基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线制造技术

本发明专利技术提供一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，包括馈源喇叭、极化扭转反射板、单极化传输阵列和支撑架。馈源喇叭设置于极化扭转反射板的上表面中心，单极化传输阵列设置于极化扭转反射板上方，支撑架分别与馈源喇叭、极化扭转反射板、单极化传输阵列固定连接；极化扭转反射板上设置呈圆形排列的若干极化扭转人工磁导体单元，单极化传输阵列上设置呈圆形排列的若干单极化传输阵列单元，极化扭转人工磁导体单元组成的圆形阵列的面积小于单极化传输阵列单元组成的圆形阵列且两圆投影同心。

Ultra low profile lens antenna based on ray tracing principle and metamaterial structure

The invention provides a ultra low profile lens antenna based on the principle of ray tracing and supermaterial structure, which includes a feed horn, a polarized torsional reflection plate, a single polarized transmission array and a support frame. The feed horn is set at the center of the upper surface of the polarized torsional reflecting plate. The single polarization transmission array is set above the polarized torsional reflection plate. The support frame is fixed with the feed horn, the polarized torsional reflecting plate and the single polarized transmission array, and the polarization and torsional artificial magnetic conductors are arranged in a circular arrangement on the polarized torsional reflection plate. Unit, a single polarized transmission array is arranged on a single polarized transmission array. The area of a circular array composed of a polarized torsional artificial magnetic conductor unit is less than a circular array composed of a single polarized transmission array unit and a two circle projection concentric.

【技术实现步骤摘要】
基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线
本专利技术涉及一种透镜天线，特别是一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线。
技术介绍
近几年来，平面透镜天线是微波毫米波领域研究的热点之一。利用其独特的空间馈电、馈源无遮挡以及平面阵列等特性，可以有效地改善天线的性能，降低加工成本。P.J.Kahrilas等人将平面透镜天线引入到天线设计的范围内应用其空间馈电的特性，提高天线的辐射效率和天线增益，利用其平面设计特性，使得支撑结构和天线阵列得以简化，降低了加工成本和难度(参见P.J.Kahrilas,“HAPDAR—Anoperationalphasedarrayradar,”Proc.IEEE,vol.56,no.11,pp.1967–1975,Nov.1968)。同时，D.T.McGrath等人对平面透镜天线的基本概念和设计思路、聚焦特性进行了系统的研究，使得平面透镜天线的辐射特性得到了很大的改善(参见D.T.McGrath,“Planarthree-dimensionalconstrainedlenses,”IEEETrans.AntennasPropag.,vol.34,no.1,pp.46–50,Jan.1986.)。但是，由于空间馈电技术的引入，使得馈电天线与平面透镜天线阵列之间的距离必须保持一个焦距，以保证天线具有较好的辐射效率。但是，这会极大地增大天线的厚度，导致天线结构体积过大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，它能在保证天线稳定的辐射特性的前提下，极大地降低天线的剖面和减小体积。一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，包括馈源喇叭、极化扭转反射板、单极化传输阵列和支撑架。馈源喇叭设置于极化扭转反射板的上表面中心，单极化传输阵列设置于极化扭转反射板上方，支撑架分别与馈源喇叭、极化扭转反射板、单极化传输阵列固定连接；极化扭转反射板上设置呈圆形排列的若干极化扭转人工磁导体单元，单极化传输阵列上设置呈圆形排列的若干单极化传输阵列单元，极化扭转人工磁导体单元组成的圆形阵列的面积小于单极化传输阵列单元组成的圆形阵列且两圆投影同心。采用上述天线，每一极化扭转人工磁导体单元包括第一介质基板、金属地板、金属化通孔、正方形金属贴片。相邻极化扭转人工磁导体单元的第一介质基板间紧贴，金属地板印制在第一介质基板的下表面，正方形金属贴片印制在第一介质基板的上表面且相邻极化扭转人工磁导体单元的正方形金属贴片间存在缝隙，金属化通孔位于第一介质基板的内部且两端分别与正方形金属贴片和金属地板相连。采用上述天线，每一单极化传输阵列单元包括上层加载U型槽的正方形金属贴片、第二介质基板层、中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层、第三介质基板层和下层加载U型槽的正方形金属贴片。上层加载U型槽的正方形金属贴片印制在第二介质基板层的上表面，中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层位于第二介质基板层和第三介质基板层之间，下层加载U型槽的正方形金属贴片印制在第三介质基板层的下表面；相邻单极化传输阵列单元的第二介质基板层间紧靠，相邻单极化传输阵列单元的第三介质基板层间紧靠，相邻单极化传输阵列单元的中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层间枝节条带相连。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术提出的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，与基于普通平面透镜天线相比，该结构基于射线追踪原理，通过极化扭转反射板和单极化传输阵列，可以改变传播路径上的电磁波的极化，使得传播路径能够实现多次折合，有效地改善来自馈源的电磁波的传播路径，极大地降低了平面透镜天线的高度，透镜天线高度仅为原来的1/3；同时，交叉极化也有很大的提高；(2)本专利技术提出的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，仍然保留了传统平面透镜天线的高效率和结构简单等特性，天线的口径效率能够达到46％；(3)本专利技术提出的基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，采用微波介质板，结构简单，加工容易，重量相对较小，成本较低。下面结合说明书附图对本专利技术作进一步描述。附图说明图1为本专利技术基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的三维图和侧视图，其中图(a)为三维图，图(b)为侧视图。图2为本专利技术极化扭转人工磁导体单元的俯视图和侧视图，其中图(a)为俯视图，图(b)为侧视图。图3为本专利技术单极化传输阵列单元的俯视图和侧视图，其中图(a)为加载U型槽的正方形金属贴片的俯视图，图(b)为加载单面紧凑光子带隙的金属层，图(c)为侧视图。图4为本专利技术基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的单极化传输阵列单元在在不同长度Dy长度情况下，传输系数的幅度和相位随着平率变化的曲线。图5为基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的单极化传输阵列单元和地板在电磁波不同入射角度情况下，反射系数的幅度及相位随着频率的变化的曲线。图6为本专利技术基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的极化扭转人工磁导体单元在电磁波不同入射角度情况下，反射系数的幅度和相位随着频率的变化情况。图7为本专利技术基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线的结构示意图。图8为本专利技术基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线工作在中心频率点时，在E面和H面的主极化和交叉极化方向图，其中图(a)为E面辐射方向图，图(b)为H面辐射方向图。图9为本专利技术基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线在工作频带内的天线增益和天线口径效率随着频率变化的曲线。具体实施方式结合图1(a)(b)，本专利技术是一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，包括馈源喇叭1、极化扭转反射板2、单极化传输阵列3和支撑架4，馈源喇叭1安装在极化扭转反射板2的上表面中心，极化扭转反射板2上方设置单极化传输阵列3，支撑架4从底部馈源喇叭1依次延生到极化扭转反射板2和单极化传输阵列3，与馈源喇叭1、极化扭转反射板2、单极化传输阵列3相连接。极化扭转反射板2、单极化传输阵列3之间的距离应使得天线增益最大化。结合图1(a)(b)和图2(a)(b)，极化扭转反射板4包括880个呈圆形排列的极化扭转人工磁导体单元5，其中每个极化扭转人工磁导体单元5均包括第一介质基板7、金属地板8、金属化通孔9、正方形金属贴片10，金属化通孔9位于第一介质基板7的内部，并且其上下表面与正方形金属贴片10的金属地板8相连。正方形金属贴片10印制在第一介质基板7的上表面，金属地板8印制在第一介质基板7的下表面；相邻的极化扭转人工磁导体单元5之间存在缝隙。金属化通孔9设置两个且在正方形金属贴片10上的投影位于正方形金属贴片10的对角线上，使得天线具有极化流转功能。结合图1(a)(b)和图3(a)(b)(c)，单极化传输阵列4包括660个呈圆形排列的单极化传输阵列单元6，其中每个单极化传输阵列单元6包括上层加载U型槽的正方形金属贴片11、第二介质基板层12、中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层13、第三介质基板层14、下层加载U型槽的正方形金属贴片15，上层加载U型槽的正方形金属贴片印制在介质基板II12的上表面，中间层加载单面紧凑光子带隙(参见B.RahmatiandH.R.Hassani,"Lo本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，其特征在于，包括馈源喇叭(1)、极化扭转反射板(2)、单极化传输阵列(3)和支撑架(4)；其中馈源喇叭(1)设置于极化扭转反射板(2)的上表面中心，单极化传输阵列(3)设置于极化扭转反射板(2)上方，支撑架(4)分别与馈源喇叭(1)、极化扭转反射板(2)、单极化传输阵列(3)固定连接；极化扭转反射板(2)上设置呈圆形排列的若干极化扭转人工磁导体单元(5)，单极化传输阵列(3)上设置呈圆形排列的若干单极化传输阵列单元(6)，极化扭转人工磁导体单元(5)组成的圆形阵列的面积小于单极化传输阵列单元(6)组成的圆形阵列面积且两圆投影同心。

【技术特征摘要】
1.一种基于射线跟踪原理和超材料结构的超低剖面透镜天线，其特征在于，包括馈源喇叭(1)、极化扭转反射板(2)、单极化传输阵列(3)和支撑架(4)；其中馈源喇叭(1)设置于极化扭转反射板(2)的上表面中心，单极化传输阵列(3)设置于极化扭转反射板(2)上方，支撑架(4)分别与馈源喇叭(1)、极化扭转反射板(2)、单极化传输阵列(3)固定连接；极化扭转反射板(2)上设置呈圆形排列的若干极化扭转人工磁导体单元(5)，单极化传输阵列(3)上设置呈圆形排列的若干单极化传输阵列单元(6)，极化扭转人工磁导体单元(5)组成的圆形阵列的面积小于单极化传输阵列单元(6)组成的圆形阵列面积且两圆投影同心。2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每一极化扭转人工磁导体单元(5)包括第一介质基板(7)、金属地板(8)、金属化通孔(9)、正方形金属贴片(10)；其中相邻极化扭转人工磁导体单元(5)的第一介质基板(7)间紧贴，金属地板(8)印制在第一介质基板(7)的下表面，正方形金属贴片(10)印制在第一介质基板(7)的上表面且相邻极化扭转人工磁导体单元(5)的正方形金属贴片(10)间存在缝隙，金属化通孔(9)位于第一介质基板(7)的内部且两端分别与正方形金属贴片(10)和金属地板(8)相连。3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，金属化通孔(9)设置两个且在正方形金属贴片(10)上的投影位于正方形金属贴片(10)的对角线上。4.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，每一单极化传输阵列单元(6)包括上层加载U型槽的正方形金属贴片(11)、第二介质基板层(12)、中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层(13)、第三介质基板层(14)和下层加载U型槽的正方形金属贴片(15)；其中上层加载U型槽的正方形金属贴片(11)印制在第二介质基板层(12)的上表面，中间层加载单面紧凑光子带隙的金属层(13)位于第二介质基板层...

【专利技术属性】
技术研发人员：范冲，车文荃，杨琬琛，谷礼政，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32