印刷电路中层13及印刷电路上层12的聚束单元内金属贴片形状相同，且印刷电路下层14、与印刷电路上层12的聚束单元内金属贴片尺寸相同。网格和金属贴片为矩形，则馈电喇叭2在发射水平和垂直极化波时可生成不同景深和波瓣宽度的贝塞尔波束；网格和金属贴片为六边形，则提高了出射场的轴对称性，能够在一定程度上提高贝塞尔波束的生成效率。所述对馈电喇叭2为线极化角锥喇叭或圆极化圆锥喇叭，增益为10～15dB。将角锥喇叭改为圆锥喇叭，可提高生成贝塞尔波束的轴对称性；将线极化喇叭改为圆极化或椭圆极化喇叭，可生成圆极化或椭圆极化的贝塞尔波束。从工作原理上讲，通过设置聚束平面上聚束单元内三层金属片的大小，将聚束单元等效为有聚束效应的低通滤波器，在聚束平面的任意位置可实现0度、-90度、-180度、-270度的插入相移，进而在馈电喇叭的照射下，在聚束平面的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成贝塞尔波束。首先将聚束平面划分成若干网格，在网格内分布具有聚束功能的聚束单元，在聚束平面上每个位置实现应有的移相，从而将入射的近似球面波转换为贝塞尔波束；划分的网格内理想移相量θρ(f)由下式可得：其中，F为馈电喇叭的相位中心与聚束平面中心的距离，ρ为划分的网格中心与聚束平面中心的距离，θρ(f)为划分的每个网格内聚束单元的理想移相量，f为工作频率，λ为自由空间波长，为贝塞尔波束的汇聚角；聚束平面直径R由具体应用口面大小确定，设馈电喇叭的波瓣宽度为2α，则可由下式确定R的值：F=R2tanα]]>汇聚角可根据需要的贝塞尔波束景深Zmax或半功率波瓣宽度HPBW计算得到：由上三式可得，对于已知需求景深的波束，网格中心与聚束平面中心的距离为ρ的聚束单元的理想移相量为：θρ(f)=2πfc(R2R2+4Zmax2ρ+F2+ρ2-F)]]>对于已知需求半功率波瓣宽度的波束，与介质基板中心的距离为ρ的单元的理想移相量为：θρ(f)=2πfc(0.356cHPBWfρ+F2+ρ2-F)]]>由此，根据每个聚束单元距中心距离ρ的不同，根据上述两式即可计算出每个单元的理想移相量，再通过聚束单元设计，在聚束平面的出射口面上生成满足贝塞尔分布的相位分布，以生成贝塞尔波束。介质基板应选择损耗小，介电常数较低，高频性能稳定的板材。四种移相幅度对应的金属贴片的大小通过周期边界条件在全波仿真软件中得到。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：1、本专利技术采用聚束平面技术，仅采用普通PCB工艺，聚束平面仅厚约1毫米，重量较普通透镜下降90％以上；2、仅需一块聚束平面即可实现贝塞尔波束，较传统轴棱锥变换法少用一个透镜变换元件，装置大大简化，重量及成本大幅下降；3、在实现效果上，由于聚束平面厚度极薄，介质损耗几乎可以忽略不计，避免了多组透镜出现的介绍损耗；4、成熟的PCB工艺较透镜提供更高加工精度，对微波特别是毫米波频段的贝塞尔波束实现具有独特优势；5、本专利技术与口面生成法下的各种贝塞尔波束天线相比，结构更为简单，无需复杂的馈电结构，避免了传输及失配损耗；6、本专利技术较现有技术可适用于更高频段，避免了机械加工引入的较大误差，应用PCB技术易于实现大规模生产；7、通过计算口面出射场的幅相，可生成高阶、多阶乃至偏焦贝塞尔波束。附图说明图1为本专利技术聚束平面的侧视示意图；图2为本专利技术实施例1中聚束平面印刷电路上、下层的聚束单元分布示意图；图3为本专利技术实施例1中聚束平面印刷电路中层的聚束单元分布示意图；图4为本专利技术实施例1中聚束平面第一象限内正方形单元网格划分示意图；图5为本专利技术实施例1中聚束平面中聚束单元位置示意图；图6为本专利技术天线产生贝塞尔波束的光路示意图；图7为本专利技术天线产生贝塞尔波束电场强度纵截面测试图；图8为本专利技术天线产生贝塞尔波束电场强度横截面测试图；其中：1为聚束平面，2为馈电喇叭，12为印刷电路上层，111为高频介质基板上层，13为印刷电路中层，112为高频介质基板下层，14为印刷电路下层，121、131、141分别为印本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生贝塞尔波束的天线，包括聚束平面(1)和馈电喇叭(2)，馈电喇叭(2)正对聚束平面(1)的中心；其特征在于，所述聚束平面(1)为具有聚束功能的双层介质基板夹三层印刷电路层结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层(14)、高频介质基板下层(112)、印刷电路中层(13)、高频介质基板上层(111)、印刷电路上层(12)，其中，高频介质基板上层和高频介质基板下层为相同大小的矩形平面结构，所述上、中、下三层印刷电路层均设置有网格排列的聚束单元，且三层印刷电路层网格分布相同，每个聚束单元内均设置金属贴片、且位于网格的中心。

【技术特征摘要】
1.一种产生贝塞尔波束的天线，包括聚束平面(1)和馈电喇叭(2)，馈电喇叭(2)正
对聚束平面(1)的中心；其特征在于，所述聚束平面(1)为具有聚束功能的双层介质基板
夹三层印刷电路层结构，包括从下至上依次共轴层叠的印刷电路下层(14)、高频介质基板下
层(112)、印刷电路中层(13)、高频介质基板上层(111)、印刷电路上层(12)，其中，高
频介质基板上层和高频介质基板下层为相同大小的矩形平面结构，所述上、中、下三层印刷
电路层均设置有网格排列的聚束单元，且三层印刷电路层网格分布相同，每个聚束单元内均
设置金属贴片、且位于网格的中心。
2.按权利要求1所述产生贝塞尔波束的天线，其特征在于，每个所述聚束单元内金属贴
片尺寸由该聚束...

【专利技术属性】
技术研发人员：程钰间，钟熠辰，薛飞，雷星宇，樊勇，张永鸿，宋开军，张波，林先其，赵明华，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51