[發(fā)明專利]一種大掃描角度高增益Ka波段相控陣平板透鏡天線

在審

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• 申請日: 2017-06-16
• 公開（公告）號: CN107369909A
• 公開（公告）日: 2017-11-21
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 張安學(xué);李夢婷;楊國鵬
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H01Q9/04
• 分類號: H01Q9/04;H01Q15/23;H01Q21/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司61200
• 代理人: 陸萬壽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及天線技術(shù)，具體涉及一種大掃描角度高增益Ka波段相控陣平板透鏡天線。

背景技術(shù)

相控陣天線通過調(diào)整天線單元的相位差能夠在其掃描角度范圍內(nèi)控制電磁波的波束主射方向，最早應(yīng)用于探測雷達中，近年來也被廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通訊領(lǐng)域。傳統(tǒng)的相控陣天線在大角度掃描時，由于相控陣天線等效口面的面積變小，天線的方向性和增益都下降嚴重。

近年來，國內(nèi)外的許多學(xué)者采用超材料覆蓋的方法來擴大相控陣天線的波束掃描范圍，進而提高天線的增益，但這種方法增加了設(shè)計的難度，提高了制作的成本。

目前介質(zhì)平板透鏡能夠被用來提高天線的增益，但現(xiàn)有加載介質(zhì)平板透鏡的天線是針對電磁波垂直入射介質(zhì)平板透鏡的單元天線，并且在加載介質(zhì)平板透鏡之后天線的半功率角下降嚴重，因此無法用這種單元天線組成相控陣進行大角度的掃描。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種大掃描角度高增益Ka波段相控陣平板透鏡天線，能夠在Ka波段實現(xiàn)較寬的掃描角度，減少增益衰減，加工成本低。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

包括介質(zhì)基板以及并列排布在介質(zhì)基板上的多個天線單元，介質(zhì)基板的上表面刻蝕有四個銅制成的單元貼片天線，且介質(zhì)基板的下表面覆銅；

所述介質(zhì)基板的正上方設(shè)置有能夠?qū)﹄姶挪ㄟM行反射與折射的介質(zhì)平板透鏡；介質(zhì)平板透鏡的反射系數(shù)γ與透射系數(shù)τ分別為：

γ＝Γe^jψ，τ＝Te^jφ

由天線單元發(fā)射電磁波入射至介質(zhì)平板透鏡經(jīng)各級反射得到總反射系數(shù)：

根據(jù)能量守恒原理得：

T²+Γ²＝1

根據(jù)電場的表達式：

其中θ_n由下式確定：

f(α)是單元天線的方向函數(shù)，由于Г小于1，得：

故，電場強度的大小為：

介質(zhì)平板透鏡的厚度d為四分之波長，在不計損耗的情況下，計算得到的天線增益為：

考慮到介質(zhì)透鏡反射系數(shù)的幅度和相位都是入射角的函數(shù)，假設(shè)令入射角為10°時，天線增益取得最大值，那么由下式可以推出介質(zhì)基板與介質(zhì)平板透鏡的間距h：

最后通過仿真優(yōu)化可得到對計算得到的參數(shù)值進行進一步的優(yōu)化得到介質(zhì)基板與介質(zhì)平板透鏡的間距h以及介質(zhì)平板透鏡的大小的最優(yōu)值；

上式中：

γ——總反射系數(shù)；γ₀——第0序列波的反射系數(shù)；γ₁——第一序列波的反射系數(shù)；γ₂——第二序列波的反射系數(shù)；Г——總反射系數(shù)的模值；φ——反射系數(shù)的相位；τ——總透射系數(shù)；T——總透射系數(shù)的模值；ψ——透射系數(shù)的相位；Г₁——由空氣入射到介質(zhì)中的反射系數(shù)模值；T₁——由空氣入射到介質(zhì)中的透射系數(shù)模值；Г₂——由介質(zhì)入射到空氣中的反射系數(shù)模值；T₂——由介質(zhì)入射到空氣中的透射系數(shù)模值；β₁——空氣中的傳播常數(shù)；β₂——介質(zhì)中的傳播常數(shù)；θ_i——入射角；θ_t——折射角；θ_n——多次折射后的相位角；c——光速；f——中心頻率；h——天線與介質(zhì)平板透鏡之間的距離；E——電場；α——入射角；f(α)——單元天線的方向函數(shù)；E₀——假設(shè)的用來衡量電場值的一個常數(shù)。

所述的介質(zhì)基板上并列排布有4個相同的天線單元，相鄰天線單元中心之間的距離均為6mm；天線單元均采用長度為3.7mm、寬度為3.35mm的矩形微帶貼片天線。

所述的介質(zhì)基板由介電常數(shù)為2.55的Neltec NY9225材料制成。

所述介質(zhì)基板的長度為50mm、寬度為21mm、厚度為0.5mm。

所述的介質(zhì)平板透鏡由介電常數(shù)3.55的Rogers RO4003材料制成。

所述的介質(zhì)平板透鏡長度為46mm、寬度為19mm、厚度為1.5mm。

所述的介質(zhì)基板與介質(zhì)平板透鏡之間的間距h為6.8mm。