新型轴向压缩二维平面透镜天线制造技术

本实用新型专利技术在此提供一种新型轴向压缩二维平面透镜天线，其特征在于：整个透镜天线分为四个部分：第一部分，由960个高阻表面单元组成的平面透镜及两端的金属块，透镜两端的金属块简化成了金属薄片与第三部分反射背板相接；第二部分，由SMA接头内导体伸出形成的单极子天线；第三部分：反射背板；第四部分就是平行平板波导。本专利用高阻表面单元实现了轴向压缩平面透镜；为了使电磁能量集中从透镜处辐射，从而更好地利用透镜的汇聚效应提高辐射增益，又恰如其分地给透镜添加了金属上下盖板和围挡(不正确地添加盖板和围挡会恶化天线性能)，从而实现了高性能轴向压缩平面透镜天线。

A New Axially Compressed Two-Dimensional Planar Lens Antenna

The utility model provides a novel axial compression two-dimensional planar lens antenna, which is characterized in that the whole lens antenna is divided into four parts: the first part is a planar lens consisting of 960 high resistance surface units and metal blocks at both ends of the lens, which are simplified into metal sheets connected with the reflection backplane of the third part; the second part is extended by conductors in SMA joints. Formed monopole antenna; Part III: reflective backplane; Part IV is parallel planar waveguide. In this patent, an axially compressed planar lens is realized with a high resistive surface element; in order to concentrate electromagnetic energy to radiate from the lens, thereby making better use of the convergence effect of the lens to improve the radiation gain, a metal upper and lower cover plate and a fence are added to the lens appropriately (incorrectly adding the cover plate and fence will deteriorate the performance of the antenna), thus achieving a high performance axially compressed planar lens. Antenna.

【技术实现步骤摘要】
新型轴向压缩二维平面透镜天线
本技术涉及一种天线，具体来讲是一种新型轴向压缩二维平面透镜天线。
技术介绍
高阻表面对表面波辐射控制的主要应用领域就是二维透镜天线。因为透镜的形状是通常无法改变的，所以二维透镜天线的小型化通常只能降低其剖面高度。本技术另辟蹊径，用推广的离散坐标变换电磁学来压缩平面透镜，再用高阻表面单元来实现压缩透镜的折射率分布，从而实现新型轴向压缩平面透镜天线。目前，要真正实现以上要求，还有如下两个重要问题需要解决：其一，需要将离散坐标变换电磁学由真空推导至连续介质；其二，设计出阻值符合要求的高阻表面单元。
技术实现思路
因此，为了解决上述不足，本技术在此提供一种新型轴向压缩二维平面透镜天线；本专利用高阻表面单元实现了轴向压缩平面透镜；为了使电磁能量集中从透镜处辐射，从而更好地利用透镜的汇聚效应提高辐射增益，又恰如其分地给透镜添加了金属上下盖板和围挡(不正确地添加盖板和围挡会恶化天线性能)，从而实现了高性能轴向压缩平面透镜天线。本技术将首先给出离散坐标变换电磁学的理论推广；再设计出阻值符合理论要求的高阻表面单元；然后通过HFSS15.0软件进行全波仿真验证；最后对天线的其他部件进行设计并给出天线最终的详细结构、全波仿真和实测结果。本技术是这样实现的，构造一种新型轴向压缩二维平面透镜天线，其特征在于：整个透镜天线分为四个部分：第一部分，由960个高阻表面单元组成的平面透镜及两端的金属块，透镜两端的金属块简化成了金属薄片与第三部分反射背板相接；第二部分，由SMA接头内导体伸出形成的单极子天线，内导体半径为r_a＝0.65mm，通过大量扫参确定伸出长度为h_a＝8mm左右，单极子天线位于平面透镜焦点处，由于凸透镜变换成平面透镜后会导致焦点有些许位移，所以要扫参确定，最终确定的焦距为L＝128.5mm；第三部分：反射背板，这一部分由两部分构成，一部分是单极子天线周围的半圆围挡，距离单极子距离为1/4波长，第二部分是连接半圆围挡到金属薄片之间的金属壁，反射背板的高度即是平行平板波导的净高h＝15mm；第四部分就是平行平板波导，由上、下两块金属底板形成平行平板波导，下金属底板具有矩形缺口，用于镶嵌平面透镜；下金属底板厚度等于介质板厚度d_s＝2.54mm，上金属底板净高为h＝15mm；信号在SMA接头处以波导端口方式馈入。本技术具有如下优点：本专利用高阻表面单元实现压缩平面透镜，实现了透镜的轻薄化；又将压缩平面透镜用于二维透镜天线设计，实现二维透镜天线的轴向小型化。另外，仿真及实测结果表明：有平面透镜时，其方向性系数从8.5dBi增加到11.5dBi(仿真值)，半功率波束宽度(HPBW)从37°下降为16.5°，充分证明平面透镜起到了相应的相位调整作用。对辐射方向图进行了实测：H面和E面的辐射方向图仿真和实测合得较好，实测阻抗带宽约260MHz，尺寸为4.35λ*4λ*0.375λ。本工作将高阻表面和推广的离散变换电磁学相结合，实现了二维透镜天线轴向压缩。这是一个全新的方法，同时也对其他二维透镜天线小型化方案有较强的启发意义。附图说明图1透镜折射率分布规律示意图(a龙伯透镜；b鱼眼透镜；c厚凸透镜)；图2透镜参数及网格剖分示意图(a厚凸透镜参数及网格剖分；b平面透镜参数及网格剖分)；图3网格相关参量角标对应关系示意图；图4对应图2(a)网格的FWHM示意图；图5二维凸透镜及平面透镜仿真模型示意图(a二维凸透镜；b二维平面透镜)；图6Ez的相位分布图示意图(a原始凸透镜；b变换后的平面透镜)；图7两种正方形阻抗单元示意图(a不开槽单元顶视图；b不开槽单元侧视图；c顶部开槽单元顶视图；d顶部开槽单元侧视图)；图8低解析度平面透镜仿真模型，高低解析度平面透镜仿真结果对比示意图(a低解析度仿真模型；b低解析度仿真结果(Ez相位分布)；c高解析度仿真结果(Ez相位分布))。图9-图12是本技术平面透镜天线整体外部示意图；图13-图14是平面透镜天线内部示意图；图15是960个高阻表面单元组成的平面透镜示意图(这整个图都是平面透镜(顶视图)，由960个单元(正方形格子)组成)；图16Ez相位分布对比示意图；图17方向性系数示意图；图18带精细结构S11仿真和实测对比示意图；图19H面辐射方向图；图20E面辐射方向图。其中：平面透镜1，金属块2，SMA接头内导体3，半圆围挡4，金属壁5，下金属底板6，上金属底板7，矩形缺口8，单极子天线内导体伸出孔9，SMA接头安装螺丝孔10(共4个)，组装螺丝孔11(共16个)，测试安装孔12(共2个)。具体实施方式下面将结合附图对本技术进行详细说明，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。首先给出离散坐标变换电磁学理论扩展：针对平面透镜天线而言，大多采用龙伯透镜、鱼眼透镜或者其他透镜(如凸透镜、凹透镜等)，这些透镜的折射率通常只和坐标相关，即是坐标的函数。虽然可能在不同位置具有不同的相对介电常数和相对磁导率，但它们属于各向同性材料，如图1所示(图1透镜折射率分布规律。(a)龙伯透镜；(b)鱼眼透镜；(c)厚凸透镜)。我们可以假设这些透镜的介电常数张量和磁导率张量为I是单位张量，εr(x，y，z)和μr(x，y，z)都是坐标的函数。我们只考虑二维的情况(即xy平面的情况)，经过严密的数学推导后可得：(3)式要求每一个网格的ΔxΔy都尽量正交，而且该式对于渐变折射率和均匀折射率等各种情况均适用。在使用该式前，应将虚拟空间进行网格剖分，然后将网格中心点处对应的折射率带入公式(3)进行相应计算。然后给出该理论的应用实例，并证明该理论的正确性：我们选择图1(c)所示厚凸透镜来进行计算和仿真，因为本技术的平面透镜正是由该厚透镜压缩而来。下面将该厚凸透镜重新绘制，如图2(a)所示。厚凸透镜相对介电常数εr＝3，相对磁导率μr＝1，口径宽度为160mm，中心厚度为45.6mm，边沿厚度为23.8mm，焦距为L＝130mm，中心频率为fc＝7.5GHz，透镜参数来源于文献(W.X.Tang,C.Argyropoulos,E.Kallos,W.Song,andY.Hao,“DiscreteCoordinateTransformationforDesigningAll-DielectricFlatAntennas[J]”,IEEETrans.AntennasPropagat.,Dec.2010,58(12):3795-3804)。A)网格剖分：网格剖分的质量好坏，将直接影响后面的计算结果精确程度。网格剖分有两个重要问题需要注意：其一，是网格正交性。对非矩形区域，无法保证区域内每一个网格的Δx与Δy之间完全正交。对网格正交性的衡量我们这里采用汤文轩提出的FWHM指标，虽然她在论文中没有指出FWHM在什么范围内有效，但FWHM越小越好是肯定的。其二，就是网格的大小。根据采样定理，采样频率是信号最高频率的两倍以上就能完全重现原信号。网格剖分可以理解为空间本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种新型轴向压缩二维平面透镜天线，其特征在于：整个透镜天线分为四个部分：第一部分，由960个高阻表面单元组成的平面透镜(1)及两端的金属块(2)，透镜两端的金属块(2)简化成了金属薄片与第三部分反射背板相接；第二部分，由SMA接头内导体(3)伸出形成的单极子天线，内导体半径为r_a＝0.65mm，通过大量扫参确定伸出长度为h_a＝8mm左右，单极子天线位于平面透镜焦点处，由于凸透镜变换成平面透镜后会导致焦点有些许位移，所以要扫参确定，最终确定的焦距为L＝128.5mm；第三部分：反射背板，这一部分由两部分构成，一部分是单极子天线周围的半圆围挡(4)，距离单极子距离为1/4λ，第二部分是连接半圆围挡到金属薄片之间的金属壁(5)，反射背板的高度即是平行平板波导的净高h＝15mm；第四部分就是平行平板波导，由上、下两块金属底板形成平行平板波导，下金属底板(6)具有矩形缺口(8)，用于镶嵌平面透镜(1)；下金属底板(6)厚度等于介质板厚度d_s＝2.54mm，上金属底板(7)净高为h＝15mm；信号在SMA接头处以波导端口方式馈入。

【技术特征摘要】
1.一种新型轴向压缩二维平面透镜天线，其特征在于：整个透镜天线分为四个部分：第一部分，由960个高阻表面单元组成的平面透镜(1)及两端的金属块(2)，透镜两端的金属块(2)简化成了金属薄片与第三部分反射背板相接；第二部分，由SMA接头内导体(3)伸出形成的单极子天线，内导体半径为r_a＝0.65mm，通过大量扫参确定伸出长度为h_a＝8mm左右，单极子天线位于平面透镜焦点处，由于凸透镜变换成平面透镜后会导致焦点有些许位移，所以要扫参确定，最终确定的焦距为L＝128....

【专利技术属性】
技术研发人员：周永宏，洪涛，冯攀，陈星，唐正明，
申请(专利权)人：西华师范大学，
类型：新型
国别省市：四川,51