專利名稱：一種多波束平面貼片透鏡天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及透鏡天線，尤其涉及以平面貼片陣列天線的方式來實現(xiàn)透鏡天線功能，并且通過饋源偏焦的方式實現(xiàn)多波束的一種多波束平面貼片透鏡天線。
背景技術(shù)：
多波束天線是指能產(chǎn)生多個銳波束的天線，這些銳波束可以合成一個或幾個成形波束，以覆蓋特定的空域。多波束天線目前應(yīng)用十分廣泛，它的實現(xiàn)方式有透鏡式、反射面式、相控陣式和以相控陣作為反射面或透鏡饋源的混合形式。多波束透鏡天線是指利用透鏡把饋源所輻射的能量匯聚起來形成一個銳波束，實現(xiàn)電磁波的空間聚焦，當(dāng)透鏡焦點附近設(shè)置多個饋源時，便相應(yīng)形成指向不同的多個波束。這種多波束的實現(xiàn)方式關(guān)鍵就在于透鏡的設(shè)計，目前主要有平面跟曲面兩種形式。中國專利200480008809.3公開一種無線電波透鏡天線設(shè)備，包括:半球形龍伯透鏡，尺寸大于所述透鏡直徑的反射板，布置于透鏡焦點處的主饋源以及固定饋源所需的臂。這種結(jié)構(gòu)是目前用透鏡實現(xiàn)多波束的主要方法，其結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵是龍伯透鏡的設(shè)計，制作要求精度高，且界面處的電磁波反射問題不容忽視。中國專利201210051097.X公開一種點聚焦平板透鏡天線，這種結(jié)構(gòu)雖然用超材料平板來代替?zhèn)鹘y(tǒng)透鏡曲面，但其實質(zhì)仍然是通過多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)改變折射率分布來獲得輻射口徑上的平面波前，加工過程較為復(fù)雜、造價昂貴且界面反射嚴(yán)重。多波束反射面天線是指在反射面焦點附近有多個饋源來形成多波束，為避免饋源系統(tǒng)對反射面口徑的遮擋，通常采用偏置單(雙)反射面的形式。這類天線的實現(xiàn)原理與透鏡天線相類似，制作會相對簡單些。中國專利99242196.9公開一種多波束拋物面天線，包括:長方形主反射面，前饋饋源，雙反射面，饋源軌道，天線背架，天線支架，前饋支架，軌道支架，底盤等部件組成。這種結(jié)構(gòu)天線效率高、旁瓣性能較好，但是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，體積太大，且遮擋效應(yīng)影響較大。多波束相控陣天線是指由許多輻射元排列構(gòu)成，用波束形成網(wǎng)絡(luò)向陣列單元激勵所需的振幅和相位，以形成不同形狀的成形波束。中國專利93121640.0公開一種有源發(fā)射相控陣天線，這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生多個獨立同步天線波束以照射需要的區(qū)域，陣列的所有單元工作在同樣的幅度電平，波束形狀和方向由相位調(diào)節(jié)來決定。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可對波束數(shù)目和形狀進行靈活控制，并可控制波束做快速掃描，但其饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、造價昂貴。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是提供以平面貼片陣列天線的方式來實現(xiàn)多波束透鏡天線，繼承貼片天線加工容易、成本較低且容易賦型等特點，能有效實現(xiàn)電磁波的空間聚焦，并通過饋源偏焦實現(xiàn)良好的多波束功能的一種多波束平面貼片透鏡天線。本實用新型設(shè)有介質(zhì)安裝環(huán)、支撐架、喇叭饋源和平面貼片陣列透鏡，所述平面貼片陣列透鏡與支撐架由介質(zhì)安裝環(huán)連接，所述喇叭饋源設(shè)于平面貼片陣列透鏡的中心上方并固定于支撐架上，介質(zhì)安裝環(huán)、平面貼片陣列透鏡和喇叭饋源連接。所述喇叭饋源可設(shè)有3個喇叭，每個喇叭可采用IOdB喇叭，喇叭之間的間隔可為
2.5mm ;所述介質(zhì)安裝環(huán)、平面貼片陣列透鏡和喇叭饋源可通過螺絲固定連接。所述平面貼片陣列透鏡可設(shè)有264個貼片單元，所述貼片單元之間的間隔可為
5.5mm，所述平面貼片陣列透鏡可呈橢圓形，橢圓形的長邊半徑可為132mm，橢圓形的窄邊半徑可為66mm;所述貼片單元可為上下對稱的5層結(jié)構(gòu)，最上層為貼片天線，最下層為貼片天線，中間層為開槽金屬基底，最上層與中間層之間為ε r=2.2的Taconic材料層，最下層與中間層之間為εr=2.2的Taconic材料層，中間層的厚度可為17 μ m。本實用新型在陣列透鏡的設(shè)計過程中最關(guān)鍵的是264個貼片單元的設(shè)計，由于存在一定的對稱性，因此實際上要設(shè)計的單元數(shù)為66個。由于只采用一種單元的形式，可通過改變單元結(jié)構(gòu)的參數(shù)以及單元中開槽的擺放角度來實現(xiàn)0° 360°的相位響應(yīng)，且在不同的相移條件下傳輸系數(shù)均滿足S12≥ -2dB。待設(shè)計的66個陣元在透鏡陣列中的位置確定好后，根據(jù)饋源與透鏡的距離以及每個陣元所處的位置就可以求出每個陣元所對應(yīng)的Θ值(分析發(fā)現(xiàn)Φ值對陣元傳輸響應(yīng)的相位影響不大)。對得到的Θ值進行統(tǒng)計，將數(shù)值接近的數(shù)進行歸類，用回歸分析求出其中心點的值即為這組陣元對應(yīng)的Θ值。然后根據(jù)不同陣元對應(yīng)的Θ值和所需要的開槽角度進行仿真分析得到傳輸系數(shù)和相位響應(yīng)，對數(shù)據(jù)進行差值計算就可得出在所需相位響應(yīng)上的單元結(jié)構(gòu)參數(shù),再將單元的結(jié)構(gòu)參數(shù)對應(yīng)他們的位置進行布陣，這樣透鏡陣列的設(shè)計就完成了。在饋源設(shè)計上，本實用新型的IOdB增益饋源喇叭，E面和H面的波瓣寬度均為112°，對本實用新型透鏡進行單饋源激勵時能夠?qū)崿F(xiàn)23.72dB的增益，口徑效率達到84%，這也是本實用新型的一個主要特色。多波束實現(xiàn)上，本實用新型由3個10dB增益喇叭構(gòu)成，在平面貼片陣列透鏡的E面水平布陣，喇叭間間距2.5 mm，邊上喇叭的IOdB衰減剛好覆蓋透鏡陣列的E面邊緣，在24.125GHz的頻點上分別得到23.72dB、22.37dB、22.37dB的增益，效果十分良好。本實用
新型也可以根據(jù)實際需要增加或減少相應(yīng)的饋源數(shù)目，只需對透鏡陣列的布陣形式進行調(diào)整。本實用新型的工作頻率為24.125GHz，核心為該平面貼片陣列透鏡，由264個貼片單元組成，通過計算饋源與每個陣元間的光程差來調(diào)整陣元的貼片大小，進而彌補陣列中不同位置陣元與中心之間的光程差，使透鏡達到空間聚焦的效果。結(jié)合拋物面天線橫向偏移波束掃描原理，在平面透鏡天線的橫向偏焦位置放置多個饋源喇叭，可使得透鏡天線上產(chǎn)生多種相位偏移的波前分布，從而實現(xiàn)多波束。與傳統(tǒng)的多波束天線技術(shù)相比，本實用新型采用新穎的平面貼片透鏡技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、一致性好、可靠性高等諸多優(yōu)點，且在電氣性能上沒有饋源喇叭本身的遮擋影響，可用于各種通信和雷達系統(tǒng)。

圖1為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2為本實用新型實施例的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本實用新型實施例的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本實用新型實施例的平面貼片陣列透鏡的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖5為本實用新型實施例的平面貼片陣列透鏡的側(cè)視結(jié)構(gòu)示意圖。圖6為本實用新型實施例組成平面貼片陣列透鏡的貼片單元的結(jié)構(gòu)示意圖。圖7為本實用新型實施例組成平面貼片陣列透鏡的貼片單元的分解示意圖。圖8為本實用新型實施例的喇叭饋源的方向圖。圖9為平面貼片陣列透鏡天線方向圖(單個饋源喇叭置于焦點)。圖10為本實用新型的方向圖。圖11為本實用新型多個饋源之間的隔離度。
具體實施方式
參見圖f 7，本實用新型實施例設(shè)有介質(zhì)安裝環(huán)1、支撐架2、喇叭饋源3和平面貼片陣列透鏡4，所述平面貼片陣列透鏡4與支撐架2由介質(zhì)安裝環(huán)I連接，所述喇叭饋源3設(shè)于平面貼片陣列透鏡4的中心上方并固定于支撐架2上，介質(zhì)安裝環(huán)1、平面貼片陣列透鏡4和喇叭饋源3連接。所述喇叭饋源3可設(shè)有3個喇叭，每個喇叭可采用IOdB喇叭，喇叭之間的間隔可為2.5mm ;所述介質(zhì)安裝環(huán)1、平面貼片陣列透鏡4和喇叭饋源3可通過螺絲固定連接。所述平面貼片陣列透鏡4可設(shè)有264個貼片單元，所述貼片單元之間的間隔可為5.5mm,所述平面貼片陣列透鏡4可呈橢圓形,橢圓形的長邊半徑可為132mm,橢圓形的窄邊半徑可為66mm ;所述貼片單元可為上下對稱的5層結(jié)構(gòu)(參見圖5 7)，最上層51為貼片天線，最下層55為貼片天線，中間層53為開槽金屬基底，最上層51與中間層53之間為ε r=2.2的Taconic材料層52，最下層55與中間層53之間為ε r=2.2的Taconic材料層54，中間層的厚度為17 μ m。本實用新型實施例中的饋源位于透鏡中心的上方，由3個IOdB喇叭組成，喇叭之間間隔2.5 mm,固定于支撐架上，平面貼片陣列透鏡通過介質(zhì)安裝環(huán)固定并與支撐架相連。透鏡陣列共有264個單元組成，單元之間間隔5.5 mm，整個陣列成橢圓形，長邊半徑為132 mm，窄邊半徑為66 mm。根據(jù)每個單元的光程差得到其所需要彌補的相位響應(yīng)，進而可以得到每個單元貼片的有關(guān)參數(shù)，而后進行布陣。本實用新型中的單元結(jié)構(gòu)為上下對稱的五層結(jié)構(gòu)，最上層為貼片天線，下面為ε ^2.2的Taconic材料，中間是一層開槽(“幾”字型)的金屬基底(厚度17 μ m)。參見圖8，本實用新型饋源喇叭增益為10dB，IOdB衰減波瓣寬度為112°。參見圖9，實現(xiàn)增益為23.73(^，后瓣7.46(^，最高旁瓣6.67(^，3(^波瓣寬度為
7.3° (E面)和10.78° (H面)，實現(xiàn)口徑效率達到84%。參見圖10，喇叭之間間隔2.5 mm，從方向圖可以得到:偏焦后增益下降了 1.4dB，透鏡仍然能夠很好的聚焦。參見圖11，將三個饋源喇叭分別編號I (中間)、2、3，S(2，I)與S(3，I)分別表示喇叭2，3與中間喇叭的隔離度。 通過效果圖可以看出，S(2，l)和S(3，l)在24.125GHz時均在-30dB以下，隔離度性能良好。
權(quán)利要求1.一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于設(shè)有介質(zhì)安裝環(huán)、支撐架、喇叭饋源和平面貼片陣列透鏡，所述平面貼片陣列透鏡與支撐架由介質(zhì)安裝環(huán)連接，所述喇叭饋源設(shè)于平面貼片陣列透鏡的中心上方并固定于支撐架上，介質(zhì)安裝環(huán)、平面貼片陣列透鏡和喇叭饋源連接。
2.如權(quán)利要求1所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述喇叭饋源設(shè)有3個喇叭。
3.如權(quán)利要求2所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述喇叭采用IOdB喇口八，喇叭之間的間隔為2.5mm。
4.如權(quán)利要求1所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述介質(zhì)安裝環(huán)、平面貼片陣列透鏡和喇叭饋源通過螺絲固定連接。
5.如權(quán)利要求1所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述平面貼片陣列透鏡設(shè)有264個貼片單元。
6.如權(quán)利要求5所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述貼片單元之間的間隔為5.5mm。
7.如權(quán)利要求1所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述平面貼片陣列透鏡呈橢圓形，橢圓形的長邊半徑為132mm,橢圓形的窄邊半徑為66mm。
8.如權(quán)利要求5所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述貼片單元為上下對稱的5層結(jié)構(gòu)，最上層為貼片天線，最下層為貼片天線，中間層為開槽金屬基底，最上層與中間層之間為ε r=2.2的Taconic材料層，最下層與中間層之間為ε r=2.2的Taconic材料層。
9.如權(quán)利要求7所述一種多波束平面貼片透鏡天線，其特征在于所述中間層的厚度為.17 μ m.
專利摘要一種多波束平面貼片透鏡天線，涉及透鏡天線。提供以平面貼片陣列天線的方式來實現(xiàn)多波束透鏡天線，繼承貼片天線加工容易、成本較低且容易賦型等特點，能有效實現(xiàn)電磁波的空間聚焦，并通過饋源偏焦實現(xiàn)良好的多波束功能的一種多波束平面貼片透鏡天線。設(shè)有介質(zhì)安裝環(huán)、支撐架、喇叭饋源和平面貼片陣列透鏡，所述平面貼片陣列透鏡與支撐架由介質(zhì)安裝環(huán)連接，所述喇叭饋源設(shè)于平面貼片陣列透鏡的中心上方并固定于支撐架上，介質(zhì)安裝環(huán)、平面貼片陣列透鏡和喇叭饋源連接。
文檔編號H01Q15/02GK203013936SQ201320029840
公開日2013年6月19日 申請日期2013年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月18日
發(fā)明者劉顏回, 呂海裕, 柳清伙, 熊小平 申請人:廈門大學(xué)