CN101699659B - 一种透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种透镜天线，包括装有馈源的金属喇叭(4)和透镜(1)；馈源嵌置于金属喇叭(4)直径较小的一端，透镜(1)嵌置于金属喇叭(4)直径较大的一端；透镜(1)包括芯板(2)；芯板(2)是平面介质板，其中一个平面上有若干芯板非谐振基本单元；每个芯板非谐振基本单元内印刷有一个芯板金属方框(5)；芯板非谐振基本单元的面积和芯板金属方框(5)的面积从芯板(2)的中心位置向边缘位置递减。由于芯板(2)是平板状，因而透镜(1)易于制作。另外，透镜(1)还包括匹配板(3)。匹配板(3)位于芯板(2)的两侧。它可以减少电磁波在透镜(1)和空气交界面上反射。

Description

一种透镜天线

技术领域

本发明涉及一种透镜天线，应用在微波中继通信、卫星通信等通信***中接收和发送信息。

背景技术

目前，常用的透镜天线中的透镜都带有弧形曲面。例如，申请号为97104401.5，名称为改进介质透镜减少内反射波干扰的透镜天线的专利文件，公开了一种透镜天线，包括一个锥形辐射器和一个装接在辐射器开口上的透镜，透镜在第一侧面有一面对自由空间的平面表面，而在相对于第一侧面的第二侧面有一旋转双曲面。申请号为200710140739.2，名称为一种无线电波透镜天线装置的专利文件，公开了一种透镜天线，包括有电介质形成的半球形龙伯透镜、设在该透镜的球的半球断面且比透镜直径尺寸大的反射板和由夹持器支撑的设在透镜焦点部的天线元件一体化地组合，而且，相对设置部设有安装部，与地面几乎垂直地将反射板安装在设置部。申请号为200480008809.3，名称为一种无线电波透镜天线设备的专利文件，公开了一种透镜天线，包括由电介质制成的半球形龙伯透镜，尺寸大于所述透镜直径的反射板，该反射板设置于平分球体的剖面上，该球体的一半为半球体；布置于所述透镜的焦点处的主馈源，以及用于固定所述主馈源的臂。在检索到的上述文献中，透镜天线中的透镜都是带有弧形曲面。这种透镜，对曲面精度要求很高，因此加工难度大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种透镜天线，使透镜制作更加简易。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种透镜天线，包括装有馈源的金属喇叭和透镜；该馈源嵌置于金属喇叭直径较小的一端，该透镜嵌置于金属喇叭直径较大的一端，所述的透镜包括芯板；该芯板是平面介质板，其中一个平面上有若干芯板非谐振基本单元；每个芯板非谐振基本单元内印刷有一个芯板金属方框；该芯板非谐振基本单元的面积和芯板金属方框的面积从芯板的中心位置向边缘位置递减。

所述芯板的两个平面上都有相互对应的若干芯板非谐振基本单元和芯板金属方框。

所述的芯板数量至少是两块；相邻芯板之间固定连接，其印刷有芯板金属方框的平面朝向相同，并且相邻芯板之间留有空隙。

所述的空隙是2毫米至4毫米。

所述的空隙填充有泡沫。

所述的透镜还包括匹配板，该匹配板是平面介质板，其中一个平面上有若干匹配板非谐振基本单元；每个匹配板非谐振基本单元内印刷有一个匹配板金属方框；该匹配板非谐振基本单元的面积和匹配板金属方框的面积从匹配板的中心位置向边缘位置递减；该匹配板至少两块，分别位于整个芯板的两侧，匹配板上印刷有匹配板金属方框的平面和芯板上印刷有芯板金属方框的平面相匹配；相邻匹配板和芯板之间固定连接，并且留有空隙；在芯板和匹配板相互对应的位置上，芯板金属方框和匹配板金属方框错位布置。

采用本发明的透镜天线的技术方案，具有以下有益效果：

1、本发明的透镜天线制作简单，便于大规模制造。本发明是由人工电磁材料基本单元按一定的规律排列，构成折射率渐变的透镜天线，其采用的工艺为印刷电路板工艺。此透镜由若干层印刷电路板按固定间距固定在泡沫中，比聚苯乙烯介质透镜等传统透镜重量明显较小。此透镜天线为多层平面印刷电路板结构，比传统介质透镜的曲面结构，易于大规模制造、安装。

2、本发明的透镜天线具有设计灵活的优点。本透镜由人工电磁材料制作而成，通过调整其上基本单元尺寸，可以任意调节人工等效媒质的折射率和特性阻抗，实现透镜天线在设计上的灵活性。

3、本发明具有阻抗匹配的特点。在透镜两侧设置匹配板，以减少电磁波在透镜和空气交界面上，由于阻抗失配而引起的反射。匹配板明显减小了天线馈源的回波损耗。

4、本发明具有宽频带的特点。由于使用人工电磁材料基本结构为非谐振基本单元，在设计的X波段，即8GHz至12GHz内，由该基本单元构成的人工等效媒质的电磁特性对频率的响应不敏感，所以本发明具有宽频带特性。

附图说明

图1是本发明一种透镜天线的结构示意图。

图2是本发明一种透镜天线的剖面图。

图3是本发明中的芯板的结构示意图。

图4是本发明中的芯板中的一个非谐振基本单元的结构示意图。

图5是本发明中的匹配板的结构示意图。

图6a为本发明的透镜中的非谐振基本单元的相对介电常数随其边长变化的分布规律图，其中工作频率是10GHz，d是非谐振基本单元的边长。

图6b为本发明的透镜中的非谐振基本单元的相对磁导率随其边长变化的分布规律图，其中工作频率是10GHz，d是非谐振基本单元的边长。

图6c为本发明的透镜中的非谐振基本单元的相对波阻抗随其边长变化的分布规律图，其中工作频率是10GHz，d是非谐振基本单元的边长。

图6d为本发明的透镜中的非谐振基本单元的折射率随其边长变化的分布规律图，其中工作频率是10GHz，d是非谐振基本单元的边长。

图7为本发明的透镜天线的实测回波损耗图。

图8a为本发明的透镜天线的实测天线远场E面方向图，其中四条曲线的工作频率分别为8.2GHz、9.8GHz、10.6GHz、12.2GHz。

图8b为本发明的透镜天线的实测天线远场H面方向图，其中四条曲线的工作频率分别为8.2GHz、9.8GHz、10.6GHz、12.2GHz。

图中，1、透镜；2、芯板；3、匹配板；4、金属喇叭；5、芯板金属方框；6、匹配板金属方框。

具体实施方式

如图1和图2所示，本发明的一种透镜天线，包括装有馈源的金属喇叭4和透镜1，该馈源嵌置于金属喇叭4直径较小的一端，透镜1嵌置于金属喇叭4直径较大的一端。透镜1由人工电磁材料制成。透镜1可以仅包括芯板2。芯板2是平面介质板。因为透镜1采用平板状，没有弧形曲面，因此透镜1便于制造加工，其制造精度也便于操控。

如图3和图4所示，芯板2上含有若干芯板非谐振基本单元。该芯板非谐振基本单元既可以位于芯板2远离馈源的平面上，也可以位于芯板2靠近馈源的平面上，还可以同时位于芯板2的两个平面上。该芯板非谐振基本单元呈方形，中间印刷有一个芯板金属方框5。芯板非谐振基本单元的面积从芯板2的中心位置向边缘位置递减，芯板金属方框5的面积也相应的从芯板2的中心位置向边缘位置递减。当芯板2的两个平面上都有芯板非谐振基本单元时，芯板非谐振基本单元是相互对应的，芯板非谐振基本单元中的芯板金属方框5也是相互对应的。这样，芯板2上含有一系列面积不同的芯板非谐振基本单元，和一系列面积不同的芯板金属方框5。这些面积不同的芯板非谐振基本单元和芯板金属方框5，保证了透镜1的折射率按照一定的规律分布。

芯板2的数量至少是一块。因为一块芯板2厚度有限，所以为达到设计要求，可以同时使用多块芯板2。当采用多块芯板2的时候，各芯板2上的芯板非谐振基本单元相互对应，并且其上的芯板金属方框5也相互对应。同时，当使用多块芯板2时，芯板2上印刷有芯板金属框5的平面朝向相同，都是远离馈源的一面，或者都是靠近馈源的一面。对于双面都印刷芯板金属框5的芯板2，其任何安装方式，朝向皆满足要求。这样，每块芯板2都有相同的折射率分布规律。当采用多块芯板2时，相邻芯板2之间固定连接，并且相邻芯板2之间留有空隙。相邻芯板2间应该保留2毫米至4毫米的空隙。为保证空隙固定不变，相邻芯板2之间可以填充泡沫。这样，由于泡沫的存在，相邻芯板2之间就不会接触。

为了减小电磁波在透镜1表面反射，提高天线效率，透镜1还包括匹配板3。如图5所示，该匹配板3的结构与芯板2的结构相同，都是平面介质板，含有匹配板非谐振基本单元。该匹配板非谐振基本单元既可以位于匹配板3远离馈源的平面上，也可以位于匹配板3靠近馈源的平面上，还可以同时位于匹配板3的两个平面上。该匹配板非谐振基本单元呈方形，中间印刷有匹配板金属方框6。匹配板3上的匹配板非谐振基本单元的面积从匹配板3的中心位置向边缘位置递减。相应的，匹配板金属方框6面积也从匹配板3的中心位置向边缘位置递减。

由于芯板2和匹配版3的参数不一样，所以在芯板2和匹配板3相互对应的位置上，芯板2上的芯板非谐振基本单元的对称中心和匹配板3上的匹配板非谐振基本单元的对称中心不在同一条直线上，即芯板2上的芯板非谐振基本单元和匹配板3上的匹配板非谐振基本单元错位布置。相应的，匹配板金属方框6的对称中心和芯板金属框5的对称中心也不在同一条直线上，即芯板金属方框5和匹配板金属方框6错位布置。

该匹配板3布置在整个芯板2的两侧，可以各布置1块，也可以各布置多块。当布置多块匹配板3的时候，所有匹配板3上的匹配板非谐振基本单元相互对应，并且其上的匹配板金属方框6也相互对应。这样，每块匹配板3都有相同的折射率分布规律。匹配板3上印刷有匹配板金属方框6的平面和芯板2上印刷有芯板金属方框5的平面朝向相同。当其两面都印刷金属方框的时候，该匹配板或者芯板的朝向皆满足匹配要求。也就是说，匹配板3上印刷有匹配板金属方框6的平面和芯板2上印刷有芯板金属方框5的平面相匹配；

匹配板3的布置，以在整个芯板2两侧对称布置两块为佳。相邻匹配板3之间，以及相邻匹配板3和芯板2之间固定连接，并且留有空隙。当然，此空隙中可以填充泡沫，以避免相邻匹配板3之间接触，或者相邻匹配板3和芯板2之间接触。

芯板2和匹配板3的边缘轮廓根据与其匹配的金属喇叭形状而定，可以是圆形，也可以是矩形。通常，金属喇叭4两端是空心圆柱，中间是过渡空心圆台。透镜1镶嵌直径较大的空心圆柱内，所以直径较大的空心圆柱内径与透镜1直径相等。在这种结构的金属喇叭4中，芯板2和匹配板3呈圆形。采用这种结构的透镜天线，芯板2的折射率n_core函数n_core(r)为

$n_{\mathrm{core}}\left(r\right)=\frac{8}{25}+\frac{9}{5}n\left(r\right)-\frac{4}{25}\sqrt{4+45n\left(r\right)},$ 公式1

匹配板3的折射率n_IML的函数n_IML(r)为

$n_{\mathrm{IML}}\left(r\right)=\sqrt{n_{\mathrm{core}}\left(r\right)},$ 公式2

其中，n(r)为不考虑匹配层时的整个透镜的折射率分布函数：

$n\left(r\right)=n_0-\frac{\sqrt{(r^2+S^2)}-S}{T},$ 公式3

R为圆柱形透镜的半径；S为圆柱形透镜的焦距；T为圆柱形透镜的厚度；r为圆柱形透镜上任意一点到圆柱轴心的距离，0≤r≤R；n₀是不考虑匹配层时，透镜圆心处的折射率，即r＝0时的折射率，为常数，一般，1.5≤n₀≤2.5；n_IML(r)，n_core(r)是考虑匹配层之后，整个透镜折射率分布函数。

图6a至图6d表示，当芯板2或者匹配板3上的非谐振基本单元边长由边缘位置的0.6mm变化到中心位置的2.7mm时，非谐振基本单元相关性能参数的变化。其中，实线是实部，虚线是虚部。当虚部很小的时候，损耗就很小，可以忽略不计。一般无损耗情况下，所指非谐振基本单元的性能参数数值就是实部。图6a所示，非谐振基本单元等效介电常数由1.6变到6.0；图6b所示，等效磁导率由1变化到0.85；图6c所示，特性阻抗由0.85变化到0.4；图6d所示，折射率由1.15变化到2.25。由此可见，用该非谐振基本单元实现的折射率符合公式1、2、3的分布。

如图7所示，本发明在透镜1两侧增加匹配板3，减小了电磁波在透镜1与空气间的反射，使回波损耗S11在8GHz至12GHz频段内保持-13dB以下。这保证了天线拥有40％的阻抗带宽。

如图8a和图8b所示，在本发明的透镜天线的实测天线远场E面方向图和H面方向图中，在8.2GHz至12.2GHz的频带内，副瓣在E面保持在-17dB以下，在H面保持在-24dB以下，天线在整个X波段上保持低副瓣。同时，随着频率增高，天线等效口径面相对变大，半功率波瓣宽度变窄，天线在整个X波段上保持高定向性。由此可见，天线远场性能优良，完全可用于卫星通信或微波中继通信等通信***中。

Claims (9)

1.一种透镜天线，包括装有馈源的金属喇叭(4)和透镜(1)；该馈源嵌置于金属喇叭(4)直径较小的一端，该透镜(1)嵌置于金属喇叭(4)直径较大的一端，其特征在于，所述的透镜(1)包括芯板(2)；该芯板(2)是平面介质板，其中一个平面上有若干芯板非谐振基本单元；每个芯板非谐振基本单元内印刷有一个芯板金属方框(5)；该芯板非谐振基本单元的面积和芯板金属方框(5)的面积从芯板(2)的中心位置向边缘位置递减。

2.按照权利要求1所述的透镜天线，其特征在于，所述芯板(2)的两个平面上都有相互对应的若干芯板非谐振基本单元和芯板金属方框(5)。

3.按照权利要求1或2所述的透镜天线，其特征在于，所述的芯板(2)数量至少是两块；相邻芯板(2)之间固定连接，其印刷有芯板金属方框(5)的平面朝向相同，并且相邻芯板(2)之间留有空隙。

4.按照权利要求3所述的透镜天线，其特征在于，所述的空隙是2毫米至4毫米。

5.按照权利要求4所述的透镜天线，其特征在于，所述的空隙填充有泡沫。

6.按照权利要求5所述的透镜天线，其特征在于，所述的透镜(1)还包括匹配板(3)，该匹配板(3)是平面介质板，其中一个平面上有若干匹配板非谐振基本单元；每个匹配板非谐振基本单元内印刷有一个匹配板金属方框(6)；该匹配板非谐振基本单元的面积和匹配板金属方框(6)的面积从匹配板(3)的中心位置向边缘位置递减；该匹配板(3)至少两块，分别位于整个芯板(2)的两侧，匹配板(3)上印刷有匹配板金属方框(6)的平面和芯板(2)上印刷有芯板金属方框(5)的平面相匹配；相邻匹配板(3)和芯板(2)之间固定连接，并且留有空隙；在芯板(2)和匹配板(3)相互对应的位置上，芯板金属方框(5)和匹配板金属方框(6)错位布置。

7.按照权利要求6所述的透镜天线，其特征在于，所述的匹配板(3)两个平面上都有相互对应的匹配板非谐振基本单元和匹配板金属方框(6)。

8.按照权利要求6所述的透镜天线，其特征在于，所述的匹配板(3)有四块，分别对称布置在整个芯板(2)的两侧，并且相邻匹配板(3)之间填充有泡沫，相邻匹配板(3)和芯板(2)之间填充有泡沫。

9.按照权利要求7所述的透镜天线，其特征在于，所述的匹配板(3)有四块，分别对称布置在整个芯板(2)的两侧，并且相邻匹配板(3)之间填充有泡沫，相邻匹配板(3)和芯板(2)之间填充有泡沫。

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