專利名稱：一種基于新型開孔結(jié)構(gòu)的高效率介質(zhì)透鏡天線的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于天線工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及到一種介質(zhì)透鏡天線，具體來(lái)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(shù)的介質(zhì)透鏡。
背景技術(shù)：
在衛(wèi)星無(wú)線通信迅速發(fā)展的今天，作為信號(hào)發(fā)送和接收的主要載體，天線對(duì)無(wú)線 通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建起著舉足輕重的作用。國(guó)內(nèi)日益重視直播衛(wèi)星的發(fā)展，一線多星接收 技術(shù)的需求日益增長(zhǎng)，本發(fā)明正是基于這樣的前提并結(jié)合自身的一些研究工作，設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(shè)計(jì)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(shí)這類天線的剖面大，抗外界能力不強(qiáng)。龍伯透鏡天線是一種球?qū)ΨQ的分層介質(zhì)透鏡天線，介質(zhì)的介電常數(shù)沿徑向由中心 為2漸變到表面為1.透鏡表面的每一個(gè)點(diǎn)都可以認(rèn)為是焦點(diǎn)。只要在透鏡表面安放多個(gè) 饋源，就可以很容易得到多波束。而且每個(gè)波束增益相同，克服了多波束拋物面天線中饋源 偏焦導(dǎo)致的增益損失問題，適合多址通信場(chǎng)合。由于透鏡的表面是一個(gè)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(shí)現(xiàn)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(shù)對(duì)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(shí)接收多顆衛(wèi)星，具有頻帶寬，安裝方便，耐風(fēng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，已成功應(yīng)用在衛(wèi) 星或用戶進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星跟蹤，近年來(lái)龍伯透鏡天線在毫米波衛(wèi)星通信領(lǐng)域的應(yīng)用已 成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注和研究的熱點(diǎn)。傳統(tǒng)龍伯透鏡天線的工藝實(shí)現(xiàn)主要是通過對(duì)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(shù)透鏡天線材料的蒸烤溫度和 時(shí)間等，發(fā)泡程度與均勻性難以控制，且模具成本較高。美國(guó)專利申請(qǐng)第20040029985號(hào)中 公開了一種龍伯透鏡。該透鏡由多個(gè)空心球殼和球核構(gòu)成，該球殼和球核具有不同的介電 常數(shù)，球核和球殼由含有無(wú)機(jī)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(shí)用性。但是該天線的增益性能等不足以滿足實(shí)際應(yīng)用。日本住友電氣工業(yè)株式會(huì) 社在專利CN101057370中公開了一種龍伯透鏡天線，該透鏡由多個(gè)不同介電常數(shù)的球殼和 一個(gè)球核構(gòu)成，球核由多個(gè)球殼包圍組成一個(gè)半球體。但是該技術(shù)要求對(duì)發(fā)泡劑、膨脹溫度 的控制及原材料的選取要求甚是嚴(yán)格，而且對(duì)材料的化學(xué)物理等特性要求十分苛刻，加工 工藝流程的實(shí)現(xiàn)十分繁瑣復(fù)雜，使得龍伯透鏡天線的批量生產(chǎn)相對(duì)困難?？傮w來(lái)講，基于發(fā) 泡工藝的龍伯透鏡天線的蒸烤時(shí)間、溫度控制等對(duì)不同介電常數(shù)、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(shí)際工程批量生產(chǎn)困難較大和成本較 尚ο通過開孔結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)龍伯透鏡天線的方法很多，與其他的開孔結(jié)構(gòu)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(duì)齊粘貼制成一個(gè)完整的球孔， 然后將多個(gè)含多個(gè)完整球孔的片狀聚苯乙烯制成一個(gè)半球體，由此制成了等效介電常數(shù) 為1. 52的介質(zhì)透鏡天線，在特定焦距的測(cè)量下其增益性能較好，但是由于多層開半球孔， 球形孔在實(shí)際中加工比較困難，尺寸較小的透鏡還能勉強(qiáng)制作，在較大電尺寸的透鏡制作 上無(wú)疑會(huì)大大增加了復(fù)雜度和成本，此種技術(shù)也不利于在實(shí)際應(yīng)用和批量生產(chǎn)。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(lái)實(shí)現(xiàn)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(duì)于每層的組合也是個(gè)難題，對(duì)于實(shí)際應(yīng)用，其物理的牢固性也有待考究。美國(guó)專利發(fā) 明者 Kurt A. Zimmerman 在專利號(hào) 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(shè)計(jì)出沿徑向呈錐形孔的介質(zhì)透鏡天 線，但是此種設(shè)計(jì)徑向鉆孔加工難度較大，且孔數(shù)目較多，需考慮材料的形變及機(jī)械強(qiáng)度。 且此種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的成本。Peter C，Strickland等公開的專利號(hào)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(wú)機(jī)材料中按一定分布規(guī)律鉆不同的大小的柱孔構(gòu)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(shí)現(xiàn)介電常數(shù)的漸變。最后將橘子瓣 形狀體組合成一個(gè)球體。但是此種技術(shù)加工的柱孔復(fù)雜，而且柱孔的尺寸均不一樣，需要的 加工組件甚多，且整個(gè)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(shù)對(duì)于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)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(zhì)材 料上進(jìn)行柱形開孔和介質(zhì)厚度變化等在二維平面上控制介電常數(shù)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(jié)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(diǎn)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(jìn)行垂直方向的鉆柱形 孔，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于加工，采用材料工藝成熟的聚四氟乙烯等進(jìn)行加工，從而使得成本大大 降低。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的特定介電常數(shù)的透鏡天線可以運(yùn)用到介電常數(shù)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(shí)現(xiàn)的龍伯透鏡天線相比，本發(fā)明的技 術(shù)的規(guī)律簡(jiǎn)單、明了，易于推廣到不同尺寸不同介電常數(shù)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(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述技術(shù)背景實(shí)現(xiàn)，目的在于對(duì)現(xiàn)有技術(shù)在應(yīng)用中存在的問題加以研 究和解決，提出了一種新的實(shí)現(xiàn)等效介電常數(shù)的方法。該裝置通過對(duì)現(xiàn)有工藝技術(shù)成熟的 高介電常數(shù)的材料基體上鉆孔實(shí)現(xiàn)低損耗低介電常數(shù)材料的等效形式的發(fā)明和創(chuàng)新，采用 鉆柱形孔形式，設(shè)計(jì)出了一種高效率、高增益、成本低廉、便于加工批量生產(chǎn)的等效介電常數(shù)的介質(zhì)透鏡天線。該介質(zhì)透鏡適用于衛(wèi)星無(wú)線通信中一線多星的龍伯透鏡天線系統(tǒng)，它的基本結(jié)構(gòu) 包括金屬反射板、支架導(dǎo)軌、介質(zhì)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(dǎo)軌由連接塊和支撐柱構(gòu)成，固定于金屬反射板和介質(zhì)透鏡之間。饋源插入于支 架導(dǎo)軌弧形體凹槽之間，可在導(dǎo)軌上移動(dòng)并沿導(dǎo)軌徑向伸縮，叢而改變饋源入射角和焦距， 以求達(dá)到最佳的天線性能。本發(fā)明最大的創(chuàng)新在于介質(zhì)透鏡采用在工藝技術(shù)成熟高介電常數(shù)介質(zhì)材料基體 上開柱形孔構(gòu)成，這樣等效為較低的介電常數(shù)等效的介質(zhì)透鏡，并利用等效媒質(zhì)理論中的 ABG法則
權(quán)利要求
一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于新型的柱形開孔結(jié)構(gòu)，包括金屬反射板、饋源支架導(dǎo)軌部分、介質(zhì)透鏡天線部分以及饋源部分。介質(zhì)透鏡天線部分固定于金屬反射板上方。支架部分用來(lái)調(diào)解饋源的波束掃描角度以及饋源焦距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質(zhì)理論的指定介電常數(shù)的介質(zhì)透鏡天線，其特征在于至少包含一個(gè)介質(zhì)透鏡，透鏡由均勻 分布的空氣孔在其中構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效 媒質(zhì)理論的指定介電常數(shù)的介質(zhì)透鏡天線，其特征在于固定裝置與金屬反射板、介質(zhì)透鏡 和饋源相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質(zhì)理論的指定介電常數(shù)的介質(zhì)透鏡天線，其特征在于介質(zhì)透鏡材料的形狀和孔間距和數(shù)目 以及介質(zhì)材料種類可以有所調(diào)整，以滿足不同的設(shè)計(jì)要求。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質(zhì)理論的指定介電常數(shù)的介質(zhì)透鏡天線，其特征在于介質(zhì)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(shí)現(xiàn)饋源入射波束對(duì)透鏡天 線的不同程度的覆蓋，即不同程度的影響對(duì)介質(zhì)透鏡部分的入射波束角度、焦距和波束照 射，以達(dá)到連續(xù)改變對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星信號(hào)波束的目的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的波束，一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等 效媒質(zhì)理論的指定介電常數(shù)的介質(zhì)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(jié)構(gòu)構(gòu)成，從而大大簡(jiǎn)化了加工制作難度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于衛(wèi)星無(wú)線通信的高效率龍伯透鏡天線基于等效媒 質(zhì)理論的指定介電常數(shù)的介質(zhì)透鏡天線，其特征在于可以實(shí)現(xiàn)不同介電常數(shù)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(shí)現(xiàn)更大增益和效率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于無(wú)線衛(wèi)星通信的龍伯透鏡天線系統(tǒng)中的介質(zhì)透鏡天線。該介質(zhì)透鏡天線基本結(jié)構(gòu)包括金屬反射板部分、饋源支架部分、介質(zhì)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(zhì)透鏡部分由在聚四氟乙烯中鉆柱形孔構(gòu)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(zhì)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?；诒景l(fā)明的基本結(jié)構(gòu)，合理改變空氣孔的位置、大小、形狀，即可構(gòu)成本發(fā)明的其它具體實(shí)施方案。
文檔編號(hào)H01Q15/08GK101976755SQ20101026648
公開日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者劉志佳, 楊仕文, 聶在平, 黃明 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)