一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线制造技术

本发明专利技术公开了一种应用于多波束定向通信及波束扫描的基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线。它的基本结构包括若干个开口脊波导天线组成的线性馈源阵及互相平行的上下金属板。该透镜天线是利用空气填充、金属板内侧加载金属圆柱或刻蚀不同等高面的方法，实现了透镜变换形状后所需的等效介电常数分布，解决了在设计工作于5G毫米波频段的介质龙伯透镜天线的过程中遇到的一系列的设计和工程应用问题，有助于透镜天线更好的应用于多波束定向通信和波束扫描的使用场景和相应的市场需求。基于本发明专利技术的基本结构，合理改变天线形状、天线尺寸、馈源形式，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】
一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线本专利技术属于天线
，涉及到全金属透镜天线，具体来说是用于多波束定向通信及波束快速电扫描的基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，尤其适用于工作在5G毫米波频段和宽角度波束扫描的使用场景。
技术介绍
近年来，随着5G通信系统的快速发展，用于毫米波频段的多波束天线备受人们的关注。多波束天线具备高增益和宽角波束扫描等特性，可有效解决电磁波在毫米波频段的空间覆盖范围小和空间损耗大的缺点。本专利技术正是基于上述需求，设计了基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线。传统的多波束天线多采用相控阵的形式，天线性能较为稳定，波束扫描控制很方便，但是传统的相控阵天线需要较为庞大复杂的馈电网络，需要大量的T/R组件，使其成本过高，并且在某些极端条件下的应用，例如潮湿、盐雾、高温等等环境中，在使用过程中极易造成损毁，维护起来也不方便，从而极大的降低它的使用寿命，造成性价比不高。多波束反射面天线组成结构简单，但是其口径较大，抗风抗雨性能差、波束覆盖范围有自己局限性，同时馈源对天线存在遮挡，降低了天线的效率。此外反射面天线的波束扫描多采用机械方式，由于反射面的体积较大，重量较重，这就使得波束扫描的速度也较慢，整体结构笨重。光学成像和聚焦领域的透镜将不同形式发散的能量转变成平面波这一特性则极大地丰富了多波束天线的设计，透镜天线的低成本、宽频带、宽角度范围内多波束扫描且馈电网络简单等特性，倍受人们的青睐。龙伯透镜天线是一种具有旋转对称结构的介质透镜天线，透镜表面的每一个点都可视为焦点。只要在透镜表面安放多个馈源，便可实现宽角范围内的多波束覆盖，且波束一致性好。透镜主体多由防潮抗酸耐腐蚀的介质材料构成，对周围环境的适应力强；并且透镜材料的介电常数对频率变化不敏感，工作频带取决于馈源的频带，可适用于大容量的宽带通信系统中。例如2002年BernhardSchoenlinner等人在IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques中发表的题为“Wide-ScanSpherical-LensAntennasforAutomotiveRadars”的文章中，采用射线光学的方法设计了一个高增益且±90°覆盖的球透镜天线，但是该天线相对其工作频段而言显得体积庞大不够紧凑，并且其弧面的馈源摆布方式也降低了天线的集成度。再者，现阶段大多数透镜天线所采用的透镜材料为纯介质和超材料，如吴锡东等人在专利CN102122762中提出一种毫米波360°全向扫描介质柱透镜天线，该天线采用均匀介质柱作为透镜，故天线口径效率低。超材料透镜天线的提出丰富了透镜的实现形式，然而超材料所固有的高损耗、窄频带等缺点严重限制了其实际应用。尤其是在毫米波频段，介质损耗和超材料的损耗的影响更加显著。为提高透镜天线的整体效率，选择合适的透镜材料是最直接的有效措施。近年来，空气填充透镜或全金属周期结构被提出用于透镜天线在毫米波频段的研究。例如：2002年，Young-JinPark在IEEEAntennaandWirelessPropagationLetters发表题为“AngularIndependencyofaParallel-PlateLuneburgLensWithHexagonalLatticeandCircularMetalPosts”中，通过在平行板波导之间加载不同尺寸和高度的金属柱或槽以实现不同的折射率，但是存在带宽较窄的问题。2016年，OscarQuevedo-Teruel在IEEEAntennaandWirelessPropagationLetters发表题为“UltrawidebandMetasurfaceLensesBasedonOff-ShiftedOppositeLayers”中，提出了基于空气填充的滑动对称周期结构的全金属龙伯透镜天线，通过数值仿真证明了该结构能在很宽的频带内保持较小的色散性，从而大大提高了工作带宽。2018年，该团队再次发表“Glide-SymmetricFullyMetallicLuneburgLensfor5GCommunicationsatKa-Band”，在保证透镜天线性能优异的同时，进一步简化了透镜天线的结构和工程实现难度，并通过实验验证了其可行性。2019年，HongdaLu在IEEETransactionsonAntennasandPropagation发表题为“CompactAir-FilledLuneburgLensAntennasBasedonAlmost-ParallelPlateWaveguideLoadedWithEqual-SizedMetallicPosts”中，基于在平行板波导之间加载相同尺寸的金属柱，提出了一种小型化、低成本和高效率的空气填充的龙伯透镜和对应的龙伯反射器透镜，其覆盖Ka波段的工作带宽和多波束扫描特性可应用于相应的多波束覆盖场景。然而，上述用于毫米波频段的全金属龙伯透镜天线均维持了传统龙伯透镜的原有型态和体积而不利于集成，一定程度上限制了其在5G通信系统中的应用。将变换光学运用于透镜天线的设计则可以有效地解决传统龙伯透镜天线的形态和集成度问题。随着各种新型透镜天线的提出，在既保留了传统龙伯透镜天线原有优异性能的同时，又有效缩减了透镜天线的体积和剖面。2014年，CarolinaMateo-Segura等人在IEEETransactionsonAntennasandPropagation中发表的题为“FlatLuneburgLensviaTransformationOpticsforDirectiveAntennaApplications”的文章中，利用变换光学将球龙伯透镜压缩为平板龙伯透镜，既保留了龙伯透镜固有的优良聚焦特性，又有效降低了天线的剖面，通过切换波束扫描到±34°，但是该天线的中心工作频率在10GHz且透镜为纯介质材料，推广至毫米波频段的实用性有待商榷。2019年，Y.Su等人在IEEETransactionsonAntennasandPropagation中发表的题为“ARadialTransformation-OpticsMappingforFlatUltra-Wide-AngleDual-PolarizedStackedGRINMTMLuneburgLensAntenna”的文章中，利用多层PCB板工艺和超材料技术，实现了一种双极化平板龙伯透镜天线，然而该天线的中心工作频率仍在10GHz且口径效率较低。与以前公开的专利技术专利和论文相比，本专利技术的基于准保角变换光学的全金属透镜天线主要针对介质透镜天线在5G毫米波频段损耗较高，全金属龙伯透镜的天线形态、体积较大与系统集成度较低的问题，在空气填充的全金属龙伯透镜的基础上，采用准保角变换光学对透镜形状进行变形，在有效缩小透镜天线体积的同时，保持了原有传统龙伯透镜天线高口径效率和宽角度扫描的特性。本专利技术结构简单，加工工艺成熟、稳定、成本低，非常适用于毫米波频段且透镜剖面非常受限制的需求场景。
技术实现思路
本专利技术鉴于上述技术背景及要求，提出了基于准保角变换光学的全金属多本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其基本结构包括金属平行板上层(1)、金属平行板下层(2)和1×15开口瘠波导线阵馈源(3)；其中金属平行板上层(1)的内侧包含代表透镜介电常数分层的等高金属面(4)，金属平行板下层(2)的内侧加载了周期性排布的等尺寸独立金属圆柱(5)，金属平行板上层(1)和金属平行板下层(2)通过金属螺钉装配连接成一个整体。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其基本结构包括金属平行板上层(1)、金属平行板下层(2)和1×15开口瘠波导线阵馈源(3)；其中金属平行板上层(1)的内侧包含代表透镜介电常数分层的等高金属面(4)，金属平行板下层(2)的内侧加载了周期性排布的等尺寸独立金属圆柱(5)，金属平行板上层(1)和金属平行板下层(2)通过金属螺钉装配连接成一个整体。


2.根据权利要求1所述的一种基于准保角变换光学的全金属多波束透镜天线，其特征在于结合准保角变换光学原理和全金属透镜结构，实现了天线低剖面、小型化、高口径效率和宽角扫描特性，同时在金...

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