基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于宽角扫描及多波束定向通信系统的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线。它的基本结构包括五层介质的椭圆介质透镜和微带贴片为单元的1*9相控阵。该透镜天线通过变换光学进行厚度上的压缩，并保持原有的球形龙伯透镜的聚焦性能，同时对介电常数范围进行了控制，以便于加工，再根据单元方向图叠加算法，优化相控阵的单元幅相，实现了精准的宽角扫描，并且相对于相控阵有很高的增益提升，较好地解决了相控阵馈电的透镜天线应用在较低剖面、宽角扫描的需求，能更好的在多波束定向通信和宽角扫描系统中发挥作用。基于本发明专利技术的基本结构，合理改变填充介质种类、天线尺寸、馈源单元形式、阵列布阵方式即可构成本发明专利技术的其它具体实施方案。

【技术实现步骤摘要】
基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线
本专利技术属于天线
，涉及到椭球介质透镜天线，具体来说是用于波束扫描和多波束通信的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、较低剖面、宽角扫描和5G通信等使用场景。
技术介绍
多波束天线在现代天线已经成为了一个重要分支，随着船舶导航、卫星通信、电子对抗及目标追踪等领域对多波束天线的迫切需求，具有高增益、低副瓣、宽扫描角、高速扫描以及制造成本低等特点的多波束天线被重点关注。本专利技术正是基于上述需求，设计了基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，尤其适用于工作在毫米波频段、较低剖面、宽角扫描和5G通信等使用场景。相控阵天线与龙伯透镜透镜天线是目前最为主流的多波束天线形式。其中龙伯透镜天线由于其自身的对称性以及宽带结构，能够很好的满足目前通信系统对于天线多波束扫描特性以及宽频段应用的要求，但同时由于透镜天线在多波束扫描中依赖于不同馈源间的切换，所以在多波束扫描应用中虽然具有良好的一致性，但是所需端口数过多，造成天线加工的困难以及尺寸重量上的劣势。传统相控阵天线在进行多波束扫描时只需改变各个单元的激励幅度与相位，在移相器精度足够的情况下可以使用较少的单元数目实现较高精度的扫描特性，但因其大角度扫描能力有所欠缺，并且所需T/R组件数目较多，成本较高，使其一般难以用于民用通信领域，所以单独使用相控阵天线并不是很好的方案。近年来，随着变换光学(TransformationOptics)理论的提出，许多新型透镜天线被设计出来，也有许多研究者将目光投向传统龙伯透镜的改进上，龙伯透镜有望重获新生。采用变换光学方法可以将龙伯球压缩成平板透镜，不仅体积轻巧，还可以具有平面的聚焦面，易于集成，但变换后的龙伯透镜电磁参数发生改变，往往体现出各向异性，实际材料难以形成。理论上的球形龙伯透镜其介电常数从内层到表面满足2到1的变化规律，因此一直以来的材料技术和制造水平限制了这种天线的应用。经过多年研究，提出了材料制作工艺的一些基本方法和准则，其中最具代表性的是基于塑料树脂材料的热发泡技术、基于钻孔结构实现较低介电常数等效技术。日本住友电气工业株式会社在专利CN101057370中通过开模方法对泡沫塑料珠料进行发泡，但是这种方法工艺流程非常复杂且发泡均匀性难以控制，对加工条件要求很高，导致加工成本不可控制、批量生产困难。美国专利专利技术者Michael.P.Carpenter等在专利号US6433936B1公开的题为“LensofGradientDielectricConstantandMethodsofProduction”中将热塑性树脂膨胀珠(聚苯乙烯、聚酰胺等)中掺杂陶瓷材料(二氧化钛、二氧化硅等)填入模具中，并加热使它们熔融到一起，通过调节泡沫模制品的密度及陶瓷含量来控制每层球壳的介电常数，该透镜重量轻，能保证较好的实用性，但工艺流程相对复杂，不适合量产。2011年东南大学崔铁军教授团队在AppliedPhysicsLetters.(vol.95,issue18,id.181901,2009)上发表的题为“BroadbandplanarLuneburglensbasedoncomplementarymetamaterials”论文中利用电磁超材料设计了工作于Ku波段的龙伯透镜天线，但是由于是采用附着金属的PCB板来实现超材料，导致了该天线的损耗过大，天线口径效率甚低。在公开号为CN107627611A的专利中，公开了一种基于3D打印技术的球形龙伯透镜设计方法，成本为传统分层结构的四分之一，每个基本单元的介电常数可调，但是至少一种材料的介电常数不大于1，至少一种材料的介电常数不小于2，无法使用同一种材料进行加工，且介电常数不大于1的材料实际上难以实现。在公开号为CN107369876A的专利中，公开了一种半球透镜和反射地板的天线结构，整体通过机械臂调控透镜相对位置进行波束扫描，实时性较差。2014年郝杨等人在IEEETransactionsOnAntennasandPropagation上发表的题为“FlatLuneburgLensviaTransformationOpticsforDirectiveAntennaApplications”论文中利用变化光学成功将球形龙伯透镜压缩为圆柱形介质透镜，但是通过机械移动馈源扫描仅到34°，并且最内层介电常数高达12，难以实现且实际加工成本高。与以前公开的专利技术专利和论文相比，本专利技术的透镜天线主要针对传统球形龙伯透镜体积大，最外层介电常数较低不易加工，以及传统相控阵扫描角小、增益低的问题，采用变换光学对传统球龙伯透镜进行压缩形成剖面为椭圆的分层介质透镜天线，压缩比为2，降低剖面一半，并对每层介电常数进行限制，加载相控阵馈源后，通过单元方向图叠加原理，利用优化算法优化相控阵幅相，在商用电磁仿真软件AnsysHFSS中进行仿真，相对于馈电相控阵本身增益提高7dBi，扫描角扩宽至45°，天线口径效率51％。本专利技术结构简单，介电常数控制在1.5～3，加工可采取同种材料进行3D打印，适用于毫米波频段、低成本、较低剖面和宽角扫描等场景。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述技术背景及要求，提出了基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，具体来说，针对工作于Ka频段的椭球介质透镜，该天线通过变换光学方法将传统球形龙伯透镜压缩成剖面为椭圆的介质分层透镜，该透镜总共分为5层，压缩比为2，降低剖面一半。相控阵馈源采用微带贴片单元，同轴馈电，单元间距为0.65倍波长，共9个单元，焦径比仅为0.1。采用商用电磁仿真软件AnsysHFSS进行仿真，相控阵单独扫描时，0°增益为16.7dBi，扫描至45°时，增益为14.05dBi，并且从40°开始出现栅瓣，扫描性能大幅度下降。而该椭球介质透镜在相控阵激励下，利用单元方向图叠加算法优化相控阵幅相，能够实现±45°扫描，无栅瓣，并且增益最高为0°时24.2dBi(天线口径效率51％)，扫描至45°时，增益为20.68dBi。相比于馈电相控阵本身，该相控阵馈电的椭球介质透镜天线通过变换光学和单元方向图叠加算法，实现了增益的大幅度提升，平均提高了7dBi，且波束扫描角范围扩大至45°，可以更好地应用于多波束定向通信系统和宽角扫描通信系统。变换光学(TO)是一种关于通过坐标变换来改变电磁参数的分布，从而达到我们想要实现的电磁场特性。在该椭球介质透镜的设计过程中，本专利技术利用了变换光学来对传统球形龙伯透镜进行压缩并保持一定的天线口径效率(51％)。变换光学的核心思想是基于麦克斯韦方程组在坐标变换下方程组形式的不变性。通过这种不变性，可得到如下的公式：A为雅可比矩阵，是从原始空间到变换空间的转换矩阵，AT为A的转置。在设计椭球介质透镜的过程中，通过以上公式，可以计算得到介电常数的分布，将分布代入优化算法，即可对其余参数进行优化设计，形成最终的轴比为2的椭球透镜介质天线。限制了介电常数的范围值之后，能够避免传统龙伯透镜最外层过低介电常数无法等效的问题，同时在短轴方向上，形成了2倍的压缩，带来了透镜天线的剖面降低，能够更多的应用于低剖面场景。本专利技术采用的单元方向图叠加算法，能够实时模拟出电磁仿真软件中相控阵馈电的椭球介本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，它包括：分5层的椭球透镜，从外到内依次为(1)(2)(3)(4)(5)，介电常数从外到内逐渐增大，最内层(5)为实心椭球，其它层(1)(2)(3)(4)为内部掏空的椭球壳；方形微带贴片天线阵列(6)(7)(8)，天线阵列有9个贴片单元(6)，(7)(8)分别为介质基板和地板，单元间距0.65倍工作波长，采用同轴馈电。

【技术特征摘要】
1.一种基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，它包括：分5层的椭球透镜，从外到内依次为(1)(2)(3)(4)(5)，介电常数从外到内逐渐增大，最内层(5)为实心椭球，其它层(1)(2)(3)(4)为内部掏空的椭球壳；方形微带贴片天线阵列(6)(7)(8)，天线阵列有9个贴片单元(6)，(7)(8)分别为介质基板和地板，单元间距0.65倍工作波长，采用同轴馈电。2.根据权利要求1所述的基于相控阵馈电的宽角扫描椭球介质透镜天线，其特征在于采用了变换光学方法对球形龙伯透镜进行压缩变换，在保持较高天线口径效率的同时降低其剖面，显著提高了...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨仕文，陈晨，刘坤宁，陈益凯，屈世伟，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51