CN110890629B - 一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线，实现了方位面126°的波束扫描和俯仰面大于60°的宽波束。它的基本结构包括金属平行板上层、金属平行板下层、18个微带馈源天线组成的弧形阵、用于固定金属平行板上层和金属平行板下层的金属螺钉，其中金属平行板上层进行了开槽处理，金属平行板下层的对应位置进行了加脊处理且在馈源阵列处添加了金属固定结构增加了整体强度，利用该方案所设计出的透镜天线实现了平行板波导间的TEM模式的单模传输，其剖面高度可以限制在半波长及以下，故拥有低剖面、造价成本低廉、体积小、易于集成和方便工程实现的优点，尤其适用于毫米波频段以及需要轴向组阵的应用场景。

Description

一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线

技术领域

本发明涉及到一种属于天线工程技术领域的透镜天线，具体来说是一种用于多波束定向通信的低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线，尤其适用于工作在车载、机载、舰载、基站及小站等多种应用场景，且天线造价成本低廉、体积小、易于集成以及结构强度高。

背景技术

随着卫星通信、电子对抗及目标追踪等技术领域对多波束通信天线的需求越来越广，相应地对多波束通信天线本身的电性能要求也越来越高，在满足高增益、窄波束、低副瓣、波束覆盖范围广等要求的同时还需要兼顾造价成本、应用环境普适性等需要，尤其是在毫米波频段，介质透镜天线的介质损耗过大和加工工艺的造价成本高昂很难普遍应用。本发明基于上述应用需求，设计出了一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线。

传统的多波束柱面透镜天线大多采用金属平行板之间加载各种各样的介质材料来实现柱面透镜天线制作。D L.Runyon等人在美国专利US 5677796中详细介绍了一种利用二次曲线形的特殊钻头沿介质透镜的半径方向开渐变锥形孔的方法，从而设计出满足龙伯透镜介电常数渐变规律的龙伯透镜，该方法不仅加工难度大且需考虑材料的机械强度，成本较高，并且对龙伯透镜整体组装的强度不加以考虑，很难实用于工程中。吴锡东等人在专利CN 102176538中提出一种多波束介质柱透镜天线，该天线虽然在平行板之间填充了一定强度的介质柱以支撑平行板，但是金属平行板与非金属介质两者之间即使采用高强度粘胶也很难实现完全稳固，在车载、舰载等高振动工作场景下，平行板与介质柱透镜会因为来自水平方向上的受力不均导致二者发生一定程度的错位，从而严重影响天线工作性能。此外，过多使用高强度粘胶也会降低天线电参数性能。吴锡东等人在专利CN 102122762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，其天线口径效率低，无法与分层等效的龙伯柱面透镜相比拟；馈源天线采用的是对拓渐变槽天线，馈源尺寸过长使得天线整体不够紧凑，同时该天线在平行板之间没有添加任何金属加强固件以有效增加强度，使得该天线不论是单层中的介质透镜、馈源的稳固问题，或者是层与层之间的稳固性问题都没有得到解决，天线难以工程实用化。2013年，华昌洲等人在IEEETrans.Microwave Theory Tech.(vol.61，pp.436-443，Jan.2013)上发表的题为“Air-filled parallel-plate cylindrical modified Luneburg lens antenna formultiple-beam scanning at millimeter-wave frequencies”论文中设计出了完全由空气填充的平行板柱面龙伯透镜天线，该天线虽然可以实现方位面160°宽角波束扫描，但该天线工作于TE模式，天线高度必须大于半个波长，使得天线整体剖面较高。

发明内容

本发明鉴于上述技术背景及要求，提出了一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线。该天线的透镜部分采用两片金属平行板构成，两片金属板的内侧分别做加脊或开槽处理，两片金属板之间用空气填充不发生接触，两片金属板之间的间距应当保持足够小以保证电磁波以表面波的形式在平行板波导之间的单模传输(TEM模)。同时，在上层金属平行板的外延部分采用内向斜切形状处理，将透镜厚度过渡到馈源天线高度的同时，良好改善了馈源天线驻波性能，并且在馈源阵列处都添加了有效的金属固定结构以增加天线的整体强度。该透镜天线的单波束设计中心频率28GHz时的方向图在俯仰面波束宽度大于60°，方位面略大于7°，18个馈源即可能实现方位面126°波束覆盖。

本发明创新之处在于设计了一种能够在平行板波导之间单模传输TEM模式的电磁波，将平行板波导的厚度约束在半个波长以下，并极大程度上简化了空气填充的全金属透镜中的平行板波导内侧的形状和整体透镜的剖面高度，同时保证了透镜天线的良好聚焦性能。因此，在保证满足传统透镜天线应有电性能的同时，本发明提供了一种小型化且结构简约的透镜天线实现思路。

本发明的另一特点是采用了结构紧凑的微带馈源天线形式而不是渐变开槽天线形式，且在位于每一个微带贴片馈源天线背面的金属弧形铝板固定，增加了天线的结构强度和***集成度也方便工程中的一体化实现。

本发明实施方式是微带贴片馈源天线辐射的电磁波入射到空气填充的全金属透镜中，在金属平行板波导的限制作用下，经过透镜中的不同光程，最终以平面波形式出射，方位面波束得到汇聚，形成窄波束，通过对弧形阵列中18个馈源天线进行依次馈电，可形成18个波束，并且相邻的波束在3dB点交叠，由于每个波束宽度为7°，18个波束可以实现方位面126°波束覆盖。

附图说明

图1为本发明透镜天线的三维结构图；

图2为本发明透镜天线的金属平行板上层结构图；

图3为本发明透镜天线的金属平行板下层结构图；

图4为本发明透镜天线的俯视图和侧视剖面图；

图5为本发明透镜天线的馈源天线分别激励时两个典型端口的S参数；

图6为本发明透镜天线在28GHz时18个馈源依次激励在方位面形成的18个波束。

图7为本发明透镜天线在28GHz时单个馈源激励的俯仰面辐射方向图；

具体实施方案

图1、图2、图3和图4详细地描述了低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线的设计结构图。依图示描述，此装置主要包括全金属透镜天线中的金属平行板上层1、金属平行板下层2、18个微带馈源天线组成的弧形阵列3，用于固定金属平行板上层1和金属平行板下层2的金属螺钉4。透镜天线的最大口径尺寸为122×5mm²，馈源离透镜的焦距为5mm，金属平行上层1与金属平行板下层2之间的间距选为1.5mm，远小于设计中心频率28GHz处的波长。常见的透镜天线馈源主要分为两种分别为喇叭天线类型的口径天线和平面微带天线形式的馈源天线。喇叭类型的口径馈源天线其常见形式有普通喇叭、波纹喇叭、介质波导馈源等。但这类馈源往往体积和重量都较大，占用过多的空间和载重，在固定方法的实现上也有较大的挑战性，不利于在一些便携设备和使用场景要求比较严格的情况下使用。平面微带贴片类型的馈源天线。这类天线是由一个介质片，其上面是用金属沉积的矩形、圆形或其它几何形状作为辐射结构，背面则一般是由金属板作接地板所构成。辐射结构可用微带或同轴线馈电。微带天线作馈源结构上主要优点是重量轻、剖面低、易共形、成本低；电气性能良好好，两个主面上的方向图都较宽且波纹稳定。利用微带天线作为柱面透镜天线的馈源也可以使得天线整体紧凑实现小型化。

基于上面两种形式馈源各自的优缺点，本文从成本、天线的主要性能要求、设计复杂度、***集成度等各方面综合考虑后，本文设计了一种小型化的E形微带贴片天线作为馈源。18个微带贴片天线馈源组成一个18个微带馈源天线组成的弧形阵列3，并固定于两层金属平行板上层1和金属平行板下层2之间，为了使18个微带馈源天线组成的弧形阵列3能够准确稳固地放置，在金属平行板上层1的对应位置也进行了开槽处理(如图3所示)，在金属平行板下层2的对应位置添加固定金属板进行固定(如图4所示)。由于每个微带贴片在经过透镜聚焦之后其相应的3dB波束宽度为7°，为了使每个馈源的辐射波束经过透镜之后能够进行交叠，相邻两个天线单元的夹角设置为7°，弧形结构的馈源阵列在不同扫描角度上产生所需的波束，最终在方位面上实现了126°的波束扫描。透镜上下为两块相互平行的金属板，其构成了平行板波导结构，使得微带馈源辐射的电磁波经透镜聚焦后在方位面产生窄波束，相邻波束在3dB点交叠。本发明中的透镜天线在金属平行板上层1和金属平行板下层2之间用金属螺钉4进行固定，金属平行板上层1的内侧对应金属平行板下层2的凸出的圆环型脊位置进行开槽处理，方便电磁波在相同厚度的平行板波导之间进行传播，同理槽的位置与脊的间距为1.5mm。利用该方案所设计出的全金属透镜天线实现了高强度、防震动和小型化，并且由于电磁波在透镜中的传播介质为空气，也实现了高效率的特性。

图5为透镜天线中微带贴片天线馈源分别激励时的S参数，由于本透镜天线在结构上具有高度对称性，则选取了两个具有代表性的典型端口进行S参数分析，端口1代表馈源阵列中的边缘单元，端口9代表馈源阵列的中心单元，可以看出在27-29GHz的工作频段内，天线馈源端口的S11均小于-10dB，S21均小于-18dB且一致性良好。

图6为该本发明透镜天线在28GHz是18个馈源依次激励在方位面形成的18个波束，可以在方位面实现波束扫描。馈源弧形阵中微带单元数为18个，每个馈源辐射的电磁波经透镜聚焦后在方位面上形成的波束3dB宽度大约为7°，相邻波束在3dB点交叠，整个天线在方位面上能达到126°波束覆盖，HFSS仿真结果显示增益达到16.2dB。

图7是基于本发明的透镜天线在28GHz时单个馈源激励时俯仰面的辐射方向图，从图中可以看出在俯仰面形成了宽波束，HFSS仿真结果显示俯仰面3dB波瓣宽度大于60°。

以上是向熟悉本发明领域的工程技术人员提供的对本发明及其实施方案的描述，这些描述应被视为是说明性的，而非限定性的。工程技术人员可据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应被视为本发明的涉及范围。

Claims (3)

1.一种低剖面宽角扫描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)、18个微带馈源天线组成的弧形阵列(3)、用于固定金属平行板上层(1)和金属平行板下层(2)的金属螺钉(4)；其中金属平行板上层(1)进行了开槽处理，金属平行板下层(2)进行了加脊处理且在馈源阵列处添加了金属固定结构增加了整体强度，金属平行板上层(1)的外沿部分采用了向内斜切的形状。

2.根据权利要求1所述的一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线，其特征在于由18个微带馈源天线组成的弧形阵列(3)，在透镜天线的馈电口径上按照圆周排布，实现方位面126°的宽角扫描和俯仰面大于60°的宽波束。

3.根据权利要求1所述的一种低剖面宽角扫描的全金属多波束透镜天线，其特征还在于电磁波在透镜中传播的媒质为低损耗的空气介质，实现了毫米波频段的高效率多波束透镜天线设计。

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