專利名稱：一種基于新型開孔結構的高效率介質透鏡天線的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于天線工程技術領域，涉及到一種介質透鏡天線，具體來說是一種用于 衛(wèi)星通信的龍伯透鏡天線系統(tǒng)的所需介電常數的介質透鏡。
背景技術：
在衛(wèi)星無線通信迅速發(fā)展的今天，作為信號發(fā)送和接收的主要載體，天線對無線 通信系統(tǒng)的網絡構建起著舉足輕重的作用。國內日益重視直播衛(wèi)星的發(fā)展，一線多星接收 技術的需求日益增長，本發(fā)明正是基于這樣的前提并結合自身的一些研究工作，設計了一 種高效的一線多星接收天線。傳統(tǒng)的衛(wèi)星接收天線是拋物面天線和卡塞格林等天線，他們具有增益高，損耗小 等優(yōu)點，但是這類天線常常只用在一線一星的接收中，一線多星接收的設計較為繁瑣，并且 不同衛(wèi)星信道的接收性能很可能不一樣。同時這類天線的剖面大，抗外界能力不強。龍伯透鏡天線是一種球對稱的分層介質透鏡天線，介質的介電常數沿徑向由中心 為2漸變到表面為1.透鏡表面的每一個點都可以認為是焦點。只要在透鏡表面安放多個 饋源，就可以很容易得到多波束。而且每個波束增益相同，克服了多波束拋物面天線中饋源 偏焦導致的增益損失問題，適合多址通信場合。由于透鏡的表面是一個焦面，所以只要控制 饋源在透鏡表面的軌跡，便可控制波束指向，實現波束掃描。透鏡的工作頻帶取決于饋源的 頻帶，而且透鏡材料的介電常數對頻率變化不敏感，適用于大容量的寬帶通信系統(tǒng)中。龍伯 透鏡天線可同時接收多顆衛(wèi)星，具有頻帶寬，安裝方便，耐風性強的優(yōu)點，已成功應用在衛(wèi) 星或用戶進行相對運動的衛(wèi)星跟蹤，近年來龍伯透鏡天線在毫米波衛(wèi)星通信領域的應用已 成為國內外廣泛關注和研究的熱點。傳統(tǒng)龍伯透鏡天線的工藝實現主要是通過對聚苯乙烯等材料的發(fā)泡，但發(fā)泡工藝 這其中包含了加工特定的模具和摸索不同尺寸不同介電常數透鏡天線材料的蒸烤溫度和 時間等，發(fā)泡程度與均勻性難以控制，且模具成本較高。美國專利申請第20040029985號中 公開了一種龍伯透鏡。該透鏡由多個空心球殼和球核構成，該球殼和球核具有不同的介電 常數，球核和球殼由含有無機介電材料的合成樹脂泡沫制成。該透鏡天線的重量輕，所以可 以保證實用性。但是該天線的增益性能等不足以滿足實際應用。日本住友電氣工業(yè)株式會 社在專利CN101057370中公開了一種龍伯透鏡天線，該透鏡由多個不同介電常數的球殼和 一個球核構成，球核由多個球殼包圍組成一個半球體。但是該技術要求對發(fā)泡劑、膨脹溫度 的控制及原材料的選取要求甚是嚴格，而且對材料的化學物理等特性要求十分苛刻，加工 工藝流程的實現十分繁瑣復雜，使得龍伯透鏡天線的批量生產相對困難?？傮w來講，基于發(fā) 泡工藝的龍伯透鏡天線的蒸烤時間、溫度控制等對不同介電常數、尺寸、厚度的透鏡球殼加 工均不同，很難尋找到較為通用的發(fā)泡規(guī)律，從而得實際工程批量生產困難較大和成本較 尚ο通過開孔結構來實現龍伯透鏡天線的方法很多，與其他的開孔結構相比， D. M. Harrison 等在 Antennas and Propagation Society International Symposium,1992.上發(fā)表題為"A Hemispherical lens antenna for multi-satellite reception，， 中利用多層開半球孔的聚苯乙烯材料、然后將每層半球孔對齊粘貼制成一個完整的球孔， 然后將多個含多個完整球孔的片狀聚苯乙烯制成一個半球體，由此制成了等效介電常數 為1. 52的介質透鏡天線，在特定焦距的測量下其增益性能較好，但是由于多層開半球孔， 球形孔在實際中加工比較困難，尺寸較小的透鏡還能勉強制作，在較大電尺寸的透鏡制作 上無疑會大大增加了復雜度和成本，此種技術也不利于在實際應用和批量生產。2003年 Sebastien Rondineau 等在 IEEE Antennas Wieless Propagat. Lett. ,vol. 2, pp. 163-166, 2003.發(fā)表的題為“A Sliced Spherical Luneburg Lens”提出的分層且每層的孔的尺寸 大小不同來實現龍伯透鏡天線，但是天線效率很低，在26. 5GHz僅有30%，而且加工困難， 且對于每層的組合也是個難題，對于實際應用，其物理的牢固性也有待考究。美國專利發(fā) 明者 Kurt A. Zimmerman 在專利號 5677796 公開的題為 “Luneberg Lens and Method of constructing same”中的利用徑向尺寸漸變的鉆頭設計出沿徑向呈錐形孔的介質透鏡天 線，但是此種設計徑向鉆孔加工難度較大，且孔數目較多，需考慮材料的形變及機械強度。 且此種設計中采用的鉆頭是類似拋物線形等二次曲線形式的鉆頭，鉆頭需特定加工，從而 增加了天線設計的成本。Peter C，Strickland等公開的專利號為US3721103B1的題為 "Method forfabricating Luneburg lenses”中公開了一種制作龍伯透鏡天線的方法。該 透鏡天線由在橘子瓣形狀體的無機材料中按一定分布規(guī)律鉆不同的大小的柱孔構成，從球 體表面到球心，柱孔的半徑及孔的密度逐漸減少，從而實現介電常數的漸變。最后將橘子瓣 形狀體組合成一個球體。但是此種技術加工的柱孔復雜，而且柱孔的尺寸均不一樣，需要的 加工組件甚多，且整個球體透鏡天線的組合固定較為困難，物理牢固性很低，成本極高，此 種技術對于實現批量生產及高性能的透鏡天線較為困難。KenichiSato等在Electronics and Communications in Japan,Part 1, Vol. 85,No. 9, 2002 發(fā)表的題為"A Plate Luneberg Lens with the Permittivity DistributionControlled by Hole Density”利用在介質材 料上進行柱形開孔和介質厚度變化等在二維平面上控制介電常數變化制成了平板型龍伯 透鏡天線，還將其與平板開槽天線成功結合發(fā)展成新型平面天線，且二維增益性能等具有 較好效果，但是此種天線最大缺點是無法實現三位立體掃描，不適用于衛(wèi)星通信。與之前提及的發(fā)明專利和論文相比，本發(fā)明利用常規(guī)鉆頭進行垂直方向的鉆柱形 孔，結構簡單，易于加工，采用材料工藝成熟的聚四氟乙烯等進行加工，從而使得成本大大 降低。本發(fā)明所設計的特定介電常數的透鏡天線可以運用到介電常數漸變的、高性能的、的 龍伯透鏡天線中。在合適的選取饋源天線、焦距等的情況下可以在方向圖、增益、效率、材料 的電性能的均勻性、等取得較好的性能。與其他形式實現的龍伯透鏡天線相比，本發(fā)明的技 術的規(guī)律簡單、明了，易于推廣到不同尺寸不同介電常數的高性能的適用于衛(wèi)星通信的三 維掃描的龍伯透鏡天線中。
發(fā)明內容
本發(fā)明鑒于上述技術背景實現，目的在于對現有技術在應用中存在的問題加以研 究和解決，提出了一種新的實現等效介電常數的方法。該裝置通過對現有工藝技術成熟的 高介電常數的材料基體上鉆孔實現低損耗低介電常數材料的等效形式的發(fā)明和創(chuàng)新，采用 鉆柱形孔形式，設計出了一種高效率、高增益、成本低廉、便于加工批量生產的等效介電常數的介質透鏡天線。該介質透鏡適用于衛(wèi)星無線通信中一線多星的龍伯透鏡天線系統(tǒng)，它的基本結構 包括金屬反射板、支架導軌、介質透鏡和高效的饋源天線。金屬反射板主要起到屏蔽和反射 作用。支架導軌由連接塊和支撐柱構成，固定于金屬反射板和介質透鏡之間。饋源插入于支 架導軌弧形體凹槽之間，可在導軌上移動并沿導軌徑向伸縮，叢而改變饋源入射角和焦距， 以求達到最佳的天線性能。本發(fā)明最大的創(chuàng)新在于介質透鏡采用在工藝技術成熟高介電常數介質材料基體 上開柱形孔構成，這樣等效為較低的介電常數等效的介質透鏡，并利用等效媒質理論中的 ABG法則
權利要求
一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于新型的柱形開孔結構，包括金屬反射板、饋源支架導軌部分、介質透鏡天線部分以及饋源部分。介質透鏡天線部分固定于金屬反射板上方。支架部分用來調解饋源的波束掃描角度以及饋源焦距。
2.根據權利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質理論的指定介電常數的介質透鏡天線，其特征在于至少包含一個介質透鏡，透鏡由均勻 分布的空氣孔在其中構成。
3.根據權利要求1和2所述的一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效 媒質理論的指定介電常數的介質透鏡天線，其特征在于固定裝置與金屬反射板、介質透鏡 和饋源相連接。
4.根據權利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質理論的指定介電常數的介質透鏡天線，其特征在于介質透鏡材料的形狀和孔間距和數目 以及介質材料種類可以有所調整，以滿足不同的設計要求。
5.根據權利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質理論的指定介電常數的介質透鏡天線，其特征在于介質透鏡天線和反射板組合在支架的 饋源天線在可連續(xù)改變其與透鏡天線部分入射波束的位置，以實現饋源入射波束對透鏡天 線的不同程度的覆蓋，即不同程度的影響對介質透鏡部分的入射波束角度、焦距和波束照 射，以達到連續(xù)改變對準衛(wèi)星信號波束的目的。
6.根據權利要求1所述的波束，一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等 效媒質理論的指定介電常數的介質透鏡天線由在聚四氟乙烯上開均勻分布有一定規(guī)律的 圓柱形開孔結構構成，從而大大簡化了加工制作難度。
7.根據權利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質理論的指定介電常數的介質透鏡天線，其特征在于可以實現不同介電常數的漸變的龍伯 透鏡天線，與傳統(tǒng)的龍伯透鏡天線相比，在增益范圍相同的情況下能顯著縮小其尺寸，或者 說在同樣尺寸的情況下可以實現更大增益和效率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于無線衛(wèi)星通信的龍伯透鏡天線系統(tǒng)中的介質透鏡天線。該介質透鏡天線基本結構包括金屬反射板部分、饋源支架部分、介質透鏡部分和饋源部分。金屬反射板部分主要起到屏蔽和反射作用。介質透鏡部分由在聚四氟乙烯中鉆柱形孔構成，固定于金屬反射板之上。饋源支架固定在金屬反射板和介質透鏡之間，饋源固定在饋源支架之上，通過其在饋源支架上滑行和伸縮，決定了饋源入射和出射的焦距以及波束角度。基于本發(fā)明的基本結構，合理改變空氣孔的位置、大小、形狀，即可構成本發(fā)明的其它具體實施方案。
文檔編號H01Q15/08GK101976755SQ20101026648
公開日2011年2月16日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者劉志佳, 楊仕文, 聶在平, 黃明 申請人:電子科技大學