一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線的制作方法
【專利摘要】本新型涉及一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，包括透鏡和位于透鏡焦面上的饋源，并通過對饋源進行機械控制實現(xiàn)波束掃描和跟蹤；透鏡具有匯聚電磁波功能，其外形可以是平板或曲面，實現(xiàn)與載體平臺共形設(shè)計；透鏡的等效介電常數(shù)分布特點為沿橫向和縱向從中心向邊緣減小；通過改變超材料單元的結(jié)構(gòu)或尺寸實現(xiàn)對等效介電常數(shù)的調(diào)控，采用多層超材料面板堆疊方式實現(xiàn)低成本透鏡的組裝制備。本新型具有寬帶、高增益、低剖面、易共形等特點，特別適用于通信測控等領(lǐng)域中要求高增益共形的機載或彈載平臺。
【專利說明】
一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，具有頻帶寬、增益高、剖面低、易共形等特點，特別適用于通信測控等領(lǐng)域中要求高增益共形的機載或彈載平臺?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在通信測控領(lǐng)域中可實現(xiàn)高增益、波束掃描的天線主要有如下幾種，但它們在性能上均存在某些缺陷。
[0003]1、拋物反射面天線具有高增益特點，利用伺服機構(gòu)實現(xiàn)波束掃描，但其整機剖面較高，無法實現(xiàn)共形設(shè)計。
[0004]2、相控陣天線剖面較低，利用移相器件等組件實現(xiàn)高增益?zhèn)鬏敿安ㄊ鴴呙瑁移漭椛潢嚵锌晒残卧O(shè)計，但大量移相器和復(fù)雜的控制電路導(dǎo)致成本高、散熱難度大等，對于大口徑相控陣天線來說，該問題尤為嚴(yán)重。
[0005]3、普通透鏡天線(如龍珀透鏡、均勻介質(zhì)透鏡)，采用伺服機構(gòu)控制饋源可實現(xiàn)高增益信號傳輸和波束掃描，但龍珀透鏡的介質(zhì)成型工藝難度大且強度差，龍珀透鏡和均勻介質(zhì)透鏡都具有剖面高、重量大、難共形的缺點，尤其無法用于機載或彈載平臺。【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型的目的是提出一種由饋源照射的低剖面透鏡天線，使其具有高增益信號傳輸、波束掃描、多波束等功能的同時，具備體積小、重量輕、與載體共形等優(yōu)點。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案為構(gòu)造一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，包括透鏡和位于透鏡焦面上的饋源，透鏡由多層超材料面板堆疊而成，該超材料面板是印制板，每層印制板上有超材料微結(jié)構(gòu);每層印制板被劃分成以透鏡中心為圓心的多個同心圓區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的超材料微結(jié)構(gòu)的尺寸相同，從中心圓形區(qū)域向邊緣區(qū)域超材料微結(jié)構(gòu)的尺寸遞增。
[0008]其中，透鏡外形是平板或曲面。
[0009]其中，透鏡的厚度為口面直徑的1/8-1/2。[〇〇1〇]其中，超材料微結(jié)構(gòu)采用圓形介質(zhì)孔或十字交叉金屬貼片或環(huán)形金屬貼片。
[0011]本實用新型與【背景技術(shù)】相比具有如下優(yōu)點:
[0012]1、本實用新型的低剖面透鏡天線具有易共形的優(yōu)點。本實用新型透鏡剖面低，采用平面或曲面外形，可實現(xiàn)與載體平臺共形設(shè)計，克服了現(xiàn)有反射面天線不能共形設(shè)計的缺點，與普通透鏡天線相比，也具有剖面低、重量輕、易共形的優(yōu)點。
[0013]2、本實用新型的低剖面透鏡天線具有可靈活設(shè)計的優(yōu)點。通過調(diào)整超材料微單元的結(jié)構(gòu)或尺寸即得到相應(yīng)的有效介電常數(shù)，與現(xiàn)有材料技術(shù)相比，該方法設(shè)計靈活性更高， 甚至可得到現(xiàn)有材料技術(shù)無法獲得的介電常數(shù)。超材料的靈活性使天線具備更佳電氣性能，例如實現(xiàn)多波束、超低旁瓣等。
[0014]3、本實用新型的低剖面透鏡天線具有成本低、功耗小的優(yōu)點。本實用新型的超材料面板采用成熟的印刷電路板工藝進行加工，制作簡單、成本低廉，且便于透鏡組裝;與需要移相器的相控陣天線相比，本實用新型超材料透鏡還具有功耗小的優(yōu)點。
[0015]4、本實用新型的低剖面透鏡天線具有寬頻帶的優(yōu)點。本實用新型采用非諧振超材料結(jié)構(gòu)實現(xiàn)透鏡，該類型單元具有寬帶電磁響應(yīng)特性?！靖綀D說明】
[0016]圖1是一種平面的低剖面透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2是一種曲面的低剖面透鏡天線的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖3是饋源在曲面內(nèi)移動實現(xiàn)波束掃描的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖4是饋源在平面內(nèi)移動實現(xiàn)波束掃描的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖5是饋源旋轉(zhuǎn)運動實現(xiàn)波束掃描的結(jié)構(gòu)示意圖。[0021 ]圖6是本實用新型設(shè)計的低剖面透鏡的剖面圖。
[0022]圖7是本實用新型設(shè)計的超材料面板的區(qū)域劃分結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖8是本實用新型設(shè)計的十字交叉金屬貼片結(jié)構(gòu)超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖9是本實用新型設(shè)計的環(huán)形金屬貼片結(jié)構(gòu)超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖10是本實用新型設(shè)計的圓形介質(zhì)孔結(jié)構(gòu)超材料單元結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖11是本實用新型實施例設(shè)計的超材料平板透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，其中透鏡直徑4.2入，厚度0.8入。
[0027]圖12是本實用新型實施例設(shè)計的波紋喇叭饋源的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖13是本實用新型實施例設(shè)計的法向波束和掃描25°波束的方向圖仿真結(jié)果?！揪唧w實施方式】
[0029]本實用新型的低剖面透鏡天線，包括饋源1和圓形的平板透鏡2或曲面透鏡3,饋源 1的相心位于平板透鏡2或曲面透鏡3的焦點處，如圖1和圖2所示。平板透鏡2和曲面透鏡3 特別適用于需要共形的移動平臺。
[0030]本實用新型透鏡天線的掃描工作原理如圖3到圖5所示。采用機械控制饋源移動的方式實現(xiàn)波束掃描，饋源的移動方式包括如圖3所示的二維曲面移動、如圖4所示的二維平面移動、如圖5所示的饋源旋轉(zhuǎn)等。為獲得高效率寬角掃描性能，饋源可采用上述移動方式中的一種或多種。
[0031]在透鏡下方放置多個饋源還可實現(xiàn)多波束出射，如圖3到圖5所示，其中波束1和波束2分別對應(yīng)處于不同位置的饋源1。
[0032]平板透鏡2或曲面透鏡3的功能是對饋源1發(fā)出的近球面電磁波信號進行相位補償，使其呈平面電磁波出射。本實用新型以超材料平板透鏡為例說明該透鏡的具體實現(xiàn)方式。平板透鏡中心處的介電常數(shù)數(shù)值最高，介電常數(shù)沿橫向和縱向從中心向邊緣減小。平板透鏡2由多層超材料面板堆疊而成，如圖6,該超材料面板是印制板，每層超材料面板使用一種或多種印制板材，使透鏡具有寬帶、雙極化電磁響應(yīng)。每層印制板上刻蝕如圖8到圖10所示的十字交叉金屬貼片、環(huán)形金屬貼片、圓形介質(zhì)孔等弱諧振的超材料微結(jié)構(gòu);每層印制板被劃分成以透鏡中心為圓心的多個同心圓區(qū)域。如圖7,區(qū)域4-7內(nèi)的介電常數(shù)值相同。每個區(qū)域內(nèi)的超材料微結(jié)構(gòu)的尺寸相同，從中心圓形區(qū)域向邊緣區(qū)域超材料微結(jié)構(gòu)的尺寸遞增。
[0033]本設(shè)計實施例采用如圖10所示的圓形介質(zhì)孔結(jié)構(gòu)，單元周期小于0.2A。區(qū)域內(nèi)介電常數(shù)值相同，即介質(zhì)孔單元尺寸相同，通過調(diào)控每個區(qū)域內(nèi)孔直徑的尺寸，得到適當(dāng)?shù)慕殡姵?shù)分布，獲得單層超材料面板。
[0034]多層超材料面板組裝成如圖11所示的平板透鏡，其中超材料平板透鏡8的口面直徑為4.2A，厚度為〇.8A，透鏡的厚度為口面直徑的八分之一到二分之一。波紋喇叭饋源9如圖12所示，波紋喇叭饋源9位于透鏡的焦點處，且具有特定照射角。
[0035]圖13是本實用新型設(shè)計實施例的法向波束和掃描25°波束的遠(yuǎn)場方向圖仿真結(jié)果。插圖1是實現(xiàn)法向波束的結(jié)構(gòu)示意圖，法向方向圖旁瓣值為-20.6dB，口面效率高達約 70%。通過旋轉(zhuǎn)波紋喇叭饋源9實現(xiàn)透鏡天線實現(xiàn)波束掃描。
【主權(quán)項】
1.一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，其特征在于，包括透鏡和位于透鏡焦面上的饋 源，透鏡由多層超材料面板堆疊而成，該超材料面板是印制板，每層印制板上有超材料微結(jié) 構(gòu);每層印制板被劃分成以透鏡中心為圓心的多個同心圓區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的超材料微結(jié) 構(gòu)的尺寸相同，從中心圓形區(qū)域向邊緣區(qū)域超材料微結(jié)構(gòu)的尺寸遞增。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，其特征在于，透鏡外形是 平板或曲面。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，其特征在于，透鏡的厚度 為口面直徑的八分之一到二分之一。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可寬角掃描的低剖面透鏡天線，其特征在于，超材料微結(jié) 構(gòu)采用圓形介質(zhì)孔或十字交叉金屬貼片或環(huán)形金屬貼片。
【文檔編號】H01Q19/06GK205609758SQ201620307063
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】賈丹, 何應(yīng)然, 丁寧, 楊楊, 董長勝, 張文靜, 杜彪
【申請人】中國電子科技集團公司第五十四研究所