基于變換光學(xué)的多波束天線的制作方法
【專利摘要】基于變換光學(xué)的多波束天線，涉及一種天線。它是為了實(shí)現(xiàn)構(gòu)造輕量化、易于構(gòu)造、體積較小的任意N波束普適的多波束天線。以4波束天線設(shè)計(jì)為例，它的每塊固定板均為矩形框架結(jié)構(gòu)，每個(gè)邊框中間均開有矩形插槽，兩塊固定板相對設(shè)置；所述兩塊固定板之間通過四個(gè)固定柱固定為一個(gè)整體；所述四個(gè)固定柱的一端位于一塊固定板的四個(gè)角處；所述四個(gè)固定柱的另一端位于另一塊固定板的四個(gè)角處；相鄰兩個(gè)固定柱之間形成矩形的透鏡安裝窗；四塊透鏡分別嵌固在四個(gè)透鏡安裝窗上；所述每個(gè)透鏡上蝕刻N(yùn)個(gè)金屬帶條；偶極子天線位于四個(gè)透鏡圍成的區(qū)域的中心。本發(fā)明適用于應(yīng)用多波束天線的場合。
【專利說明】基于變換光學(xué)的多波束天線
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種天線。
【背景技術(shù)】
[0002]關(guān)于人工電磁能量調(diào)控的多波束天線，常用的設(shè)計(jì)方法有三種，第一種采用變換光學(xué)的方法將近似平面波的中間場映射到邊緣區(qū)域，使得整個(gè)場域更近似平面波，從而提高天線增益。變換光學(xué)最早2006年由Pendry和Leonhardt引入人工調(diào)控電磁學(xué)領(lǐng)域。已經(jīng)產(chǎn)生了很多理論研究和應(yīng)用，比如隱身、完美透鏡。在透鏡研究方面，對在全向天線，如單極子或者偶極子天線四周填充變換媒質(zhì)區(qū)域，有可能實(shí)現(xiàn)多波束天線。但是變換光學(xué)透鏡會導(dǎo)致介電常數(shù)和磁導(dǎo)率并矢非常復(fù)雜，不太容易實(shí)現(xiàn)。直到其2011年Douglas H.Werner等人利用變換光學(xué)透鏡提設(shè)計(jì)出一種寬帶的多波束天線，由于考慮阻抗匹配，構(gòu)造阻抗匹配的超常媒質(zhì)，得到了 4.2GHz到5.2GHz相對帶寬的四波束單極子天線，增益可以提高6.5dB。之后在2012年他們在此基礎(chǔ)上加工了天線實(shí)物并進(jìn)行了測試，但是超常媒質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜，而且天線體積龐大；
[0003]另一種方法利用梯度折射率的人工電磁媒質(zhì)設(shè)計(jì)高增益透鏡。2012年伊朗ImanAghanejad等人提出利用近似保角變換，得到各項(xiàng)同性梯度折射率材料(GRIN)的透鏡。該介質(zhì)可以用非諧振的非磁全介質(zhì)實(shí)現(xiàn)，具有寬頻帶和低損耗等優(yōu)點(diǎn)。仿真了一個(gè)六波束天線，各波束可以獨(dú)立控制，但該GRIN媒質(zhì)非均勻也存在難以實(shí)現(xiàn)的缺陷；
[0004]第三種方法是由Nanfang Yu在2011年nature雜志上提出的。他針對傳統(tǒng)的光學(xué)snell折射定律，提出了廣義折射率。由于受限制引入不連續(xù)相位的結(jié)構(gòu)需要特定極化方式,該帶寬也有限等問題,在2013年Anthony Grbic等人提出基于超常媒質(zhì)惠更斯表面的無反射的透鏡，該透鏡該方法與Nanfang Yu利用廣義折射率，相位不連續(xù)性不同，優(yōu)點(diǎn)在于，沒有反射的損耗，而且不用僅僅局限于調(diào)節(jié)交叉極化來控制相位，從而可以實(shí)現(xiàn)線極化，圓極化，或者橢圓極化，并且沒有反射。成功設(shè)計(jì)出了一個(gè)可以使TM波偏轉(zhuǎn)45°的無反射透鏡。
[0005]近幾年來，在人工電磁媒質(zhì)調(diào)控設(shè)計(jì)高增益多波束天線研究方向上，國內(nèi)也有很多學(xué)者提出了自己的研究方案，在該研究領(lǐng)域十分活躍，展開了很全面的研究，發(fā)表了很多高水平論文。如2008年東南大學(xué)的Wei Xin Jiang等人從提出了基于變換光學(xué)的方法，設(shè)計(jì)了一種小過渡距離的(c=0.15m)柱面波到平面波的轉(zhuǎn)換裝置。柱面波如果在中心處開始傳播的話，由球面波變?yōu)槠矫娌ǎ瑥睦碚撋蠂?yán)格推導(dǎo)了轉(zhuǎn)換區(qū)域電磁媒質(zhì)介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的并矢表達(dá)式，并進(jìn)行了仿真。
[0006]之后東南大學(xué)的崔鐵軍2008年在APL上針對早期提出的坐標(biāo)變換的裝置都是基于連續(xù)坐標(biāo)變換的，這樣使得電磁參數(shù)很復(fù)雜，非線性，各向異性，工程上難以實(shí)現(xiàn)等問題，提出了提出一種分層離散的的轉(zhuǎn)換透鏡。這種透鏡是線性的，只有一方向上是各項(xiàng)異性的，從而使得介電常數(shù)和磁導(dǎo)率很容易構(gòu)造，通過將小范圍區(qū)域場好的性質(zhì)轉(zhuǎn)換成較大范圍區(qū)域的，從而實(shí)現(xiàn)了天線的高增益，并基于此設(shè)計(jì)了 6波束的高增益天線。仿真了工作在6GHz的喇叭天線分別離散，離散優(yōu)化，以及連續(xù)等幾種情況。
[0007]2009年Xi Chen等人提出了基于梯度折射率波束可掃描的喇叭天線。透鏡基本工作原理如主要是利用相位相等，然后推導(dǎo)出折射率滿足的關(guān)系再利用metamaterial超常媒質(zhì)構(gòu)造這種電磁參數(shù)。構(gòu)造人工電磁媒質(zhì)，對三個(gè)偏轉(zhuǎn)角度需要構(gòu)造不同的metamaterial。為了實(shí)現(xiàn)對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率有效控制,加工了三個(gè)偏轉(zhuǎn)角的透鏡喇卩八天線，給出了 z方向電場分布以及0°偏轉(zhuǎn)時(shí)方向圖。
[0008]但是也存每一個(gè)方向都需重新構(gòu)建metamaterial,需要構(gòu)造較多次,工作繁瑣。而且透鏡厚度較大等缺點(diǎn)。
[0009]2010年Hui Feng Ma等人提出使用梯度折射超常媒質(zhì)設(shè)計(jì)高增益的多波束天線，從Snell折射率入手，給出了透鏡折射率隨沿著透鏡軸向分布規(guī)律，并進(jìn)行了商業(yè)軟件仿真。
[0010]2012年中科院的黃廬軍等人提出一種分塊坐標(biāo)變換的方法區(qū)別于非均勻媒質(zhì)。將喇叭內(nèi)部區(qū)域分為兩個(gè)三角形區(qū)域，每個(gè)區(qū)域材料是均勻各項(xiàng)異性的；可實(shí)現(xiàn)高方向性的波束，且波束方向可通過改變喇叭形狀控制EMT有效媒質(zhì)理論，各向異性材料可以由各向同性的材料構(gòu)造，從而使得更容易實(shí)現(xiàn)。
[0011]國內(nèi)外等研究人員的設(shè)計(jì)思想，構(gòu)造的超常媒質(zhì)需要同時(shí)構(gòu)造磁導(dǎo)率兩個(gè)方向均變化的超常媒質(zhì)，而且變化區(qū)域填充面積很大，反射嚴(yán)重。東南大學(xué)Wei jiang Xing的變換光學(xué)及分層坐標(biāo)變換透鏡介質(zhì)是各項(xiàng)異性且非均勻，而且部分介電常數(shù)很大，甚至出現(xiàn)奇異點(diǎn)。以及提出的梯度折射透鏡方法得到透鏡電磁參數(shù)各項(xiàng)異性且非均勻，實(shí)際上難以構(gòu)造。中科院黃廬軍提出分塊三角變換方法得到均勻媒質(zhì)，但是用有效媒質(zhì)理論常規(guī)媒質(zhì)構(gòu)造，仍然存在需要很大介電常數(shù)媒質(zhì)，而且各項(xiàng)異性也使得常規(guī)媒質(zhì)難以滿足要求。絕大多數(shù)的研究都存在理論研究階段，很少有加工出實(shí)際天線。尋找一種單層，輕量化，反射小的透鏡來實(shí)現(xiàn)多波束天線，是值得研究的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本發(fā)明是為了實(shí)現(xiàn)構(gòu)造輕量化、體積較小的任意N波束普適的多波束天線，從而提供一種基于變換光學(xué)的多波束天線。
[0013]基于變換光學(xué)的多波束天線，它包括偶極子天線I ;它還包括四塊透鏡2、兩塊固定板4、四個(gè)固定柱3和4N個(gè)金屬條5 ；N為大于或等于且小于或等于12的整數(shù)；
[0014]每塊固定板4均為矩形框架結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)邊框中間均開有矩形插槽，兩塊固定板4上、下相對設(shè)置；所述兩塊固定板4之間通過四個(gè)固定柱3固定為一個(gè)整體；所述四個(gè)固定柱3的一端位于一塊固定板4的四個(gè)角處；所述四個(gè)固定柱3的另一端位于另一塊固定板4的四個(gè)角處；相鄰兩個(gè)固定柱3之間形成矩形的透鏡安裝窗；四塊透鏡2分別嵌固在四個(gè)透鏡安裝窗上；
[0015]所述每個(gè)透鏡表面上均蝕刻N(yùn)個(gè)金屬條5，偶極子天線I位于四個(gè)透鏡2圍成區(qū)域的中心。
[0016]它還包括同軸電纜，其中一塊透鏡2上開有通孔；所述偶極子天線I的一端通過該通孔與同軸電纜的一端連接。
[0017]它還包括絕緣固定橫桿，所述絕緣固定橫桿的兩端分別固定在兩個(gè)相對的透鏡2上，所述偶極子天線I固定在該絕緣固定橫桿上。
[0018]相鄰兩個(gè)金屬條5的距離相等。
[0019]偶極子天線I距離其中一塊透鏡2的距離為67mm ;每塊透鏡2的厚度均為0.8mm ；每個(gè)透鏡2的長度均為107mm ;相鄰兩個(gè)金屬條5的距離均為13mm。
[0020]透鏡2上開設(shè)的通孔為矩形孔，該通孔的寬度為2mm，且該通孔位于相鄰兩個(gè)金屬條5之間，且該通孔的中心線距兩鄰兩個(gè)金屬條5之間的距離均為5mm。
[0021]本發(fā)明的基于變換光學(xué)原理，提出一套N波束天線的普適的多波束天線，從近場將球面波變換為近似的均勻平面波。遠(yuǎn)場方面，從而將全向輻射天線變換為可以任意指定方向高增益定向輻射。該變換光學(xué)可以采用分塊變換方法，變換區(qū)域介質(zhì)為均勻的各項(xiàng)異性材料，且介電常數(shù)僅某一個(gè)方向變化，從而使得利用超常媒質(zhì)構(gòu)造該介質(zhì)更為可行，此外該介質(zhì)具有均勻性，由此可以僅用單層透鏡代替較大的變換區(qū)域，將原來的10層透鏡減少為I層透鏡。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是N波束天線幾何原理示意圖；
[0023]圖2是點(diǎn)源的歸一化遠(yuǎn)場電場幅值仿真示意圖；
[0024]圖3是三波束的歸一化遠(yuǎn)場電場幅值仿真示意圖；
[0025]圖4是四波束的歸一化遠(yuǎn)場電場幅值仿真示意圖；
[0026]圖5是八波束的歸一化遠(yuǎn)場電場幅值仿真不意圖；
[0027]圖6是采用散射參數(shù)提取算法，利用商業(yè)仿真軟件CST MWS建模仿真，提取得到等效色散介電常數(shù)的示意圖；
[0028]圖7是等效ε ζ色散關(guān)系原理示意圖；
[0029]圖8【具體實(shí)施方式】五的結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖；
[0030]圖9是圖8的側(cè)視圖；
[0031]圖10是本發(fā)明的反射系數(shù)仿真示意圖；其中:標(biāo)記101為未加透鏡時(shí)的偶極子仿真曲線；標(biāo)記102為未加透鏡時(shí)的偶極子測試曲線；標(biāo)記103為加透鏡后的仿真曲線；標(biāo)記104為加透鏡后的偶極子測試曲線；
[0032]圖11是本發(fā)明的天線效率仿真示意圖；
[0033]圖12是5.4GHz時(shí)天線H面方向圖測試及仿真示意圖；
[0034]圖13是5.4GHz時(shí)天線E面方向圖測試及仿真示意圖；
[0035]圖14是5.5GHz時(shí)天線H面方向圖測試及仿真示意圖；
[0036]圖15是5.5GHz時(shí)天線E面方向圖測試及仿真示意圖；
[0037]圖16是5.6GHz時(shí)天線H面方向圖測試及仿真示意圖；
[0038]圖17是5.6GHz時(shí)天線E面方向圖測試及仿真示意圖；
[0039]圖18是5.7GHz時(shí)天線H面方向圖測試及仿真示意圖；
[0040]圖19是5.7GHz時(shí)天線E面方向圖測試及仿真示意圖；
[0041]圖20是四方向增益仿真示意圖；
【具體實(shí)施方式】[0042]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實(shí)施方式】，基于變換光學(xué)的多波束天線，它包括偶極子天線I ;它還包括四塊透鏡2、兩塊固定板4、四個(gè)固定柱3和4N個(gè)金屬條5 ;N為大于或等于且小于或等于12的整數(shù)；
[0043]每塊固定板4均為矩形框架結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)邊框中間均開有矩形插槽，兩塊固定板4上、下相對設(shè)置；所述兩塊固定板4之間通過四個(gè)固定柱3固定為一個(gè)整體；所述四個(gè)固定柱3的一端位于一塊固定板4的四個(gè)角處；所述四個(gè)固定柱3的另一端位于另一塊固定板4的四個(gè)角處；相鄰兩個(gè)固定柱3之間形成矩形的透鏡安裝窗；四塊透鏡2分別嵌固在四個(gè)透鏡安裝窗上；
[0044]所述每個(gè)透鏡表面上均蝕刻N(yùn)個(gè)金屬條5，偶極子天線I位于四個(gè)透鏡2圍成區(qū)域的中心。
[0045]【具體實(shí)施方式】二、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的基于變換光學(xué)的多波束天線的區(qū)別在于，它還包括同軸電纜，其中一塊透鏡2上開有通孔；所述偶極子天線I的一端通過該通孔與同軸電纜的一端連接。
[0046]【具體實(shí)施方式】三、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】二所述的基于變換光學(xué)的多波束天線的區(qū)別在于，它還包括絕緣固定橫桿，所述絕緣固定橫桿的兩端分別固定在兩個(gè)相對的透鏡2上，所述偶極子天線I固定在該絕緣固定橫桿上。
[0047]【具體實(shí)施方式】四、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】三所述的基于變換光學(xué)的多波束天線的區(qū)別在于，相鄰兩個(gè)金屬條5的距離相等。
[0048]【具體實(shí)施方式】五、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】四所述的基于變換光學(xué)的多波束天線的區(qū)別在于，偶極子天線I距離其中一塊透鏡2的距離為67mm ;每塊透鏡2的厚度均為0.8mm ;每個(gè)透鏡2的長度均為107mm ;相鄰兩個(gè)金屬條5的距離均為13mm。
[0049]本發(fā)明的變換媒質(zhì)為均勻各向異性媒質(zhì)，且僅介電常數(shù)某一個(gè)方向變化，易于工程實(shí)現(xiàn)。通過在全向天線周圍構(gòu)造變換媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)在近場上將球面波轉(zhuǎn)換為平面波，遠(yuǎn)場上天線福射由全向變?yōu)橹付∟波束高增益定向福射。變換媒質(zhì)由超常媒質(zhì)構(gòu)造而成。以一個(gè)偶極子為輻射源，四波束定向天線為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
[0050]1、任意N波束天線實(shí)現(xiàn)的普適方法
[0051]考慮二維情況，圖1給出了任意N波束天線的幾何圖。O點(diǎn)為理想電源，在自由空間中輻射球面波，圖中虛線為球面波。要為了簡化情況，我們考慮N波束以O(shè)點(diǎn)為圓心，以相隔Θ角度等間隔輻射分布。
[0052]現(xiàn)考慮其中某一波束三角形區(qū)域0ΑΒ。自由空間中為球面波，即電磁場在扇形0A’ B’區(qū)域中均勻分布，當(dāng)扇形0A’ B’很小時(shí)，可以近似認(rèn)為弧形A’ B’近似為直線段A’ B,即近似為均勻平面波。由此，用以下映射方法來實(shí)現(xiàn)球面波轉(zhuǎn)換為平面波的變換光學(xué)設(shè)計(jì):
[0053]在直角坐標(biāo)系中將虛擬區(qū)域(x，y，z)中的扇形區(qū)域0A’B’映射到物理區(qū)域
(X，，y，，ζ，):
[0054]可設(shè)變換函數(shù)關(guān)系式如下:
[0055]X’ =ax+by+c
[0056]y’ =dx+ey+f
[0057]τ =ζ (I)[0058]根據(jù)變換光學(xué)，
【權(quán)利要求】
1.基于變換光學(xué)的多波束天線，它包括偶極子天線(I);其特征是:它還包括四塊透鏡(2)、兩塊固定板(4)、四個(gè)固定柱(3)和4N個(gè)金屬條(5) ;N為大于或等于且小于或等于12的整數(shù)； 每塊固定板(4)均為矩形框架結(jié)構(gòu)，其中每個(gè)邊框中間均開有矩形插槽，兩塊固定板(4)上、下相對設(shè)置；所述兩塊固定板(4)之間通過四個(gè)固定柱(3)固定為一個(gè)整體；所述四個(gè)固定柱(3)的一端位于一塊固定板(4)的四個(gè)角處；所述四個(gè)固定柱(3)的另一端位于另一塊固定板(4)的四個(gè)角處；相鄰兩個(gè)固定柱(3)之間形成矩形的透鏡安裝窗；四塊透鏡(2)分別嵌固在四個(gè)透鏡安裝窗上； 所述每個(gè)透鏡表面上均蝕刻N(yùn)個(gè)金屬條(5)，偶極子天線(I)位于四個(gè)透鏡(2)圍成區(qū)域的中心。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于它還包括同軸電纜，其中一塊透鏡(2)上開有通孔；所述偶極子天線(I)的一端通過該通孔與同軸電纜的一端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于它還包括絕緣固定橫桿，所述絕緣固定橫桿的兩端分別固定在兩個(gè)相對的透鏡(2)上，所述偶極子天線(I)固定在該絕緣固定橫桿上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于相鄰兩個(gè)金屬條(5)的距離相等。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于偶極子天線(I)距離其中一塊透鏡(2)的距離為67mm ;每塊透鏡(2)的厚度均為0.8mm ;每個(gè)透鏡(2)的長度均為107mm ;相鄰兩個(gè)金屬條(5)的距離均為13mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于透鏡(2)上開設(shè)的通孔為矩形孔，該通孔的寬度為2mm，且該通孔位于相鄰兩個(gè)金屬條(5)之間，且該通孔的中心線距兩鄰兩個(gè)金屬條(5)之間的距離均為5mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于每塊透鏡(2)的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于變換光學(xué)的多波束天線，其特征在于每個(gè)固定柱(3)均為尼龍螺柱。
【文檔編號】H01Q5/00GK103928763SQ201410148337
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年4月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月14日
【發(fā)明者】張狂, 傅佳輝, 沃得良 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)