基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线制造技术

本发明专利技术提出了一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，用于解决现有透镜天线存在的辐射方向图单一的技术问题，包括透镜、辐射器和固定架；透镜包括H面校准透镜和E面校准透镜，该两个透镜均由数量可变、介电常数可变的多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；辐射器包括馈源和平板波导；平板波导的一端安装H面校准透镜，另一端H面校准透镜的焦点处安装馈源，固定架将H面校准透镜固定在E面校准透镜的焦点处；H面校准透镜中的多个介质单元的排列方向与其中心和馈源的连线垂直，E面校准透镜的多个介质单元沿竖直方向排列。本发明专利技术有效地扩展了天线波束的覆盖范围，可用于数据通信和搜索探测等领域。

【技术实现步骤摘要】
基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线
本专利技术属于天线
，涉及一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，通过有效组合两个二维平板透镜并调整透镜中介质单元的数量或介电常数，实现辐射方向图波束宽度的多尺度调节。技术背景透镜是结构简单并且能够快捷地通过相位调节实现波束校准的光学元件，可用来调节天线辐射电磁波的波前相位，有效控制天线的辐射特性。如传统透镜天线中的凸透镜，采用均匀介质透镜，可以将球面波变换成平面波。与传统均匀介质透镜天线通过改变透镜形状设计进行相位调节不同，平板透镜则将透镜划分成多个介质单元，可以通过改变介质单元的介电常数来进行波束调节。二维平板透镜天线通过在平板波导内放置介质透镜，实现平行于平板波导的一维波束压窄，垂直于平板波导的一维保持宽波束，有效产生扇形波束。例如ChangzhouHua于2012年在IEEEAntennasWirelessPropagationLetter，vol.11发表的题为“Millimeter-WaveFan-BeamAntennaBasedonStep-IndexCylindricalHomogeneousLens”的文章中，公开了一种基于梯度折射率的毫米波扇形波束介质透镜天线，在平板波导的上下金属板之间放置柱形介质透镜，采用线性渐变槽天线进行馈电，实现典型的扇形波束。利用二维平板透镜轴对称旋转得到的三维介质透镜，通过在各维度上对电磁波相位校准，实现各维度等宽的笔形波束。如朱彤于2015年在《军事通信技术》第36卷1期，发表名称为“单介质高方向性平面透镜天线设计”的文章，提出一种单介质高方向性平面透镜天线，设计介电常数沿径向渐变的圆形平板透镜，通过在单一介质上打孔等效离散化的介电常数，以微带缝隙天线作为馈源，实现了高增益的笔形波束。目前，透镜天线利用二维介质透镜实现波束校准的应用多集中在对于辐射方向图单一平面(E面或H面)进行独立校准，能实现扇形波束，或利用三维介质透镜，对波束进行全方位对称校准，能实现笔形波束。笔形波束多用于高增益的数据通信，而扇形波束则更适用于搜索探测。如果可以利用透镜天线对波束进行多尺度调节，实现从笔形波束到扇形波束的不同波束宽度可调控的设计，在目标范围内具有理想的天线波束,这将显著扩展天线的适用范围。
技术实现思路
本专利技术目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，用于解决现有透镜天线存在的辐射方向图单一的技术问题。通过有效组合两个二维平板透镜，并根据所需波束宽度调整校准透镜中的介质单元的数量或介电常数，利用E面和H面的分离校准，实现从扇形波束到笔形波束的多尺度波束调节。为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，包括透镜和辐射器；透镜包括H面校准透镜1和E面校准透镜2，该两个透镜1和2均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；辐射器包括平板波导4；工作时，H面校准透镜1固定在水平放置的平板波导4的一端两块金属板之间，该平板波导4另一端设置有馈源3，且该馈源3位于H面校准透镜1的焦点位置，H面校准透镜1中的多个介质单元的排列方向与馈源3和H面校准透镜1中心的连线垂直；H面校准透镜1通过固定架5固定在E面校准透镜2的焦点位置，E面校准透镜2中的多个介质单元沿竖直方向排列。上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，H面校准透镜1和E面校准透镜2中的介质单元的数量和介电常数均由所需的波束宽度确定。上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，介质单元采用立方体结构。上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，馈源3和H面校准透镜1中心的连线与平板波导4的中心线重合。上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，固定架5包括多根支撑杆和两块连接板。上述基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，两块连接板，其位置可根据E面校准透镜2口径随介质单元数量的变化，沿支撑杆竖直方向调节。本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：本专利技术由于采用的透镜包括H面校准透镜和E面校准透镜，且该两个透镜均由数量和介电常数根据所需波束宽度确定的多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成，馈源安装于H面校准透镜的焦点处，固定架将H面校准透镜固定在E面校准透镜的焦点处，H面校准透镜中的多个介质单元的排列方向与其中心和馈源的连线垂直，E面校准透镜的多个介质单元沿竖直方向排列，可根据所需的波束宽度确定两个校准透镜中的介质单元的数量或介电常数，实现从扇形波束到笔形波束的多尺度波束调节，与现有技术中透镜采用的单独的二维透镜，仅实现扇形波束，或利用二维透镜轴对称旋转得到的三维透镜仅实现笔形波束的结构相比，有效得扩大了透镜天线波束宽度的可调节范围与应用。附图说明图1是本专利技术的波束宽度调节原理示意图；图2是本专利技术整体结构示意图；图3是本专利技术两个校准透镜中的介质单元数量与天线增益的变化关系；图4是本专利技术两个校准透镜中的介质单元数量与天线H面和E面方向图3dB波束宽度的变化关系；图5是本专利技术调节两个校准透镜中的介质单元数量得到的天线H面和E面的方向图；图6是本专利技术透镜介质单元的介电常数变化与天线增益的变化关系；图7是本专利技术透镜介质单元的介电常数变化与天线H面和E面方向图3dB波束宽度变化关系；图8是本专利技术调整透镜介质单元的介电常数变化得到的天线H面和E面的方向图。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术作进一步描述。参照图1，源点O发出的球面波经过透镜可实现从球面波到平面波的转换，要将源点0处发出的球面波经过透镜变换成平面波，在透镜口径表面的场要保持相同的相位，即其中λ0为真空中波长，εri为第i个介质单元的介电常数，此时为完全校准状态，增益最高，波束最窄；未完全校准状态时，其等相位面2，介于未校准的球面波的等相位面3和完全校准的平面波的等相位面1之间，透镜对波束的校准程度越高，其等相位面的曲率越小，越接近于平面波。给定εr1，计算每层介电常数作用的波程差Δzi，由公式计算出各层的相对介电常数εri。参照图2，本专利技术包括H面校准透镜1、E面校准透镜2、馈源3、平板波导4以及固定架5，其中H面校准透镜1和E面校准透镜2均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成，每个介质单元形状尺寸相同，均为长方体，每一个的介质单元都是可拆卸的，通过调整介质单元的数量控制透镜的口径。本实施例中，H面校准透镜1取30个介质单元，焦距为270mm，介电常数对称分布，从中心向两侧均有15个介电常数依次递减的介质单元，每个介质单元长tH＝70mm，高15mm，每一层厚度15mm，完全校准状态时，取中心处的介质单元的介电常数εr1＝4.4，得到一组递减变化的介电常数如下εr2＝4.34，εr3＝4.24，εr4＝4.09，εr5＝3.91，εr6＝3.69，εr7＝3.43，εr8＝3.15，εr9＝2.85，εr10＝2.53，εr11＝2.21，εr12＝1.89，εr13＝1.58，εr14＝1.28，εr15＝1。E面校准透镜2取16个介质单元，焦距为105mm，介电常数对称分布，从中心向两侧均有8个介电常数依本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，包括透镜和辐射器；其特征在于：所述透镜包括H面校准透镜(1)和E面校准透镜(2)，该两个透镜(1，2)均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；所述辐射器包括平板波导(4)；工作时，所述H面校准透镜(1)固定在水平放置的平板波导(4)的一端两块金属板之间，该平板波导(4)另一端设置有馈源(3)，且该馈源(3)位于所述H面校准透镜(1)的焦点位置，所述H面校准透镜(1)中的多个介质单元的排列方向与馈源(3)和H面校准透镜(1)中心的连线垂直；所述H面校准透镜(1)通过固定架(5)固定在E面校准透镜(2)的焦点位置，所述E面校准透镜(2)中的多个介质单元沿竖直方向排列。

【技术特征摘要】
1.一种基于E面和H面分离校准的波束可调透镜天线，包括透镜和辐射器；其特征在于：所述透镜包括H面校准透镜(1)和E面校准透镜(2)，该两个透镜(1，2)均由多个介质单元按照介电常数从中心向两侧依次递减且对称分布的方式排列而成；所述辐射器包括平板波导(4)；工作时，所述H面校准透镜(1)固定在水平放置的平板波导(4)的一端两块金属板之间，该平板波导(4)另一端设置有馈源(3)，且该馈源(3)位于所述H面校准透镜(1)的焦点位置，所述H面校准透镜(1)中的多个介质单元的排列方向与馈源(3)和H面校准透镜(1)中心的连线垂直；所述E面校准透镜(2)中的多个介质单元沿竖直方向排列，该E面校准透镜(2)通过固定架(5)固定，且该E面校准透镜(2)的焦线与H面校准透镜(1)辐射前端表面的水平中心线重合。2.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨锐，师阿元，李冬，胡博伟，王慧，杨佩，雷振亚，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61