CN113363731B - 一种低剖面低损耗Rotman透镜 - Google Patents

一种低剖面低损耗Rotman透镜 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种低剖面低损耗Rotman透镜，包括两层非金属化介质基板和三层金属化覆铜平面；所述两层非金属化介质基板为上层非金属化介质基板和下层非金属化介质基板；所述三层金属化覆铜平面包括上层金属化覆地平面，中层印制化金属平面透镜和下层金属化覆地平面；所述中层印制化金属平面透镜包括透镜体，位于透镜体两侧的输入端口和输出端口，以及位于输入端口和输出端口之间的空置端口；所述透镜体分为M个区域，每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计；所述输入端口、输出端口和空置端口基于带状线结构实现。本发明通过透镜体分区以及带状线结构实现的Rotman透镜具有低剖面低损耗特性。

Description

一种低剖面低损耗Rotman透镜
技术领域
本发明涉及多波束形成网络技术领域，具体而言，涉及一种低剖面低损 耗Rotman透镜。
背景技术
在现代雷达、通信及电子战***中，常常要求天线具备多波束特性。多 波束天线可以形成高增益的笔状波束，进而实现远距离工作；多波束天线可 以将单天线宽空域分成多个笔状波束同时覆盖，利用多波束间的幅度信息 进行比幅测向，进而实现宽空域远距离探测；此外，也可通过对馈电信号的 幅相控制，实现对指定方向信号的干扰，实现干扰功能。
天线实现多波束形成和扫描有两种类型：相控阵和多波束天线。相控阵 需要大量的有源TR组件，成本高，结构复杂，可靠性低。多波束天线由多 波束形成网络和天线阵组成，Rotman透镜是一种常用的多波束形成网络， 因低成本、结构简单、易于集成加工和纯无源器件，一经提出受到广泛关注。 Rotman透镜利于波束口到天线阵上各个单元的光程差来确定波束指向，是 一种真时延(True Time Delay，TTD)波束形成器，理论上波束指向与工作 频率无关，频率变化时波束指向固定不变，能实现较宽的频带。微带线型 Rotman透镜的电路简单，体积小，重量轻，设计灵活，采用印制电路技术 加工，易于集成，成本低，也是最常用的实现形式。
传统微带线型Rotman透镜由于微带线传输准TEM模式，为开放场结 构，为了抑制出现的表面波模，一般选用金属屏蔽盒进行封闭，屏蔽盒高度 一般大于5～6倍介质板厚度，致使工程应用中的微带线型Rotman透镜剖面 较高；Rotman透镜能量传输基于几何光学直线传播，会有部分能量传输至 空置端口，导致能量损失；Rotman透镜端口间存在耦合，也会导致能量损 失，一般有50％以上的能量在传输过程中损失。综上而言，传统微带线型Rotman透镜具有剖面较高，损耗较大的特点，难以应用于低剖面低损耗场 合。
发明内容
本发明旨在提供一种低剖面低损耗Rotman透镜，以解决传统微带线型 Rotman透镜剖面较高且损耗较大的问题。
本发明提供的一种低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，包括两层 非金属化介质基板和三层金属化覆铜平面；所述两层非金属化介质基板为 上层非金属化介质基板和下层非金属化介质基板；所述三层金属化覆铜平 面包括上层金属化覆地平面，中层印制化金属平面透镜和下层金属化覆地 平面；
所述中层印制化金属平面透镜包括透镜体，位于透镜体两侧的输入端 口和输出端口，以及位于输入端口和输出端口之间的空置端口；所述透镜体 分为M个区域，每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电 常数分区设计；所述输入端口、输出端口和空置端口基于带状线结构实现。
进一步的，所述透镜体上每个区域对应的非金属化介质基板区域的等 效相对介电常数不同。
作为优选，所述透镜体上从输入端口至输出端口的M个区域对应的非 金属化介质基板区域的等效相对介电常数分别为εeff，1，εeff，2，…，εeff，M-1， εeff，M，则满足关系式：
εeff，1＜εeff，2＜…＜εeff，i＜…εeff，M-1＜εeff，M；
i表示所述透镜体上从输入端口至输出端口的第i个区域。
进一步的，使每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介 电常数分区设计的方法为：根据非金属化介质基板的相对介电常数εh，对所 述透镜体上的M个区域对应的非金属化介质基板开非金属化孔，使每个区 域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数发生变化，每个区域 对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数通过等效媒质理论计算 求得。
作为优选，所述非金属化介质基板的相对介电常数εh＜11。
作为优选，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常 数通过A-BG等效媒质理论计算求得，计算公式为：
Figure BDA0003098296640000031
其中，εeff，i为第i个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电 常数，ε为第i个区域的非金属化孔中填充材料的相对介电常数，εh为非金 属化介质基板的相对介电常数，p为第i个区域的非金属化打孔中填充材料 体积占第i个区域体积的体积比分数。
作为优选，所述非金属化孔中填充材料为空气，即ε＝1。
作为优选，所述非金属化孔为圆柱形孔。
作为优选，所述非金属化孔的孔径在0.03λ以下，λ为Rotman透镜的 工作频率对应的波长。
进一步的，M为大于等于2的整数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明实现的低剖面低损耗Rotman透镜中，由于透镜体分区并且每个 区域对应的非金属化介质基板具有等效相对介电常数分区设计，输入端口 到输出端口之间的传输会发生折射，相邻区域能量传输满足Snell折射定律， 而不满足几何光学直线传输，可使能量传输集中在输入端口和输出端口之 间，减少传输到空置端口的能量，保证本实施例设计的Rotman透镜具有低 损耗特性。
2、本发明实现的低剖面低损耗Rotman透镜中，输入端口、输出端口 和空置端口均基于带状线结构实现，相较于传统的微带线结构，减少了实际 工程中所需要金属屏蔽盒体，具有低剖面的效果。此外，
3、本发明实现的低剖面低损耗Rotman透镜的传输过程中为封闭场结 构，不受环境或金属屏蔽盒体等影响，能量传输稳定，其一致性好。
4、本发明实现的低剖面低损耗Rotman透镜在加工制造过程中所涉及 的微波印制工艺和开非金属化孔工艺成熟可靠，操作简单，适合大批量生产 且生产一致性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附 图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此 不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造 性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为传统的Rotman透镜的透镜电路结构示意图。其中，5-传统的 Rotman透镜的透镜电路、51-传统的Rotman透镜的输入端口、52-传统的 Rotman透镜的输出端口、53-传统的Rotman透镜的空置端口、54-传统的 Rotman透镜的透镜体、513-传统的Rotman透镜的某一输入端口、61-某一 输入端口513至输出端口52的能量传输路径的第一直线、62-某一输入端 口513至输出端口52的能量传输路径的第二直线。
图2为本发明的低剖面低损耗Rotman透镜截面结构示意图。其中，1- 非金属化介质基板、2-中层印制化金属平面透镜、3-上层金属化覆地平面3、4-下层金属化覆地平面。
图3为本发明的中层印制化金属平面透镜的结构示意图。其中，21-本 发明的Rotman透镜的输入端口、22-本发明的Rotman透镜的输出端口、23- 本发明的Rotman透镜的空置端口、24-本发明的Rotman透镜的透镜体、 241-本发明的Rotman透镜的透镜体的第一区域、242-本发明的Rotman透 镜的透镜体的第二区域、243-本发明的Rotman透镜的透镜体的第M-1区 域、244-本发明的Rotman透镜的透镜体的第M区域。
图4为本发明的低剖面低损耗Rotman透镜能量传输示意图。其中， 213-本发明的Rotman透镜的某一输入端口、71-某一输入端口213至输出 端口22的能量传输路径的第一多线段、72-某一输入端口213至输出端口 22的能量传输路径的第二多线段、81-某一输入端口213至输出端口22的 能量传输路径在透镜体24的第一区域241与第二区域242交界处的入射 角、82-某一输入端口213至输出端口22的能量传输路径在透镜体24的第 一区域241与第二区域242交界处的折射角。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常 在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来 布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限 制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发 明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
实施例
如图1所示，传统的Rotman透镜的透镜电路5包括输入端口51、输 出端口52、空置端口53和透镜体54；所述空置端口53位于输入端口51和 输出端口52之间；传统的Rotman透镜通过透镜体54完成输入端口51到 输出端口52间的能量传输，该能量传输路径满足几何光学直线法则，如图 3所示。以输入端口513为例，能量传输路径类似第一直线61和第二直线 62，导致部分能量传输到空置端口53区域，从而导致能量损耗。
如图2所示，本实施例提出一种低剖面低损耗Rotman透镜，包括两层 非金属化介质基板1和三层金属化覆铜平面；所述两层非金属化介质基板1 为上层非金属化介质基板1和下层非金属化介质基板1；所述三层金属化覆 铜平面包括上层金属化覆地平面3，中层印制化金属平面透镜2和下层金属 化覆地平面4；
如图3所示，所述中层印制化金属平面透镜2包括透镜体24，位于透 镜体24两侧的输入端口21和输出端口22，以及位于输入端口21和输出端 口22之间的空置端口23；所述透镜体24分为M(M为大于等于2的整 数)个区域，每个区域对应的非金属化介质基板1区域具有等效相对介电 常数分区设计；所述输入端口21、输出端口22和空置端口23基于带状线结构实现。
每个区域对应的非金属化介质基板1区域具有等效相对介电常数分区 设计是指，所述透镜体24上每个区域对应的非金属化介质基板1区域的等 效相对介电常数不同。如图3所示，所述透镜体24上从输入端口21至输 出端口22的M个区域对应的非金属化介质基板1区域的等效相对介电常 数分别为εeff，1，εeff，2，…，εeff，M-1，εeff，M，则满足关系式：
εeff，1＜εeff，2＜…＜εeff，i＜…εeff，M-1＜εeff，M；
i表示所述透镜体24上从输入端口21至输出端口22的第i个区域。
使每个区域对应的非金属化介质基板1区域具有等效相对介电常数分 区设计的方法为：根据非金属化介质基板1的相对介电常数εh，对所述透 镜体24上的M个区域对应的非金属化介质基板1开非金属化孔，使每个 区域对应的非金属化介质基板1区域的等效相对介电常数发生变化；其中， 每个区域对应的非金属化介质基板1区域的等效相对介电常数通过等效媒 质理论计算求得。
等效媒质理论是一种关于混合介质材料电磁特性的宏观等效理论。按 照不同比例混合不同电磁特性的材料可以让混合后的材料具有期望的电磁 特性。本实施例中，每个区域对应的非金属化介质基板1区域的等效相对 介电常数通过A-BG等效媒质理论计算求得，计算公式为：
Figure BDA0003098296640000071
其中，εeff，i为第i个区域对应的非金属化介质基板1区域的等效相对介 电常数(即开非金属化孔后填充材料，该第i个区域对应的非金属化介质基 板1区域即为混合材料)，ε为第i个区域的非金属化孔中填充材料的相对 介电常数，εh为非金属化介质基板1的相对介电常数，优选εh＜11，p为第 i个区域的非金属化打孔中填充材料体积占第i个区域(混合材料)体积的 体积比分数。作为优选，所述非金属化孔中填充材料为空气，即ε＝1。开非 金属化孔密集的非金属化介质基板1区域对应的等效相对介电常数小，开 非金属化孔稀疏的非金属化介质基板1区域对应的等效相对介电常数大。 为实现加工方便、等效均匀一致性好、加工后材料机械强度高等要求，本实 施例开的非金属化孔采用圆柱形孔。为保证等效媒质理论的有效性，非金属 化孔的孔径大小一般控制在0.03λ以下，λ为Rotman透镜的工作频率对应 的波长。
另外，输入端口21，输出端口22及空置端口23所在的曲线轮廓及相 应位置可由Rotman透镜输入端和输出端设计公式给出，可参见相关科技文 献R.C.Hansen,DesignTrades for Rotman lenses,IEEE Transactions on Antennas and Propagation,Vol.39,No.4,April 1991.。透镜体24的分区数量M及非金 属化介质基板1区域的等效相对介电常数εeff，i可通过优化算法多次迭代给 出。
本实施例实现的低剖面低损耗Rotman透镜中，由于透镜体24分区并 且每个区域对应的非金属化介质基板1具有等效相对介电常数分区设计， 输入端口21到输出端口22之间的传输会发生折射，相邻区域能量传输满 足Snell折射定律，而不满足几何光学直线传输，通过优化透镜体24的分 区数量M及非金属化介质基板1区域的等效相对介电常数εeff，i，可使能量 传输集中在输入端口21和输出端口22之间，减少传输到空置端口23的能 量，保证本实施例设计的Rotman透镜具有低损耗特性。如图4所示，以输
本实施例实现的低剖面低损耗Rotman透镜中，输入端口21、输出端口 22和空置端口23均基于带状线结构实现，相较于传统的微带线结构，减少 了实际工程中所需要金属屏蔽盒体(屏蔽盒高度一般大于5～6倍介质板厚 度)，具有低剖面的效果；此外，由于微带线传输准TEM模式的电磁波， 其传输过程中为开放场结构，容易受环境或金属屏蔽盒体等影响，能量传输 不稳定，导致其一致性不好；而带状线传输TEM模式电磁波，其传输过程 中为封闭场结构，不受环境或金属屏蔽盒体等影响，能量传输稳定，其一致 性好。
本实施例实现的低剖面低损耗Rotman透镜可以先采用微波印制完成 两层非金属化介质基板和三层金属化覆铜平面加工，然后对透镜体24对应 的非金属化介质基板开非金属化孔，完成所述低剖面低损耗Rotman透镜加 工。加工制造过程中所涉及的微波印制工艺和开非金属化孔工艺成熟可靠， 操作简单，适合大批量生产且生产一致性好。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本 领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护 范围之内。

Claims (7)

1.一种低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，包括两层非金属化介质基板和三层金属化覆铜平面；所述两层非金属化介质基板为上层非金属化介质基板和下层非金属化介质基板；所述三层金属化覆铜平面包括上层金属化覆地平面，中层印制化金属平面透镜和下层金属化覆地平面；
所述中层印制化金属平面透镜包括透镜体，位于透镜体两侧的输入端口和输出端口，以及位于输入端口和输出端口之间的空置端口；所述透镜体分为M个区域，每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计；所述输入端口、输出端口和空置端口基于带状线结构实现；
所述透镜体上每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数不同；所述透镜体上从输入端口至输出端口的M个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数分别为εeff，1，εeff，2，…，εeff，M-1，εeff，M，则满足关系式：
εeff，1＜εeff，2＜…＜εeff，i＜…εeff，M-1＜εeff，M；
i表示所述透镜体上从输入端口至输出端口的第i个区域；M为大于等于2的整数。
2.根据权利要求1所述的低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，使每个区域对应的非金属化介质基板区域具有等效相对介电常数分区设计的方法为：根据非金属化介质基板的相对介电常数εh，对所述透镜体上的M个区域对应的非金属化介质基板开非金属化孔，使每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数发生变化，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数通过等效媒质理论计算求得。
3.根据权利要求2所述的低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，所述非金属化介质基板的相对介电常数εh＜11。
4.根据权利要求2所述的低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，每个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数通过A-BG等效媒质理论计算求得，计算公式为：
Figure FDA0003531347970000021
其中，εeff，i为第i个区域对应的非金属化介质基板区域的等效相对介电常数，ε为第i个区域的非金属化孔中填充材料的相对介电常数，εh为非金属化介质基板的相对介电常数，p为第i个区域的非金属化打孔中填充材料体积占第i个区域体积的体积比分数。
5.根据权利要求4所述的低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，所述非金属化孔中填充材料为空气，即ε＝1。
6.根据权利要求2-5任一项所述的低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，所述非金属化孔为圆柱形孔。
7.根据权利要求6所述的低剖面低损耗Rotman透镜，其特征在于，所述非金属化孔的孔径在0.03λ以下，λ为Rotman透镜的工作频率对应的波长。
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