基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线制造技术

本发明专利技术提出一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，主要解决现有龙伯透镜加工成本高，精确度低的问题，以及平面透镜天线增益低及波束扫描效果差的问题。其包括超材料透镜(1)和馈源(2)，且馈源放置在超材料透镜的外表面。该超材料透镜由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞(12)构成，这些晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，每个晶胞由金刚石结构或木块堆积结构的介质柱(121)组成，相邻晶胞的介质柱相互连接，每个晶胞的介质柱半径不同，以实现所需的等效介电常数。本发明专利技术频带宽，增益高，副瓣低，成本低，便于加工制作，能实现360°波束扫描，可用于卫星通信、汽车防撞雷达及微波遥感。

Broadband low sidelobe Longbo lens antenna based on graded index metamaterial

The invention provides a broadband low sidelobe Longbo lens antenna based on gradient index metamaterial, which mainly solves the problems of high processing cost and low accuracy of existing Longbo lens, as well as the problems of low gain of plane lens antenna and poor beam scanning effect. It includes a metamaterial lens (1) and a feed (2), and the feed is placed on the outer surface of the metamaterial lens. The lens is composed of N photonic crystal cells (12) with different equivalent permittivity. These cells are periodically arranged into spheres in space with lattice constant a as the period. Each cell is composed of dielectric columns (121) with diamond structure or wood block stacking structure. The dielectric columns of adjacent cells are connected with each other, and the radius of each cell is different, so as to achieve the required equivalent dielectric constant Number. The invention has the advantages of high frequency bandwidth, high gain, low sidelobe, low cost, convenient processing and manufacturing, can realize 360 \u00b0 beam scanning, and can be used for satellite communication, automobile anti-collision radar and microwave remote sensing.

【技术实现步骤摘要】
基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线
本专利技术属于天线
，具体涉及一种宽频带低副瓣龙伯透镜天线，可用于卫星通信、汽车防撞雷达及微波遥感。
技术介绍
龙伯透镜是一个球形，其由数层从内到外折射率逐渐减小的材料制成，可以发射和接收电磁波。龙伯透镜天线包括透镜和馈源两部分，其具有宽频带，高增益和多波束的特点，可用作广角扫描天线。传统的龙伯透镜是通过将其分成有限数量的同心壳来实现的，从中间开始叠加不同厚度的薄层，每个薄层使用具有不同介电常数的均匀材料制造，然后将所有壳组装在一起。通常采用发泡工艺技术和开孔结构技术来实现不同的介电常数，这两种方法制作工艺难度高，成本高，耗时，且精确度不高。近年来，电磁超材料在电磁领域应用越来越广泛，其作为一种人工材料，即人为制成的周期性排列的单元且具有自然界中材料所不具有的新型性质，可以根据设计过程中的需要做相应的改变和调整，相比传统材料具有很强的灵活性。国内外已经有许多学者采用超材料单元制备龙伯透镜天线，并取得了理想的效果。公开号CN104282999A东南大学的崔铁军教授团队提出了一种基于新型人工电磁材料的变形龙伯透镜，其由15层圆形介质薄层沿径向等间距排列而成，每层上周期分布着“I”型非谐振单元结构，通过调整其臂长尺寸来实现二维龙伯透镜天线所需的折射率分布特点，且设计出的透镜天线在低频时，有效介电常数和磁导率基本不随频率的改变而改变，因此具有较好的宽带特性，且由该结构构成的龙伯透镜具有将球面波在透镜另一侧转变为平面波的特性，但缺点是该透镜天线的增益、效率以及对不同方向来波的电磁响应效果不是很好。然而，目前，电磁超材料的研究主要以二维平面结构居多，所以利用电磁超材料设计的龙伯透镜也主要是二维平面结构。由于平面透镜本身的结构和特性限制，存在难以实现高增益，高效率以及广角波束扫描的不足。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，以解决传统方法工艺难度高，成本高，耗时，精确度不高的问题，以及基于超材料的二维龙伯透镜增益、效率以及对不同方向来波的电磁响应效果不好的问题。本专利技术的技术方案是这样实现的：技术原理光子晶体是一种由不同介电常数介质材料在空间周期性排列形成的人工电磁介质结构体。当光子晶体的单胞尺寸远小于与其作用的波长时呈现出超材料特性，通过改变单胞结构参数可调控其等效电磁性能，实现人工电磁介质的可控设计。本专利技术正是利用光子晶体这种特性通过改变单胞的参数来实现龙伯透镜所需的折射率分布，为设计三维龙伯透镜提供了一种新方法，提高天线的增益和效率，实现多波束扫描。并采用3D打印技术进行复杂的光子晶体结构快速制造，克服传统制造方法存在的问题。根据上述原理，本专利技术基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括:超材料透镜和馈源两部分，馈源放置在超材料透镜的外表面，其特征在于：超材料透镜由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；每个光子晶体晶胞采用按照金刚石结构或木块堆积结构排列的数根长度相等、半径相等的介质柱，相邻光子晶体晶胞的介质柱相互连接，每个光子晶体晶胞的介质柱半径不同，以实现所需的等效介电常数。作为优选，所述超材料透镜正中心位置处的光子晶体晶胞其等效介电常数最大为2，并沿着径向光子晶体晶胞的等效介电常数逐渐减小，直到等效介电常数减小到1。作为优选，所述馈源选择工作在X波段的波导WR-90和工作在Ku波段的波导WR-62，这两个波导同时工作或单独工作，且通过将波导沿着超材料透镜表面移动实现多波束扫描。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1.提高了天线性能对于传统的分层龙伯透镜，由于组装时不可避免层与层之间的空气缝隙，且发泡工艺技术的发泡程度不好掌控，精确度难以保证，这些问题会很大地影响天线的增益及副瓣；对于二维平面龙伯透镜，由于其本身二维超材料单元特性的限制，增益难以达到很高的水平；本专利技术中相邻光子晶体晶胞的介质柱相互连接，形成结构一体化设计，不需要考虑层间间隙问题，而且采用3D打印制作，制作精度能够保证，且三维光子晶体能够实现渐变的梯度折射率分布，所以能够实现较高的增益、和较低的副瓣。2.加工过程简单，成本低。传统的发泡工艺技术和开孔结构技术，加工工艺繁琐复杂，耗时长，成本高，本专利技术采用3D打印机制作，制作过程简单，成本低，节约时间。3.工作频带宽。本专利技术采用的金刚石结构和木块堆积结构的光子晶体晶胞，在X波段8GHz～12GHz和Ku波段12GHz～18GHz有稳定的电磁特性，该透镜在X波段和Ku波段都能实现很高的增益，具有宽频带的优点。4.能实现360°全方位波束扫描特性。对于二维平面龙伯透镜，由于其本身平面结构的限制，只能实现二维平面波束扫描，而且其电磁超材料单元具有各向异性，对不同方向来波的波束汇聚效果不同；本专利技术设计的是三维立体球形结构，且光子晶体晶胞采用的金刚石结构介质柱具有高度对称性，能够实现三维空间全方位的波束扫描。附图说明图1是本专利技术的整体结构图；图2是本专利技术中的光子晶体晶胞示意图；图3是本专利技术中的介质柱半径与晶胞等效介电常数的关系示意图；图4是本专利技术在X波段8GHz～12GHz频率下的增益变化趋势图；图5是本专利技术在Ku波段12GHz～18GHz频率下的增益变化趋势图；图6是本专利技术在10GHz频率下的扫描辐射方向图；图7是本专利技术在15GHz频率下的扫描辐射方向图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术的结构及效果做进一步详细描述。参照图1，本实例基于折射率渐变超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括超材料透镜1和馈源2两部分，馈源2放置在超材料透镜1的外表面。该超材料透镜1由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞12构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；超材料透镜1正中心位置处的光子晶体晶胞12其等效介电常数最大为2，并沿着径向光子晶体晶胞12的等效介电常数逐渐减小，直到等效介电常数减小到1。每个光子晶体晶胞12采用按照金刚石结构或木块堆积结构排列的数根长度相等、半径相等的介质柱121组成，相邻光子晶体晶胞的介质柱121相互连接，每个光子晶体晶胞的介质柱121半径不同，以实现所需的等效介电常数。本实施例取但不限于按照金刚石结构排列的介质柱，其介质柱121的半径确定如下。一.确定晶胞的等效介电常数与其介质柱121半径的对应关系：应用有限元仿真软件ANSYSHFSSv19.0进行参数仿真，仿真模型如图2所示。通过仿真和计算得到预设的不同半径介质柱的光子晶体晶胞的等效介电常数，再通过线性拟合得到晶胞的等效介电常数与其介质柱半径的对应关系。将介质柱半径预设为0.5mm、0.6mm本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括超材料透镜(1)和馈源(2)两部分，馈源(2)放置在超材料透镜(1)的外表面，其特征在于：/n超材料透镜(1)由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞(12)构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中

【技术特征摘要】
1.一种基于梯度折射率超材料的宽频带低副瓣龙伯透镜天线，包括超材料透镜(1)和馈源(2)两部分，馈源(2)放置在超材料透镜(1)的外表面，其特征在于：
超材料透镜(1)由N个不同等效介电常数的光子晶体晶胞(12)构成，这些光子晶体晶胞以晶格常数a为周期在空间周期性地排列成球体，其中R为球体半径；
每个光子晶体晶胞(12)采用按照金刚石结构或木块堆积结构排列的数根长度相等、半径相等的介质柱(121)，相邻光子晶体晶胞的介质柱(121)相互连接，每个光子晶体晶胞的介质柱(121)半径不同，以实现所需的等效介电常数。


2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，超材料透镜(1)正中心位置处的光子晶体晶胞(12)其等效介电常数最大为2，并沿着径向光子晶体晶胞(12)的等效介电常数逐渐减小，直到等效介电常数减小到1。


3.根据权利要求1所述的天线，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁子彬，赵宝丽，张依轩，焦永昌，
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